Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
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Die Paarungsstörung mit Pheromonen ist ein etabliertes Verfahren der ökologischen Schädlingsbekämpfung in vielen Bereichen der Landwirtschaft. Um dieses Verfahren zu optimieren, ist es erforderlich, genauere Erkenntnisse über die Verteilung des Pheromons über den behandelten Agrarflächen zu erhalten. Die Messung dieser Duftstoffe mit dem EAG-System ist eine Methode, mit der man schnell und zuverlässig Pheromonkonzentrationen im Freiland bestimmen kann. Diese Arbeit beschreibt Beiträge, die zur Weiterentwicklung des Systems von großer Bedeutung sind. Die Steuerung des Messablaufs durch eine Ablaufdatei, die erst zur Laufzeit ins Programm geladen wird, ermöglicht eine zeitgenaue und flexible Steuerung des Messsystems. Die Auswertung der Messergebnisse wird durch Methoden der Gesamtdarstellung der Konzentrationsberechnung und durch rigorose Fehlerbetrachtung auf eine solide Grundlage gestellt. Die für die Konzentrationsberechnung erforderlichen Grundvoraussetzungen werden anhand experimenteller Beispiele ausführlich erläutert und verfiziert. Zusätzlich wird durch ein iteratives Verfahren die Konzentrationsberechnung von der mathematischen oder empirischen Darstellung der Dosis-Wirkungskurve unabhängig gemacht. Zur Nutzung einer erweiterten EAG-Apparatur zur Messung komplexer Duftstoffgemische wurde das Messsystem im Bereich der Steuerung und der Auswertung tiefgreifend umgestaltet und vollständig einsatztauglich gemacht. Dazu wurde das Steuerungssystem erweitert, das Programm für die Messwerterfassung neu strukturiert, eine Methode zur Konzentrationsberechnung für Duftstoffgemische entwickelt und in einer entsprechenden Auswertesoftware implementiert. Das wichtigste experimentelle Ergebnis besteht in der Durchführung und Auswertung einer speziellen Messung, bei der das EAG-System parallel mit einer klassischen Gaschromatograph-Methode eingesetzt wurde. Die Ergebnisse ermöglichen erstmals eine absolute Festlegung der Konzentrations-Messergebnisse des EAG-Messsystems für das Pheromon des Apfelwicklers. Bisher konnten nur Ergebnisse in Relativen Einheiten angegeben werden.
Wireless Sensor Networks (WSN) are dynamically-arranged networks typically composed of a large number of arbitrarily-distributed sensor nodes with computing capabilities contributing to –at least– one common application. The main characteristic of these networks is that of being functionally constrained due to a scarce availability of resources and strong dependence on uncontrollable environmental factors. These conditions introduce severe restrictions on the applicability of classic real-time methods aiming at guaranteeing time-bounded communications. Existing real-time solutions tend to apply concepts that were originally not conceived for sensor networks, idealizing realistic application scenarios and overlooking at important design limitations. This results in a number of misleading practices contributing to approaches of restricted validity in real-world scenarios. Amending the confrontation between WSNs and real-time objectives starts with a review of the basic fundamentals of existing approaches. In doing so, this thesis presents an alternative approach based on a generalized timeliness notion suitable to the particularities of WSNs. The new conceptual notion allows the definition of feasible real-time objectives opening a new scope of possibilities not constrained to idealized systems. The core of this thesis is based on the definition and application of Quality of Service (QoS) trade-offs between timeliness and other significant QoS metrics. The analysis of local and global trade-offs provides a step-by-step methodology identifying the correlations between these quality metrics. This association enables the definition of alternative trade-off configurations (set points) influencing the quality performance of the network at selected instants of time. With the basic grounds established, the above concepts are embedded in a simple routing protocol constituting a proof of concept for the validity of the presented analysis. Extensive evaluations under realistic scenarios are driven on simulation environments as well as real testbeds, validating the consistency of this approach.
Model-based fault diagnosis and fault-tolerant control for a nonlinear electro-hydraulic system
(2010)
The work presented in this thesis discusses the model-based fault diagnosis and fault-tolerant control with application to a nonlinear electro-hydraulic system. High performance control with guaranteed safety and reliability for electro-hydraulic systems is a challenging task due to the high nonlinearity and system uncertainties. This thesis developed a diagnosis integrated fault-tolerant control (FTC) strategy for the electro-hydraulic system. In fault free case the nominal controller is in operation for achieving the best performance. If the fault occurs, the controller will be automatically reconfigured based on the fault information provided by the diagnosis system. Fault diagnosis and reconfigurable controller are the key parts for the proposed methodology. The system and sensor faults both are studied in the thesis. Fault diagnosis consists of fault detection and isolation (FDI). A model-base residual generating is realized by calculating the redundant information from the system model and available signal. In this thesis differential-geometric approach is employed, which gives a general formulation of FDI problem and is more compact and transparent among various model-based approaches. The principle of residual construction with differential-geometric method is to find an unobservable distribution. It indicates the existence of a system transformation, with which the unknown system disturbance can be decoupled. With the observability codistribution algorithm the local weak observability of transformed system is ensured. A Fault detection observer for the transformed system can be constructed to generate the residual. This method cannot isolated sensor faults. In the thesis the special decision making logic (DML) is designed based on the individual signal analysis of the residuals to isolate the fault. The reconfigurable controller is designed with the backstepping technique. Backstepping method is a recursive Lyapunov-based approach and can deal with nonlinear systems. Some system variables are considered as ``virtual controls'' during the design procedure. Then the feedback control laws and the associate Lyapunov function can be constructed by following step-by-step routine. For the electro-hydraulic system adaptive backstepping controller is employed for compensate the impact of the unknown external load in the fault free case. As soon as the fault is identified, the controller can be reconfigured according to the new modeling of faulty system. The system fault is modeled as the uncertainty of system and can be tolerated by parameter adaption. The senor fault acts to the system via controller. It can be modeled as parameter uncertainty of controller. All parameters coupled with the faulty measurement are replaced by its approximation. After the reconfiguration the pre-specified control performance can be recovered. FDI integrated FTC based on backstepping technique is implemented successfully on the electro-hydraulic testbed. The on-line robust FDI and controller reconfiguration can be achieved. The tracking performance of the controlled system is guaranteed and the considered faults can be tolerated. But the problem of theoretical robustness analysis for the time delay caused by the fault diagnosis is still open.
Die industrielle Oberflächeninspektion und insbesondere die Defekterkennung ist ein wichtiges Anwendungsgebiet für die automatische Bildverarbeitung (BV). Für den Entwurf und die Konfiguration der entsprechenden Softwaresysteme, in der Regel anwendungsspezifische Einzellösungen, werden im industriellen Umfeld zumeist entweder firmeneigene Bildverarbeitungsbibliotheken, kommerzielle oder freie Toolboxen verwendet. In der Regel beinhalten diese u.a. Standardalgorithmen der Bildverarbeitung in modularer Form, z. B. Filter- oder Schwellwertoperatoren. Die einzelnen BV-Methoden werden in der Regel nach dem Prinzip der visuellen Programmierung in einer grafischen Entwicklungsumgebung ausgewählt und zu einer BV-Kette bzw. einem -Graph zusammengesetzt. Dieses Prinzip ermöglicht es auch einem Programmierunkundigen, BV-Systeme zu erstellen und zu konfigurieren. Eine gewisse Grundkenntnis der Methoden der Bildverarbeitung ist jedoch notwendig. Je nach Aufgabenstellung und Erfahrung des Systementwicklers erfordern manueller Entwurf und Konfiguration eines BV-Systems erheblichen Zeiteinsatz. Diese Arbeit beschäftigt sich mit automatischen Entwurfs-, Konfigurations- und Optimierungsmöglichkeiten dieser modularen BV-Systeme, die es auch einem ungeübten Endnutzer ermöglichen, adäquate Lösungen zu generieren mit dem Ziel, ein effizienteres Entwurfswerkzeug für Bildverarbeitungssysteme mit neuen und verbesserten Eigenschaften zu schaffen. Die Methodenauswahl und Parameteroptimierung reicht von der Bildvorverarbeitung und -verbesserung mittels BV-Algorithmen bis hin zu ggf. eingesetzten Klassifikatoren, wie Nächste-Nachbar-Klassifikator (NNK) und Support-Vektor-Maschinen (SVM) und verschiedenen Bewertungsfunktionen. Der flexible Einsatz verschiedener Klassifikations- und Bewertungsmethoden ermöglicht einen automatischen problemspezifischen Entwurf und die Optimierung des BV-Systems für Aufgaben der Fehlerdetektion und Texturanalyse für 2d-Bilder, sowie die Trennung von Objekten und Hintergrund für 2d- und 3d-Grauwertbilder. Für die Struktur- und Parameteroptimierung des BV-Systems werden Evolutionäre Algorithmen (EA) und Partikelschwarmoptimierung (PSO) verwendet.