Regelungstechnik/Signaltheorie

Lehr- und Forschungsbericht 2000

Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie

Prof. Dr.-Ing. habil. Madhukar Pandit

Sekretariat: Elisabeth Rink, Michael Rink

Geb. 12, Raum 336, App. 2828

1 Wissenschaftliches und technisches Personal, Gäste

1.1 Personal

Dipl.-Math. Daniel Andres **

Swen Becker

Dipl.-Ing. Wolfgang Deis

Dipl.-Ing. Stefan Feick *(bis 31.07.2000)

Dipl.-Ing. Heiko Hengen

Dipl.-Ing. Stefan Hillenbrand **(bis 28.02.2000)

Dipl.-Ing. Mark Müller *(ab 01.08.2000)

Dipl.-Ing. Ralf Nonn *(ab 15.09.2000)

Dipl.-Ing. Jan Uthoff **(bis 31.08.2000)

* = Drittmittelfinanzierung

** = Stipendiat

1.2 Gastaufenthalte auswärtiger Wissenschaftler und Stipendiaten

Gastwissenschaftler:

Prof. Anurag Kumar, 13. – 14. 09. 2000

Indian Institute of Science, Bangalore

Prof. Anamitra Makur 11.11.2000 – 15.12.2000

Indian Institute of Science, Bangalore

Graduierten Studenten aus dem Indian Institute of Science unter DAAD-Austauschprogramm:

Anindya Hajra 21.01.2000 - 22.04.2000

Joby Joseph 15.01.2000 - 15.05.2000

2 Lehrveranstaltungen

2.1 Vorlesungen und Seminare an der Universität Kaiserslautern

Teilnehmer/Anzahl

von Prüfungskandidaten

Vorlesungen: WS SS

85-504 Regelungstechnik I (WS) 47 16

85-505 Regelungstechnik II (SS) 11 7

Abtastregelungen (WS) 12 2

85-304 Systemtheorie (SS) 11 7

85-430 Grundlagen und Anwendung der

Theorie stochastischer Prozesse (WS) 6 3

85-433 Theorie und Praxis der digitalen

Bildverarbeitung (SS) 1 5

85-241 Automatisierung in Kraftwerken (WS) 9

86-676 Regelungstechnische Instrumen-

tierung (WS) 1 4

85-525 Kraftfahrzeugelektronik - -

85-434 Iterativ lernende Regelungen und

ihre Anwendungen in zyklischen 2

Produktionsprozessen (SS)

Labors: Gesamtteilnehmer:

Grundpraktikum "Energie- und Automatisierungstechnik" (SS) 21

1. Schwebende Kugel im Magnetfeld mit analoger

Regelung

2. Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors mit 21

geringer Leistung

Vertiefungspraktikum "Automatisierungstechnik" (WS)

1. Digitale Regelung einer verfahrenstechnischen Anlage 5

2. Signalverarbeitung und Regelung in gravimetrischen

Dosiersystemen 5

3. Regelung eines zyklischen, nichtlinearen Systems 8

Bildverarbeitung in Regelkreisen, Regelung einer

Instabilen Strecke 5

Praktikumsteil

"Theorie und Praxis der digitalen Bildverarbeitung"

85-432 Praktikum "CAE in der Regelungstechnik"

(SS + WS)

- Seminar Regelungstechnik und Signaltheorie 15

Mitbetreute Vorlesungen und Prüfungen von Lehrbeauftragten:

85-241 Prof. Dr. G. Kallina Automatisierung in Kraftwerken (WS)

85-434 Dr. K. Buchheit Iterativ lernende Regelungen und ihre Anwendungen in

zyklischen Prozessen (SS)

85-433 Dr. M. Pfeiffer Theorie und Praxis der digitalen Bildverarbeitung (SS)

86-676 Prof. Dr. H. Hoffmann Regelungstechnische Instrumentierung (SS)

85-525 Dr. F. Schmidt Kraftfahrzeugelektronik (SS)

3 Forschungsgebiete und Projekte

Iterativ lernende Regelungen

Für die Automatisierung "zyklischer" Prozesse können sogenannte iterativ lernende Regelungen (ILR) mit grossem Vorteil eingesetzt werden, mit deren Hilfe der Prozessablauf von Zyklus zu Zyklus verbessert werden kann. Um den Verlauf der Regelgröße an einen vorgegebenen Sollverlauf anzugleichen, werden die Ein- und Ausgangsverläufe des vorangegangenen k-ten Zyklus verwendet, um den Stellgrößenverlauf u_k+1(t) für den nächsten, den (k+1)-ten Zyklus so zu berechnen, dass der Fehler zwischen Soll- und Istverlauf immer kleiner wird.

Iterativ lernende Regelungsverfahren können unter anderem bei der Führung von Batchprozessen, bei der Regelung von periodischen Systemen, bei der Automatisierung von Roboterarmbewegungen, für die Regelung der Profiltemperatur beim Strangpressen von Aluminium oder aber auch bei der Automatisierung des Hochfahrens eines verfahrenstechnischen Prozesses zu einem Betriebszustand eingesetzt werden. Diesen Prozessen ist gemeinsam, dass die Regelgröße ausgehend vom selben Anfangszustand immer wieder einer zeitlich begrenzten Solltrajektorie folgen soll, wobei diese Wiederholungen nicht zwingend in festen Abständen erfolgen müssen. Iterativ lernende Regelungen können auch dann eingesetzt werden, wenn die Strecke nichtlinear ist, und/oder nur ein mangelhaftes Prozessmodell bekannt ist.

Da die iterativ lernenden Regelungen die vollständigen Ein- und Ausgangsverläufe des vorangegangenen Zyklus für die Berechnung des neuen Stellverlaufes verwenden, können auch nichtkausale Algorithmen zur Verarbeitung der am Prozess gemessenen Signale verwendet werden. Damit ist zum Beispiel eine Tiefpassfilterung ohne Phasenverschiebung oder eine Kompensation der Totzeit der Strecke möglich. Damit wird die Voraussetzung für eine schnelle Regelung geschaffen - ein entscheidender Vorteil iterativ lernender Regelungen.

Am Lehrstuhl entstand 2000 mit der Arbeit von Stefan Hillenbrand die vierte Dissertation über dieses Thema, es wird weiterhin sowohl an der theoretischen Weiterentwicklung als auch an der praktischen Anwendung dieser Regelungsverfahren gearbeitet.

a) Iterativ lernende Regelungen mit reduzierter Abtastrate

Bei den meisten bisher betrachteten iterativ lernenden Regelalgorithmen wird für als Maß für die Abweichung zwischen dem Soll- und dem Istverlauf entweder die sogenannte -Norm verwendet, die den Fehlerverlauf exponentiell gewichtet, oder es wird für den Entwurf eines diskreten Regelgesetzes nur die Konvergenz für Zykluszahl k  sichergestellt. Wünschenswert ist jedoch, dass eine praktisch einsetzbare Fehlernorm, wie zum Beispiel die 2-Norm, von Zyklus zu Zyklus verkleinert wird.

Da iterativ lernende Regler nur mit Hilfe von Digitalrechnern realisiert werden können, wird im Unterschied zu vielen in der Literatur untersuchten ILR-Algorithmen der Regelalgorithmus in diskreter Zeit formuliert und der Regler mit Hilfe eines entsprechenden diskreten Systemmodells entworfen. Basierend auf der Beschreibung des Systemverhaltens in einem Zyklus als lineare Abbildung, die durch eine Vektor-Matrix-Multiplikation dargestellt werden kann, wird gezeigt werden, dass durch die Wahl einer hinreichend großen Abtastzeit für den ILR-Algorithmus die Reduktion der Fehlernorm von Zyklus zu Zyklus auch für ein einfaches Regelgesetz sichergestellt werden kann. Diese iterativ lernenden Regler mit reduzierter Abtastrate können durch einfaches Auswerten der Sprungantwort oder mit Hilfe eines Systemmodells entworfen werden und sind robust gegenüber Modellierungsungenauigkeiten, Totzeit, Störungen, Stellgrößenbeschränkungen und Anfangszustandsfehlern, die beim Entwurf des Reglers explizit durch Vergrößerung der Abtastzeit des ersten Abtastintervalls berücksichtigt werden können. Hierdurch ergibt sich, wie bei der Linearisierung eines nichtlinearen Systems entlang einer Trajektorie, ein zeitvariantes Systemmodell, mit dessen Hilfe auch ein zeitvarianter ILR entworfen werden kann.

Durch die Reduktion der Abtastrate kann zwar das gewünschte Konvergenzverhalten erreicht werden, jedoch wird eine Folge relativ hoher Sprünge auf das System geschaltet, was zu einer nicht vernachlässigbaren Stellgliedbelastung führt; jedoch durch die Verwendung von Haltegliedern mit stetigem Übergang zwischen den Stellwerten kann die Stellgliedbelastung reduziert werden. Mit wenigen zusätzlichen Überlegungen ist es möglich, die Regelalgorithmen für Mehrgrößenstrecken zu erweitern und optimierende ILR mit reduzierter Abtastrate zu entwickeln, die es erlauben, neben der Forderung nach Konvergenz zur Solltrajektorie weitere Anforderungen an die Stelltrajektorie beim Reglerentwurf zu berücksichtigen.

b) Konvergenz und Robustheit iterativ lernender Regelungen

Eine der Hauptschwierigkeiten beim Entwurf iterativ lernender Regelungen besteht darin, Regelgesetze zu finden, die die Konvergenz des Systemausgangs in einer gegebenen Norm sichern. Neben der reinen Konvergenz sind jedoch weitere Kriterien durch eine iterativ lernende Regelung zu erfüllen, wie hinreichend kleiner Restfehler, Robustheit bezüglich Modellungenauigkeiten und Initialisierungsfehlern, sowie ausreichend schnelles und gedämpftes Übergangsverhalten.

Am Lehrstuhl wurde die Konvergenz einer iterativ lernenden P-Regelung für Systeme untersucht, die sich durch stetige lineare Abbildungen zwischen Hilberträumen beschreiben lassen. Dabei wurde die Systemklasse identifiziert, für die die Hilbertraumnorm der Abweichung des Systemausgangs vom gewünschten Verlauf über die Zyklen monoton fällt. Da iterativ lernende P-Regelungen keine Beschränkungen der Steuerungen berücksichtigen können, müssen Steuerungen die außerhalb des Zulässigkeitsbereiches liegen in diesen projiziert werden, bevor sie auf das System aufgeschaltet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Konvergenz der iterativ lernenden P-Regelung erhalten bleibt, wenn die verwendete Projektion nicht expandierend ist, d.h. wenn sie den Abstand zweier Steuerungen bei der Projektion nicht vergrößert. Des Weiteren wurde gezeigt, dass die Regelung robust gegenüber beschränkten Störungen der Ausgangsgröße ist, wenn der Systemoperator auf einem endlichdimensionalen Hilbertraum definiert ist. Diese Situation liegt z.B. vor, wenn die Steuerungen aus endlich vielen Basisfunktionen aufgebaut werden.

c) MoMAS (Mobiles Mess- und Automatisierungssystem für Strangpressen)

Das Strangpressen ist ein zur Herstellung von Metallprofilen eingesetzter Produktionsprozess, der Gegenstand ständiger Verbesserungsbestrebungen ist. Eine der Hauptbestrebungen, die seit drei Jahrzehnten an Aktualität nicht verloren hat, betrifft die Entwicklung eines isothermen Regelungsverfahrens für die Regelung der Austrittstemperatur auf einen vorgegebenen Wert.

Die optimierende iterativ lernende Regelung bietet in Verbindung mit den mittlerweile verfügbaren, ausreichend genauen Mehrfarbenpyrometern ein für den industriellen Einsatz geeignetes System für das isotherme Strangpressen. Grundlegend für das Verfahren ist die Betrachtung des Strangpressprozesses als zyklischen Prozess. Zu Beginn des k-ten Presszyklus wird ausgehend von der Kenntnis der Verläufe der Profilaustrittstemperatur, der Pressgeschwindigkeit und der Blocktemperatur in den vorhergehenden Zyklen der optimale Pressgeschwindigkeitsverlauf für diesen Zyklus berechnet und vorgegeben. Die Güte der Regelung wird zusätzlich erhöht, indem das Pyrometersignal durch Verwendung nichtkausaler Filterung verzögerungsfrei gefiltert wird. Impulsartige Störungen werden entdeckt und unterdrückt.

Die Einsatzfähigkeit des MoMAS hat sich in diesem Jahr durch die Implementierung eines Prototypsystems an der Strangpresse des Forschungszentrums Strangpressen (FZS) der TU Berlin gezeigt. Um dem Verfahren der iterativ lernenden Regelung eine Einsatzchance in der Industrie zu geben, wird das MoMAS derzeit in ein "stand-alone-Gerät" bestehend aus einem Industrie-PC, einer echzeitfähigen Messkarte und der MoMAS-Software eingebunden. Damit die Umbaumaßnahmen an der Zielanlage klein gehalten werden können, wurden Standard-Schnittstellen definiert, die nahezu an jeder Anlage vorhanden sind. Die Messgrößen Profiltemperatur, Stempelgeschwindigkeit und Pressdruck werden standardmäßig eingelesen und ausgewertet. Weitere Messgrößen können ebenfalls angezeigt werden. Die berechneten Stellgrößen (Stempelgeschwindigkeit und/oder Barrentemperatur) können wahlweise über Bildschirm ausgegeben oder via serielle Schnittstelle direkt zur Anlage übertragen werden.

Um den Einstieg des MoMAS an einer bestehenden Anlage zu erleichtern ist die Implementierung in drei Schritten vorgesehen: 1). Anbindung des MoMAS an die Anlage und Online-Anzeige der Prozessgrößen. Handoptimierung durch den Operateur möglich. 2). Berechnung der neuen Stellgrößen in der Prozessnebenzeit und Nachfahren der neuen Stellverläufe durch den Operateur. 3). Einbinden der iterativ lernenden Regelung durch Quittierung des Operateurs und automatisches Übertragen der neuen Stellverläufe.

Das MoMAS greift nicht aktiv in den Prozess ein, sondern unterstützt den Operateur bei der Verbesserung seines Prozesses. Die Berechnungen werden in der Prozessnebenzeit gemacht und müssen vom Operateur explizit quittiert werden. So ist maximale Funktionsfähigkeit der Anlage gesichert.

Weitere Vorhaben auf dem Gebiet der Optimierung des Strangpressprozesses liegen in der Optimierung der Barrentemperatur, dem Einsatz beim indirekten Schwermetallpressen und im Test weiterer Optimierungsmethoden.

Fuzzy-Control und Regelbasierte Interpolation (RIP) und neuronale Kennfeldapproximation

Von der Möglichkeit, Expertenwissen in Steuerungs- oder Regelungssyteme einzubringen wurde in den letzten Jahren intensiv Gebrauch gemacht, nicht zuletzt aufgrund der Popularität der Fuzzy Control Theorie. In Zusammenarbeit mit dem Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft des Fachbereiches ARUBI der Universität Kaiserslautern wurde die Fuzzy-Steuerung einer kommunalen Kläranlage erprobt. Dabei wurde die Elimination der Schadstofffrachten über eine Fuzzy-Steuerung des Sauerstoffeintrages in dem sog. Belebungsbecken realisiert, welches Teil der biologischen Abwasserreinigung ist. Durch die Einbringung von Expertenwissen konnte so eine Verringerung und Vergleichmäßigung der Schadstoffbelastung des Abwassers erreicht werden.

In den letzten Jahren haben sich Fuzzy Controller als sinnvolle Ergänzung zu konventionellen Reglern etabliert. Bei Fuzzy Control wird eine nichtlineare Abbildung anhand von linguistisch formuliertem Expertenwissen erzeugt. Trotz vieler Vorteile existieren aber auch Nachteile, wie die übermäßige Anzahl von Freiheitsgraden oder die nicht immer gegebene Transparenz der Entwurfsparameter. Aus diesem Grund wurde ein neues Verfahren zum Entwurf von Kennfeldreglern entwickelt, - das regelbasierte Interpolationsverfahren (RIP). Auch hier wird Expertenwissen in Form einer Regelbasis verwendet, wodurch der Entwurfsprozess ähnlich wie bei Fuzzy Control erleichtert wird. Allerdings unterscheidet sich RIP-Control von Fuzzy Control in einigen wichtigen Punkten. Zunächst wird schon der Regelbasis und deren Eigenschaften mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Unvollständige Regelbasen werden vervollständigt und Konflikte zwischen Regeln beseitigt.

Außerdem wird das Kennfeld nicht über unscharfe Mengen generiert. Bei RIP erzeugen die Regeln Stützpunkte, mit deren Hilfe das Kennfeld mittels geeigneter Interpolationsverfahren erstellt wird. Dadurch können Kennfelder mit bestimmten Eigenschaften erzeugt werden, die mittels Fuzzy Control unerreichbar bleiben. Ein weiterer Vorteil der RIP-Methode ist die Möglichkeit der Verwendung hybrider Regeln.

Die neuronale Kennfeldapproximation versucht nun das Reglerkennfeld durch ein neuronales Netz darzustellen, um ein adaptives System zu erhalten. Die Hauptaufgaben sind hierbei die Suche nach geeigneten Strukturen zur Approximation der nichtlinearen Abbildung und der Entwurf von Lernregeln, nach denen sich der Regler auf die Strecke einstellt.

Elektronisches Fahrzeuglenksystem (Steer by Wire)

Das in Zusammenarbeit mit der Industrie bearbeitete Forschungsprojekt 'Steer-by-Wire' wurde beendet. In diesem Projekt ging es um Grundsatzuntersuchungen zur Entwicklung eines fehlertoleranten, mechatronischen Lenksystems für Fahrzeuge. Hierbei wird auf eine mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Spurstange gänzlich verzichtet; die Anlenkung der Räder geschieht rein elektromechanisch. Der Aufbau eines Steer-by-Wire - Systems umfasst generell eine redundante Verstellaktorik für die angelenkten Räder und eine redundante Force-Feedback-Aktorik zur Übermittlung von Lenkradkräften an den Fahrer. Die Regelung des Systems geschieht mit Hilfe eines verteilten Rechnersystems.

Die Flexibilität und Adaptivität mechatronischer Systeme ermöglicht die Implementierung von Funktionen, die für konventionelle Lenkungssysteme undenkbar oder nur mit großem Aufwand zu realisieren sind. Ein wesentlicher Unterschied zu konventionellen, mechanischen Lenkungssystemen ist, dass eine Änderung der Systemeigenschaft in großem Bereich allein durch Änderung von Softwareparametern möglich ist, und dies sogar adaptiv während des Betriebs. SBW legt den Grundstein für die Implementierung neuartiger Fahrerassistenzsysteme und Komfortfunktionen. Seitenwindkompensation, spurgeführte Verkehrssysteme, autonomes Fahren und die Realisierung einer 'elektronischen Deichsel' sind ebenso denkbar wie die Integration von effektiven Regelungen zur aktiven Fahrzeugstabilisierung mit direktem Lenkungseingriff. Dank der elektronischen Schnittstelle bleiben die Regeleingriffe dieser Systeme auf den Fahrer rückwirkungsfrei.

Eine Erhöhung des Lenkkomforts ist durch die einfache Realisierung einer Kennfeldlenkung mit in weiten Bereichen fahrerindividuell frei wählbaren fahrgeschwindigkeits- und lenkwinkelabhängigen Parametern gegeben. Durch die angestrebte Modularität eines SBW-Systems ergibt sich eine Erhöhung der Freiheit beim Fahrzeugdesign und ein vereinfachter Herstellungsprozess. Der Verzicht auf die Lenksäule verspricht auch eine Erhöhung der passiven Sicherheit, da diese bei einem Unfall nicht mehr in den Fahrerraum eindringen kann.

Im Rahmen des Projektes wurden an insgesamt drei Lenkungsprüfständen Konzepte zur Realisierung einer fehlertoleranten, mechatronischen Lenkung entwickelt und implementiert.

Als Entwicklungsumgebung standen jeweils leistungsfähige Rapid-Prototyping-Tools auf der Basis von Matlab / Simulink zur Verfügung. Bewährte Regelkonzepte basieren auf parameteradaptive Kaskaden- und Zustandsregelern. Als Fehlertoleranzverfahren konnten mit dem Rekonfigurationsprinzip, das eine Fehlerdiagnose und eine anschließende Fehlerbehandlung beinhaltet, gute Erfahrungen gemacht werden. Die Fehlererkennung geschieht mit Hilfe einer hierarchischen Beobachterstruktur.

Die verschiedenen im Rahmen des Projektes erstellten und implementierten Konzepte unterscheiden sich jeweils durch ihren charakteristischen Leistungsumfang und hard- und softwaretechnischen Realisierungsaufwand. Eine Konzeptauswahl muss hohen Kostendruck und hohe Sicherheitsanforderungen vereinbaren. Die Forschungsergebnisse des Projekts wurden an die Vorentwicklung des Industriepartners weitergeleitet.

Automatisches Erkennungssystem für venöse Luftembolien

Im Rahmen dieser Arbeit, die am Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie der Universität Kaiserslautern in Zusammenarbeit mit dem Westpfalz-Klinikum Kaiserslautern durchgeführt wird, ist ein automatisches Erkennungssystem für venöse Luftembolien entwickelt worden. Ziel ist es, ein für den klinischen Einsatz taugliches Stand-Alone-Gerät auf Basis eines Digitalen Signalprozessors (kurz: DSP) zu entwickeln, das den Anästhesisten bei der Operation unterstützt und entlastet.

Medizinischer Hintergrund

Eine Luftembolie entsteht durch das Eindringen von Luft in den Blutkreislauf. Dies geschieht besonders häufig im Bereich der Neurochirurgie, wenn Operationen in Oberkörperhochlage oder am Schädel vorgenommen werden. Bei diesen Bedingungen liegt das Operationsgebiet über dem Herzen, sodass es zwischen diesen beiden Stellen zu Druckunterschieden von über 500 Pa kommen kann. Dies kann dazu führen, dass Luft vom Operationsgebiet in das Venensystem gesaugt und zum Herzen transportiert wird. Von dort kann die Luft in die Lunge oder in andere Körperteile transportiert werden und zum teilweisen oder kompletten Funktionsausfall der betroffenen Regionen führen.

Herkömmliche Überwachungsmethoden bestehen darin, dass der Anästhesist bei der Operation die Herzgeräusche des Patienten überwacht, beispielsweise indem er ein Ultraschalldoppler-Mikrofon auf der Brust des Patienten über dem Herzen plaziert und die Strömungsgeräusche an der Herzvene erfasst. Liegt eine Luftembolie vor, so tritt das sogenannte 'Mühlradgeräusch' auf, welches sich vom normalen Herzgeräusch durch ein Kratzen und Rauschen unterscheidet.

Automatische Erkennung von Luftembolien

Da sich der Anästhesist während einer oft mehrstündigen Operation ständig auf die Herztöne konzentrieren und dabei weitere Aufgaben erfüllen muss, ist es wünschenswert, die Erkennung von Luftembolien zu automatisieren. In Zusammenarbeit mit dem Westpfalz-Klinikum Kaiserslautern wurden am Lehrstuhl für Regelungstechnik und Signaltheorie der Universität Kaiserslautern im Rahmen von Diplomarbeiten Verfahren zur automatischen Erkennung von Luftembolien untersucht. Als Grundlage wurde die Kontrolle der Herzgeräusche mit einem über dem Herzen des Patienten plazierten Ultraschalldoppler-Mikrofon gewählt. Geeignete Verfahren der Signalverarbeitung wurden entwickelt, die die typischen Signalverläufe bei Luftembolien erkennen. Diese wurden anhand von Testaufnahmen verifiziert.

Im Jahr 1999 wurde eine Signalverarbeitungs-Hardware übertragen, die auf einem Digitalen Signalprozessor basiert und nun direkt im Operationssaal eingesetzt werden kann. Aufgrund dieser Erfahrungen können die Algorithmen in Zukunft noch weiter verbessert werden.

Ermittlung der Kalzifizierung von Gallensteinen aus Ultraschallsignalen

Bevor über die Anwendung einer Lysetherapie zur Behandlung eines Gallensteinleidens entschieden werden kann, sind Kenntnisse über eine mögliche Kalzifizierung des Gallensteines erforderlich. In den vergangenen Jahren wurden hierzu verschiedene computergestützte Ansätze untersucht.

Zunächst wurde ein Ultraschallgerät um die Möglichkeit zur Digitalisierung des HF-Echosignals erweitert. Die mittels Kurzzeit-DFT hieraus berechnete ortsabhängige Gruppenlaufzeit wurde hinsichtlich ihrer Eignung zur Identifizierung von Kalzifikationen untersucht. Da hierbei jedoch kein Zusammenhang nachzuweisen war wurde als zweiter Ansatz die Analyse des B-Bildes vrfolgt. Grundlage waren visuelle Kriterien (Stärke des Frontechos im Verhältnis zum Steininneren, Schärfe des Schallschattens) die in der medizinischen Diagnostik derzeit zum Einsatz kommen. Da diese Kriterien in der Literatur kontrovers diskutiert werden, wurde als primäres Ziel eine Objektivierung dieser Kriterien zu erreichen. Nach der Umsetzung dieser Parameter erbrachte die standardiserte Analyse einer Serie von etwa 100 Aufnahmen von 50 Steinen, sowohl in-vitro als auch in-vivo geschallt keine Zusammenhang zwicschen den genannten Kriterien und der Steinzusammensetzung. Im Rahmen der in-vitro Untersuchungen konnte jedoch schließlich ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den Kriterien und der Makrogeometrie der Steine gezeigt werden.

Entwicklung von Verfahren und eines Systems zur Unterstützung der Frühdiagnose von Leukämie mit Hilfe von Methoden der Bildverarbeitung

In der Hämatologie werden Krankheiten der Blutbildung, der Lymphopoese und des Knochenmarkes diagnostiziert und behandelt. Die mikroskopische Untersuchung von Zellen aus dem Blut und Knochenmark ist für die Diagnostik und Verlaufskontrolle der Therapie essentiell. Die Vielfalt und Komplexität der mikroskopischen Bilder setzt beim Untersucher eine große Erfahrung voraus, um exakte Diagnosen stellen zu können. Die mikroskopische Bildanalyse durch den Arzt resultiert in einer Deskription, die bisher nur teilweise standardisiert ist. Daher gibt es regelmäßig Differenzen in der Befunderhebung und Mitteilung zwischen verschiedenen Befundern. Auch die Reproduzierbarkeit der deskriptiven Befunde ist nur partiell gesichert.

Die Analyse von Blutbildern mit dem Ziel eine Korrelation zwischen Bildmerkmalen und Leukämiebefund festzustellen ist in durchgeführt worden. Im Gegensatz zu dem dort eingeschlagenen Weg, wird im Vorhaben die Untersuchung anhand von Knochenmarkzellen durchgeführt.

Ausgehend von diesem Stand ist im Rahmen des Medizin- Naturwissenschaft- Technik (MNT)- Schwerpunktes der Universität Kaiserslautern und des Westpfalz- Klinikums Kaiserslautern ein interdisziplinäres Projekt zum Thema Analyse von mikroskopischen Blutzellenbildern begonnen worden. Langfristig soll das System auch an normalen und pathologischen Knochenmarkzellen eingesetzt werden. Ziel dabei ist es, Verfahren zur Früherkennung von Leukämie zu untersuchen und die Grundlage für den Aufbau eines Systems zu schaffen, wodurch die Verfahren einem großen Kreis von Ärzten zugänglich gemacht werden können.

Das gesamte Projekt gliedert sich wie folgt:

Aufbau einer Datenbank von mikroskopischen Aufnahmen und Merkmalen anhand vorhandenen Materials (Objektträger, elektronische Bilder)

Aufbau der Technik für die mikroskopische Bildaufnahme und -weiterverarbeitung, bestehend aus Mikroskop, motorisiertem Motortisch für das Mikroskop, Interface und Archivierungssoftware

Entwicklung von Verfahren zur Merkmalsextraktion von Blutzellen in Mikroskopaufnahmen

Verknüpfung von Merkmalen und Diagnosen mit Clusteringalgorithmen

Aktive Bildverarbeitung

Das Paradigma der aktiven Bildverarbeitung bedeutet die systematische Rückkopplung von Information innerhalb eines Bildverarbeitungssystems zur gezielten Beeinflussung von Teilstrukturen und deren Parametrisierung. Hierdurch werden derartige Systeme robust gegenüber Störungen einerseits und adaptiv in Bezug auf die Bildinhalte andererseits.

Der Schwerpunkt bei den Bildtransformationen auf Pixelebene liegt auf der Darstellung mittels algebraischer Ausdrücke (image algebra), insbesondere von morphologischen Verfahren. Zur Automatischen (Re-)Konfiguration des Systems werden einerseits problemangepasste Verfahren, wie die Verwendung von Grauwertgranulometrien zum Entwurf von Textursegmentierungsalgorithmen, als auch allgemeine Suchverfahren wie Evolutionäre Algorithmen und Neuronale Netze untersucht.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der intensiven Nutzung der Möglichkeiten zur Beeinflussung der Beleuchtung. Hierzu wurden zwei entsprechende Vorrichtungen entwickelt und in das Bildverarbeitungssystem Khoros2.2 eingebunden. Als Applikationen werden die Segmentierung von Prägeschriften als Beispiel für makroskopische Objekte und, in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Produktionstechnik, die Lokalisierung von Körnern auf Schleifscheiben für hochharte Materialien betrachtet.

Die Steuerung des Systems basiert auf einer (regionenorientierten) idealisierten Repräsentation der Szene/Aufgabe, die über ein graphisches Interface eingegeben werden kann. Die Übersetzung in conceptual graphs ermöglicht dann eine formalisierte Darstellung von Bildrepräsentation und Algorithmen, die die Grundlage für eine Wiederverwertung bereits gefundener Lösungen, sowie für nicht-numerische Konfigurationsverfahren bildet.

Abgeschlossene Projekte

Neuronale Adaptionsverfahren für RIP-Regler

Steer-by-wire für Pkw

Strukturierung von Aktiven Bildverarbeitungssystemen

Aufbau eines Geräts zur Überwachung von Luftembolien

Ermittlung der Kalzifizierung von Gallensteinen aus Ultraschallsignalen

Fehlerdetektion an pneumatischen Stellventilen mit Hilfe von Körperschall
Entwurf und Implementierung eines Systems für die Ermittlung der Rotation und Translation von Leder-Werkstücken mit Hilfe digitaler Bildverarbeitungsalgorithmen
Verbesserung der Dynamik einer CCD-Kamera mit einem iterativen Verfahren

In Bearbeitung befindliche Projekte

MoMAS (Mobiles Mess- und Automatisierungssystem für Strangpressen): Aufbau eines Stand-Alone-Gerätes zum Einsatz im Industriebetrieb (Deis)

Erweiterung des Anwendungsgebiets von MOMAS- (Mobiles Meß- und

Automatisierungssystems für Strangpressen) auf schwerpressbare Metalle

Auswertung von Ultraschall-Dopplerbildern transplantierter Nieren

Verarbeitung von mikroskopischen Blutzellenaufnahmen zur Diagnose von Leukämie

Überwachung von Abnutzung von Schleifscheiben mit Hilfe aktiver Bildverarbeitung

Analyse von SIPS-Problematik (Abtastrate)
Aufbau einer Anschaltbox für MoMaS
Erkennung dreidimensionaler Strukturen mit aktiven Konturen
Rekonstruktion einer Schleifscheibenoberfläche mit Beleuchtungsmodellen

4 Akademische Examensarbeiten

4.1 Dissertationen

Dr.-Ing. Stefan Hillenbrand

"Iterativ lernende Regelungen mit reduzierter Abtastrate"

Mündliche Prüfung am 19.04.2000.

4.2 Studien- und Diplomarbeiten

Studienarbeiten:

1	Feid, Michael	Einsatz neuronaler Netze zur Modellierung und Fehlererkennung einer nichtlinearen Strecke am Beispiel eines elektrohydraulischen Lenkaktors
2	Krauß, Joachim	Modellbildung, Identifikation und Regelung eines elektrohydraulischen Lenkaktors als Bestandteil eines SBW-Systems
3	Apfelbacher, Rémy	Entwurf und Implementation einer Fuzzy-Toolbox für das Khoros-System
4	Jakob, Timo	Bildtransformationen mit Neuronalen Netzen und Evolutionären Algorithmen
5	Rupp, Martin	Regelbasierte Interpolation mit RBF-Netzen

Diplomarbeiten:

1	Varadi, Peter	Regelungskonzepte für ein Steer-by-Wire-System mit Force-Feedback-Aktor
2	Steinebach, Jürgen	Fehlererkennung von SBW-Aktoren und –Sensoren durch Auswertung von Regelkreisgrößen und Beobachterresiduen
3	Schößler, Frank	Automatische Planung von nicht-sequentiellen Algorithmen zur Regionenselektion für die Aktive Bildverarbeitung
4	Druckenmüller, Marc	Robuste Regelung eines Steer- by- Wire Systems nach dem Sliding-Mode Prinzip
5	Müller, Mark	Automatische Fahrzustandsadaption anhand von Fahrzeug-umfeld-Daten
6	Mouliom, Hervé	Optimierung eines zyklischen Systems mit Hilfe des Gradientenverfahrens
7	Nonn, Ralf	Entwurf und Implementierung von Algorithmen für die iterative Segmentierung und Merkmalsextraktion bei komplexen Anordnungen
8	Paulus, Thomas	Entwurf und Realisierung einer Plattform zur Akquisition, Analyse und Segmentierung von mikroskopischen Aufnahmen für die medizinische Bildverarbeitung
9	Heger, Thomas	Taper-Modellierung und Signalverarbeitung zum praktischen Einsatz beim isothermen Strangpressen

Masterthesis:

Hajra, Anindya

Blood cell segmentation

In Bearbeitung befindliche Diplomarbeiten:

Weick, Georg Prädiktive und iterativ lernende Regelungen

Burkhard, Markus Prädiktive und iterativ lernende Regelungen (adaptiv)

Roß, Mark Methoden der Bildverarbeitung für die Leukämiediagnostik

Spoor, Susanne Verfahren zur Segmentierung von mikroskopischen Blutzellenaufnahmen

5 Aufsätze, Patente, Vorträge

Albert, W., Albert, U., Kocherscheidt, C., Pandit, M., Pfeiffer, M., Racky, J.

Classification of Gallstones with Ultrasonic

SPIE´s International Symposium on Medical Imaging, San Diego, 2000 12.-17.02.‘00

Amato, F., Iervolino, F., Pandit, M., Scala, S., Verde, L.

Analysis of Pilot in the loop Oscillations due to Position and Rate Saturations

39^th Conf. on Decision and Control, Sydney, Australia, Dec. 2000

Andres, D., Pandit, M.

Convergence and Robustness of Iterative Learning Control for Strongly Positive Systems

ASCC 2000, Shanghai 04.07.’00 bis 07.07.’00

Andres, D., Pandit, M.

Iterative Learning Control for Discrete-Time Systems as Multi-Loop Control

CCSP 2000, Bangalore , 25.07.2000 - 28.07.2000

Feick, S., Pandit, M.

Implementierungsaspekte für die Realisierung eines mechatronischen Steer-by-Wire Systems

34. RT-Kolloquium: 16.02.’00 bis 18.02.’00 in Boppard

Feick, S., Pandit, M.

Steer-by-Wire as a Mechatronic Implementation

SAE World Congress 2000 06.03.’00 bis 09.03.‘00 in Detroit

Feick, S., Pandit, M.

Aspects of Implementation for the Realization of a Mechatronic Steer-by-Wire System

1^st IFAC-Conference on Mechatronic Systems,. Darmstadt, 18. - 20. September 2000

Hengen, H., Pandit, M.

Iterative Segmentierung in Verbindung mit Bildfusion als Methode der Signalgewinnung für die robuste automatische Korn- / Ausbruchsunterscheidung an industriellen Schleifscheiben

Image Processing and Machine Vision, Tagung der GMA-VDI-VDE/ VDMA, Stuttgart, 18.- 19. Oktober 2000

Hengen, H., Pandit, M.

Ein identifikationsbasierter Algorithmus für die geometrische Verzeichnungskorrektur

Image Processing and Machine Vision, Tagung der GMA-VDI-VDE/ VDMA, Stuttgart, 18.- 19. Oktober 2000

Hengen, H., Pandit, M.

Operatoren für die industrielle Bildverarbeitung

Image Processing and Machine Vision, Tagung der GMA-VDI-VDE/ VDMA, Stuttgart, 18.- 19. Oktober 2000

H. Hengen, S. Hillenbrand, M. Pandit

Algorithms for iterative learning control of nonlinear plants using time-variant system descriptions"

CCA/CACSD, Anchorage, Alaska September 2000

Hillenbrand, S., Pandit,M.

An interative learning controller with reduced sampling rate for plants with variations of initial states

International Journal of Control, Vol. 73, Nr. 10, Seite 882 – 889

Pandit, M. Baqué, S. Deis, W., Müller,K.

Implementation of Temperature Measurement and Control in Aluminum Extruders

Extrusion Technology 2000, Chicago, 15-19. 5. 2000

Pandit, M.

Control Sytems from mathematical and engineering viewpoints

Lecture at the Tata Institute of Fundamental Research, Indian Institute of Science Location, 20. 12. 2000, Bangalore

Pandit, M.

Trends and Perspectives concerning temperature Measurement and Control in Aluminium Extruders

Aluminium, 76, H.7-8, Juli – August 2000, Seite 564 – 573

6 Technische Mitteilungen

Nr.	Datum	Thema	Verfasser
1	00.01.2000	Iterativ lernende Regelungen als zeitdiskrete Mehrgrößenregelungen	Andres (1)
2	27.01.2000	Zusammenstellung von Themen, die für Patent-anmeldung/Veröffentlichung in Frage kommen	Feick (13)
3	27.01.2000	Modellbildung, Identifikation und Regelung des Handkraft- und Getriebelenkaktors (SBW-Demonstrator)	Feick (14)
4	27.01.2000	Abschlussbericht zum Projekt "Digitale, fehler-tolerante Regelungen für Steer-by-Wire-Anwendungen	Feick (15)
5	00.04.00	Iterative Segmentierung in Verbindung mit Bildfusion als Methode der Signalgewinnung für die robuste automatische Korn- / Ausbruchsunterscheidung an industriellen Schleifscheibenoberflächen	Hengen (1)
6	00.04.00	Operatoren für die industrielle Bildverarbeitung	Hengen (2)
7	00.04.00	Ein identifikationsbasierter Algorithmus zur geometrischen Verzeichnungskorrektur	Hengen (3)
8	00.04.00	Nichtlineare Erweiterung von linearen Zustandsdarstellungen zur Approximation des Verhaltens komplexer Systeme	Hengen (4)
9	00.04.00	Impulsantwortdarstellung und Nichtlinearitätsmaße für Zustandssysteme mit dynamisch nichtlinearer Eingangsergänzung	Hengen (5)
10	00.05.00	Generalized Predictive Control in Impulsantwortdarstellung	Hengen (6)
11	00.08.00	Ein robuster iterativ lernender Regelungsalgorithmus für MoMAS	Hengen (7)
12	27.09.00	Algorithms for Iterative Learning Control of Nonlinear Plants employing Time-variant System Descriptions – CCA / CACSD	Hengen (8)
13	00.09.00	Untersuchung von Schleifscheibenoberflächen mit digitaler Bildverarbeitung	Nonn (1)
14	23.11.00	Implementing new Controllers in the Measurement- and Control-Program PAHYDRA_NT	Deis (1)
15	23.11.00	Vereinfachter physikalischer Ansatz zur Modellierung des Strangpressprozesses zum Einsatz bei der optimierenden iterativ lernenden Regelung	Deis (2)

7 Mitarbeit in Gremien

M. Pandit:

GMA FA 3.7 "Digitale Bildverarbeitung für die Automatisierungstechnik"

M. Pandit:

Mitglied im Vorstand der Stiftung "Familie Klee"

Mitgliedschaft im LSA - Zentrum für lernende Systeme und Anwendungen der Universität Kaiserslautern

S. Hillenbrand:

Mitglied im Fachbereichsrat des Fachbereiches Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Kaiserslautern

8 Besondere Ereignisse

- Im Rahmen von ET 2000, das 15-19. 5. 2000 in Chicago stattfand, würdigten die Aluminum Association und die Aluminum Extruder‘s Council die Arbeit zum Thema Strangpressenautomatisierung, die an der Universität Kaiserslautern unter Benutzung der experimentellen Möglichkeiten des Strangpressenforschungs-zentrums in Berlin durchgeführt wurde: der Beitrag "Implementation of Temperature Measurement and Control in Aluminum Extruders" von M. Pandit, S. Baqué, W. Deis, University of Kaiserslautern; K. Müller Extrusion Research and Development Center, Technical University of Berlin wurde zum besten Beitrag auf dem Themengebiet Verfahren und Einrichtungen gewählt.

- Herrn Dipl.-Ing. H. Hengen wurde der Preis der Kreissparkasse verliehen.