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EIKON, Technische Universit EIKON, Technische Universit ä ä t M t M ü ü nchen nchen 31.01.2007 31.01.2007 Automatisierungstechnik: Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Innovation durch Systemtheorie? Prof. Dr. Prof. Dr. - - Ing. Ing. Olaf Stursberg Olaf Stursberg Fachgebiet: Fachgebiet: Industrielle Automatisierungssysteme Industrielle Automatisierungssysteme Fakult Fakult ä ä t f t f ü ü r Elektrotechnik und Informationstechnik r Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universit Technische Universit ä ä t M t M ü ü nchen nchen

Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? · für hybride Systeme: meistens unendliche viele Abläufe zu evaluieren → Berechnung abstrakter Modelle (konservativ)

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Page 1: Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? · für hybride Systeme: meistens unendliche viele Abläufe zu evaluieren → Berechnung abstrakter Modelle (konservativ)

EIKON, Technische UniversitEIKON, Technische Universitäät Mt Müünchen nchen –– 31.01.200731.01.2007

Automatisierungstechnik:Automatisierungstechnik:Innovation durch Systemtheorie?Innovation durch Systemtheorie?

Prof. Dr.Prof. Dr.--Ing.Ing. Olaf StursbergOlaf StursbergFachgebiet:Fachgebiet: Industrielle AutomatisierungssystemeIndustrielle Automatisierungssysteme

FakultFakultäät ft füür Elektrotechnik und Informationstechnikr Elektrotechnik und InformationstechnikTechnische UniversitTechnische Universitäät Mt Müünchennchen

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 22

Automation ist: • ... die (teil-)autonome Operation technischer Prozesse • ... allgegenwärtig

Anwendungsgebiete der AutomatisierungAnwendungsgebiete der Automatisierung

Fahrzeugtechnik

Fabrikautomation

Robotik

Energietechnik

Luft- und Raumfahrttechnik

Prozesstechnik

Nahrungsmittel-industrie

EmbeddedSystems

Gebäudeautomation

....

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 33

Wirtschaftsfaktor AutomationWirtschaftsfaktor Automation

Studie aus Anlass der Messe „SPS/IPC/Drives“, 2005:

• weltweiter Markt: 205 Mrd. Euro (Deutschland: 13%)

• 206.000 Beschäftige (Zunahme um 1% in 2005)

IHK Hannover, November 2006:

• Umatzplus in 2004 (gegenüber 2003): 5,5% auf 34 Mrd. Euro inDeutschland

ZVEI – Fachverband Automation, Dezember 2006:

• „Automatisierungsbranche in Deutschland boomt“

• Umsatzsteigerung im 1. Halbjahr 2006: 9% in der elektrischen Automatisierungstechnik auf 15,4 Mrd. Euro

Zukünftige Entwicklung?

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 44

„„TypischeTypische““ Struktur industrieller Struktur industrieller automatautomat. Systeme. Systeme

Prozessebene

Modul 1 Modul 2 Modul n...

Feldebene

...

Prozessleitebene

Prozessstationen,Speicherprogrammierbare Steuerungen

Bedienerstationen,(PC, WS)

Produktionsleitebene

UnternehmensleitebeneEbenen: Funktionen:

MessenStellenlokale Bedienunglokale Anzeige

Grundfunktionen:einfache RegelkreiseAblaufsteuerungenVerriegelungen, Abschaltprozeduren

Höhere Automatisierungsfunktionen:Advanced ControlRezeptursteuerungenAlarmverarbeitung, Visualisierung, ...

LogistikfunktionenSchedulingQualitätskontrolle

Aktor Sensor...

...Bussystem

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 55

Arbeitsgebiete der AutomationArbeitsgebiete der Automation

Sensorik

Aktuatorik / Antriebssysteme

Kommunikation und Informationsverarbeitung

Methodenentwurf

Softwareentwicklung und Tools

Leitsystemen- undRechnerentwicklung

Mechatronik

Mensch-Maschine-Interaktion

...

Modellbildung- und Identifikation

Fehlerdiagnose

Simulation und Visualisierung

Messdatenaufbereitung

Regelung

Steuerung

Optimierung, Scheduling

Verifikation

Zuverlässigkeitsanalyse

...

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 66

(Zuk(Zuküünftige) Trends in automatisierten Systemen (1)nftige) Trends in automatisierten Systemen (1)

• zunehmende Heterogenität: Wechselwirkung qualitativ unterschiedlicherAufgaben und Komponenten

• steigende Komplexität durch zunehmende Funktionalität

• vermehrter Einsatz verteilter Systeme: Agentensysteme, RFID, etc.

• höhere Flexibilität der Strukturen gefordert: mobile Komponenten, Einsatz von Funkverbindungen

• durch Anbindung an Intra-/Internet: höhere Anforderung an Datensicherheit [Security]

• zusätzliche Sicherheitsanforderungen (z.B. durch verstärkte Interaktionmit dem Menschen) [Safety]

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 77

„„TypischeTypische““ Struktur industrieller Struktur industrieller automatautomat. Systeme. Systeme

Prozessebene

Modul 1 Modul 2 Modul n...

Feldebene

...

Prozessleitebene

Prozessstationen,Speicherprogrammierbare Steuerungen

Bedienerstationen,(PC, WS)

Produktionsleitebene

UnternehmensleitebeneEbenen: Funktionen:

MessenStellenlokale Bedienunglokale Anzeige

Grundfunktionen:einfache RegelkreiseAblaufsteuerungenVerriegelungen, Abschaltprozeduren

Höhere Automatisierungsfunktionen:Advanced ControlRezeptursteuerungenAlarmverarbeitung, Visualisierung, ...

LogistikfunktionenSchedulingQualitätskontrolle

Aktor Sensor...

...Bussystem

Dynamik:

ereignisdiskretzeitliche und algebraische Bedingungen

kontinuierlichereignisdiskretgemischt

hybrid: kontinuierlich mit diskreten Ereig-nissen; kontinuierliche und diskrete Eingänge

kontinuierlichereignisdiskret mitZeitbedingungen

gemischt

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 88

(Zuk(Zuküünftige) Trends in automatisierten Systemen (2)nftige) Trends in automatisierten Systemen (2)

• durchgängige Performanceoptimierung

• Einbindung intelligente Komponenten: Selbstorganisation, Kognition, etc.

⇒ benötigt: ♦ durchgängige Modellbildung und Systemtheoriefür verteilte, strukturvariable, heterogene Systememit adaptiven Komponenten und geeigneter Kommunikationsstruktur

♦ effiziente Methoden zur Regelung, Steuerung, Optimierung und Selbstorganisation dieser Systeme

Modellierungsansatz: modulare hybride dynamische Systeme• Kombination von kontinuierlicher und ereignisdiskreter Dynamik• präzise Definition von Syntax und Semantik

hybride Petri-Netze, hybride Automaten, Differentielle Automaten, PWA, etc.

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 99

Hybrider AutomatHybrider AutomatP = (Z, X, inv, Θ, g, r, f)

• Diskrete Zustände: zi ∈ Z

• Kontinuierliche Variablen: x ∈ X

• Invarianten: inv(zi)

• Kontinuierliche Dynamiken:

• Diskrete Transitionen: (zi,zj) ∈ Θ

• Übergangsbedingungen: gj

• Reset-Funktionen: r((zi,zj),x)

( )xfx i=&

Vorteil:Dynamik variierbar: vollständig diskret, zeitbewertet diskret, kontinuierlich, hybrid → durchgängige Modellierung über die Automatisierungsebenen

zusätzliches Eingangs-Ausgangskonzept:kontinuierliche und diskrete Eingangsgrößen, Synchronisation → Modularität

hybrider Zustand s = (z, x)

z1

(z1,z2)

r

gj

inv(z1)

inv(z2)

x(t)

f1

f2

x1

x2

z2

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1010

Entwurf auf der Basis formaler ModelleEntwurf auf der Basis formaler Modelle

zu automatisierendesSystem

Modellierung

HybrideAutomaten

HA1 HA2

HA3

AnforderungenSystematische Ableitung von Steuerungen als Sequential Function Charts

Algorithmische Verifikationautomatisierter Prozesse

Algorithmische Syntheseund Rekonfigurationvon Ablaufsteuerungen

Optimierung vonÜberführungsprozeduren

Scheduling auf der Basisvon Zeitautomaten

Agenda der eigenen Entwurfsaufgaben:

IntelligenteAktionsplanung

kognitiver Systeme

Wegplanung für (Schwärme) von mobilen Agenten

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1111

Algorithmische VerifikationAlgorithmische Verifikationgegeben:

• Hybrider Automat P als Modell der zu steuernden Anlage

• Steuerung C (aus vorhergehendem manuellem Design)[falls notwendig: transformiert aus einer SPS-Sprache]

• Anforderungen φ

⇒ Verifikation: Überprüfung von P || C |= φ durch Model Checking

[im Gegensatz zum Testen: Beweis der Eigenschaft über alle Abläufe]

Model Checking: − Modell als Transitionssystem spezifiziert− Erreichbarkeitsgraph wird generiert− für jeden erreichbaren Zustand: Evaluation von φ

für hybride Systeme: meistens unendliche viele Abläufe zu evaluieren→ Berechnung abstrakter Modelle (konservativ)→ Suche nach kritischen Abläufen für diese Modelle→ Validierung dieser Abläufe im hybriden Modell

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1212

Diskrete Dynamik:

Verifikationsbeispiel: Fahrzeug mit CruiseVerifikationsbeispiel: Fahrzeug mit Cruise--ControllerController

v(t) vl(t)

r(t)

rd(t)

h hModus BModus A

Steuerungsziele:• Modus A: konstante Geschwindigkeit• Modus B: Abstandsregelung

Sicherheitsanforderung:→ kritischer Abstand wird niemals

unterschritten!

Kollision

Modus B4. Gang

Modus B3. Gang

Modus B2. Gang

Modus B1. Gang

v>29.8 v<29.8

v>14.2 v<14.2

v>6.7 v<6.7

Modus A4. Gang

Modus A3. Gang

Modus A2. Gang

Modus A1. Gang

v>29.8 v<29.8

v>14.2 v<14.2

v>6.7 v<6.7

r>rd+h

r>rd-h

r>rd+h

r>rd-h

r>rd+h

r>rd-h

r>rd+h

r=0

r=0

r=0

r=0

Kontinuierliche Dynamik:

• in „Kollision“:

• sonst:

00 == v,r &&

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⋅⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

++

=

−=

5353153

530 ..a,.a

.a,maxminv

vvr

parpar

d

l

&

&

( ) ( )Gangfa,r,v,v,v,Modusfa parldd ==

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1313

Verifikationsbeispiel: ErgebnisVerifikationsbeispiel: Ergebnis

Zustand “Kollision” erreichbar?

“Kollision” ist nicht möglich!

• nur geringer Ausschnitt des hybriden Zustandsraums ist durch die Abstraktionen zu analysieren

• Erreichbarkeitsmengen:

abstraktionsbasiert gesamte Menge

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1414

Synthese von SteuerungenSynthese von Steuerungen

DiskreteSteuerung

HybriderAutomat

DiskreteStell-

aktionen

Ereignisse

Anforderungen

Zielsetzung: algorithmische Berechnung der diskreten Steuerung,• die Stelleingriffe als Reaktion auf Anlagenereignisse sendet

[ohne Verzögerung],• so dass die Anforderungen φ für jeden möglichen Ablauf von P

eingehalten werden.

gegeben:

• hybrider Automat P:− diskrete Eingänge: Freiheitsgrade− Regelungen: eingebettet in konti-

nuierliche Dynamik

• Anforderungen φ :− erreiche Zielmenge von Startmenge− vermeide unsichere Zustände

für den gesamten Übergang

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1515

Abstraktionsbasierte SyntheseAbstraktionsbasierte Synthese

Prinzip:• Transformation in ein autonomes

System Pc (kodiert alle möglichenSteuertrajektorien)

• Verwendung abstrakter Modellezur Ermittlung vonKandidatenpfaden CP

• (In-)Validierung von CPfür das Model Pc mitmöglichst geringem Aufwand

• falls CP widerlegt:Verfeinerung von A(k)

für die nächste Iteration

→ ein validierter Pfad CPentspricht einer zulässigenSteuerstrategie

Pc

Abstraktion

A(0)

Anforderungen

Suche nach CP

CP

Validierung

(1) Test derReset-Bedingungen

(2) Suche nach widerle-genden Trajektorien

(3) Erreichbarkeits-analyse

Steuer-strategie

validiert

Verfeinerung

widerlegt

A(k)

(1) Eliminierung vonTransitionen

(2) Splitting vonZuständen

Pc

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1616

Synthesebeispiel: Chemischer ReaktorSynthesebeispiel: Chemischer Reaktor

Kontinuierlicher Flüssigphasen-Reaktor:Konfiguration:• Zustandsvariablen: x1 (Füllstand),

x2 (Temperatur), x3 (Konzentration)

• Diskrete Eingänge: F2 (Fluss), F3 (Fluss),K (Kühlung), H (Heizung)16 mögliche Wertekombinationen

• Hybrider Automat:− 12 diskrete Zustände (32 für HAc), 22 Transitionen− Dynamik für x1 < 0.8:

für x1 ≥ 0.8:

für :

M F2

HK

F3

x1, x2,x3

( ) ( ) ( ) ( )( )2 3 2 2 4 2 71 1 2 3 2 5 6 2 8 3 9 10 2 3 1

1 1, , /

k k x F k x kx k F F x k K k x k x k k F x xx x

− + − ⎛ ⎞= + + = + − + = − +⎜ ⎟

⎝ ⎠& & &

( )( )2 2 11 12 2 13 14 1' /x x k k x k k x H= + − −& &

( )15 16 170, ,k k x k⋅ ≥

( ) ( )22 2 3 18 19 2 3 3 20 21 2'' ' , ' exp /x x x k k x x x k k x= + + = + ⋅& & & &

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1717

Synthese: ErgebnisseSynthese: Ergebnisse

Synthese:• 17. Pfad: zulässige Strategie• Sechs Phasen (p1 bis p6):

• 16 Pfade widerlegt durch eineoptimierungsbasierte Methode

• berechnet in ca. 4 Minutenmit Standard-PC (P4-1.5GHz)

Aufgabe: Bestimmung einer Steuerstrategie für den AnfahrvorgangStart: leerer Reaktor; Ziel: Füllstand, Temperatur und Ausbeute hoch

1 1 0 0 0 00 0 1 1 1 10 0 0 0 0 10 0 1 1 0 0

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

vp1 vp6

Erreichbarkeitsmenge für zulässige Strategie

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1818

Optimierung automatisierter SystemeOptimierung automatisierter Systeme

gegeben:• Hybrider Automat P als Modell der zu steuernden Anlage• Anforderungen φ• Gütekriterium ψ

⇒ Optimierung: Generiere die Steuerung C so, dass P || C |= φgarantiert ist und ψ minimiert wird.

DiskreterZustand

z1

z2

z3

x2

x1

Startpunkt

Ziel

Reset

unsichere Menge

x(t)

Anforderungen:→ von Startzustand in Zielmenge→ Ausschluss unsicherer Zustände→ minimale Übergangskosten

Industrielle Relevanz:Produktwechsel,An- und Abfahren von Anlagen

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 1919

OptimierungsproblemOptimierungsproblemAusgangspunkt:Hybrider Automat P mit kontinuierlichen und diskreten Freiheitsgraden (u, v)

Zielsetzung:Bestimmung der Eingangsgrößentrajektorien u(t) und v(t), t ∈ [t0, tf] für dieP von s0 nach Σtar überführt wird, so dass s(t) ∉ F und ein Gütekriterium ψ(z.B. Übergangszeit) minimiert wird!

Graphensuche

Relax. NLP

Hybride Simulation

0n

+ +1 1,,

i iA P

n uc c

( )%x t

( ) ( )* *,u t v t

,i in v

( ) ( )% % %0, ,x u t v t

Modell P

Methode:Optimierung mit Separation der Freiheitsgrade u und v:

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 2020

Optimierung: ReaktorbeispielOptimierung: Reaktorbeispiel

Zeitoptimale Zustandstrajektorie x(t): Zeitoptimale Eingangstrajektorie v(t):

einfach überführbar z.B. in eineAblaufsteuerung

MF1 F2

sH

FC

F3

V, T, cA, cB

Ziel: Erreichen des nominalen Betriebs ausgehend vominitial leeren Reaktor bei Vermeidung von Überlauf und Überhitzung.

• Terminierung nach 2202 Knoten im Suchbaum

• Rechenzeit: 413 CPU-sec (P4-1.5 GHz)

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 2121

Ansatz: Modellierung durchZeitautomaten (TA)

SchedulingScheduling mit Zeitautomatenmit Zeitautomaten

gegeben:• Jobs: geordnete Menge zu bearbeitender Operationen (mit Zeitbedingungen)• Ressourcen: verfügbare Einheiten zur Durchführung der Operationen • Kostenkriterium ψ: z.B. minimale Zeit zur Abarbeitung aller Jobs (makespan)

s0

s1

s2

s3

s4

warten

fertig

Operation 1

Operation 2

Job: Ressource:

s5

s6

warten

frei

belegt

α1

α2

β2

β1β1 α1

c := 0

c := 0

c ≤ 22

c ≤ 16c ≥ 14

c ≥ 19

Lösung: Erreichbarkeitsanalyse für TA mit eingebetteter Linearer Programmierung

JobsRessourcen

Kosten-kriterium

Modellierung TA-Modell

Erreichbarkeitsanalyseca

cp LP

Pruning durchKostenschrankenund Heuristiken

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 2222

„„IntelligenteIntelligente““ Planung kognitiver SystemePlanung kognitiver Systeme

Methode:

Kombination von:• Prinzipien kontextsensitiver

SW-Systeme• Lernmechanismen der KI

• Generierung optimaler und sichererTrajektorien für hybride Systeme

gegeben:• Hybrider Automat P1 als Modell des kognitiven Systems• Hybrider Automat P2 als Modell eine veränderlichen Umgebung• Grobanforderung φ (zeitvariant)

⇒ Ziel: Lerne eine Steuerung C so, dass P1 || C |= φ für starkveränderliche Modelle P2 erfüllt ist.

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Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? Automatisierungstechnik: Innovation durch Systemtheorie? –– Olaf StursbergOlaf Stursberg 2323

Innovation durch SystemtheorieInnovation durch Systemtheorie

• durchgängige Modellierung: hybride Systeme als geeigneter Startpunkt;Erweiterungen zur Strukturvariabilität und Vernetzung sind erforderlich

• Komplexität der Berechnung: Effizienzsteigerung für Methoden der Synthese, Analyse und Optimierung ist notwendig(Abstraktion, Dekomposition, Modellreduktion, ...)

• Integrierte Lösung über Systemhierarchien: erste Ansätze existieren (Scheduling + Trajektorienoptimierung), weiterer Bedarf

• intelligente Planungskomponenten in Steuerung und Regelung: weitgehend offen

Behauptung: ♦ Trends nicht realisierbar ohne die notwendigensystem- und regelungstheoretischen Grundlagen

Ziel: ♦ Methoden als Treiber der Innovation