Automated Model Generation and Observer Design for Interconnected Systems : a Port-Hamiltonian Approach

Vernetzte Systeme stellen einen unverzichtbaren Teil moderner Gesellschaften dar. Mit dem Ausrollen neuer Kommunikationstechnologien und in Folge der fortgeschrittenen Nutzung von Synergiepotenzialen entstanden in den letzten Jahren vernetzte Systeme ungeahnten Ausmaßes. Aufgrund der Komplexität dieser Systeme, gelangen bestehende Modellierungs- und Beobachterentwurfsmethoden an ihre Grenzen. Modelle und Beobachter können deshalb häufig nur unter erheblichen Vereinfachungen entwickelt werden. Die vorliegende Dissertation schafft Abhilfe. Leitgedanke ist es, die Vorgänge der Modellerzeugung und des Beobachterentwurfs zu automatisieren. ... mehrHierzu werden in dieser Arbeit automatisierbare Modellierungs- und Beobachtermethoden auf Basis der Port-Hamiltonschen Systemtheorie entwickelt.

Diese Methoden sind in einem Software-Prototyp namens AMOTO implementiert. In zwei Fallstudien wird AMOTO jeweils zur automatisierten Modellherleitung und zum automatisierten Beobachterentwurf eingesetzt. Computersimulationen weisen in beiden Fallstudien die Funktionstüchtigkeit der erzeugten Modelle und Beobachter nach und zeigen, dass diese genauere Ergebnisse liefern, als Modelle und Beobachter, die mit Methoden des bisherigen Stands der Technik entwickelt wurden. Dies unterstreicht die praktische Nutzbarkeit des vorgestellten Ansatzes. Es zeigt sich ferner, dass der Ansatz auf eine große Klasse vernetzter Systeme anwendbar ist. Somit leisten die Methoden, Algorithmen und Werkzeuge aus dieser Arbeit einen wichtigen Beitrag zur Bewältigung zukünftiger Herausforderungen in vernetzen Systemen.

Interconnected systems are a major pillar of modern society. In recent years, interconnected systems have gained an unprecedented extent. For such systems, existing approaches for deriving models and designing observers reach their limits. In consequence, models and observers are developed under severe simplifications of the systems' physics which leads to a poor applicability and underperformance. This thesis provides remedy by automating the processes of deriving models and designing observers. To this end, we develop automatable modeling and observation methods in the domain-unifying framework of port-Hamiltonian systems (PHSs). ... mehrThese methods are the first to allow for an automated model generation and observer design in a wide class of interconnected systems.

The methods and algorithms are implemented in a software prototype named AMOTO. AMOTO is applied to the automated model generation and observer design in two case studies. Numeric simulations verify the validity of the models and observers obtained from AMOTO. Moreover, they outperform the models and observers resulting from state of the art techniques which verifies the practical usefulness of the approach. Therewith, the methods, algorithms, and tools from this thesis can help to solve the upcoming challenges in the interconnected systems that constantly surround us.