Universität Stuttgart
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Item Open Access Modellbasierte Regelstrategien für adaptive Tragwerke(2023) Heidingsfeld, Julia L.; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. h. c.)Bauwerke sind von zentraler Relevanz im Leben der Menschen, da diese einen Großteil ihrer Lebenszeit in Gebäuden verbringen. Zu deren Erstellung wendet der Bausektor einen großen Anteil der weltweiten Ressourcen auf und stößt große Mengen an Treibhausgasen aus. Mit Blick auf den prognostizierten Baubedarf dieses Jahrhunderts, um die Bedürfnisse der Menschen nach Wohnraum, Infrastruktur und Gewerbeflächen ressourcenschonend zu stillen, werden dringend neue Ansätze des Bauens gebraucht. Im Bauwesen ist die Notwendigkeit, aber auch das Potential gegeben, nachhaltiger zu agieren. Adaptive Gebäude bieten dafür einen vielversprechenden Lösungsansatz. Im Vergleich zu konventionellen Bauten, beinhalten adaptive Gebäude Sensoren, Aktoren und eine Steuereinheit im Tragwerk. Das Bauwerk ist dadurch in der Lage, sich aktiv an veränderliche Lasten anzupassen und das vorhandene Baumaterial effizient zu nutzen. So kann trotz des verringerten Materialeinsatzes die Gebrauchstauglichkeit und Standsicherheit uneingeschränkt gewährleistet werden. Adaptive Tragwerke stellen neue Herausforderungen an die Branche, die nur mit einem interdisziplinären Ansatz gelöst werden können. Um adaptive Tragwerke in der baupraktischen Realität zu verwirklichen, sind systemdynamische und regelungstechnische Ansätze unabdingbar. Diese Dissertation beschäftigt sich mit den in diesem Kontext auftretenden Fragestellungen und erprobt die Methoden an verschiedenen adaptiven Tragwerken und Komponenten - dem Demonstrator-Hochhaus, ein 37m hohes adaptives Hochhaus, dem Maßstabsmodell, eine 2m hohe maßstäbliche Version dieses Hochhauses und dem Balken mit integrierten Fluidaktoren, eine Tragwerkskomponente mit Adaptionsfähigkeit. Die Grundlage bildet die Modellierung der adaptiven Tragwerke, wobei Modelle mit dem für die Regelungstechnik relevanten Detaillierungsgrad hergeleitet werden. Aufbauend auf gängigen Methoden aus dem Bauingenieurwesen werden die notwendigen Modellgleichungen in geschlossener Form für die Reglersynthese erarbeitet. Darin integriert sind ebenfalls die Systemeingänge und -ausgänge. Insbesondere für druckschlaffe Elemente, die durch ihre Nichtlinearität unter Druck keine Kraft übertragen, werden Modellgleichungen in expliziter Form formuliert. Somit ist eine Abkehr von iterativen Lösungsmethoden möglich, wodurch die Modelle als Analyseund Synthesemodelle in der Regelungstechnik einsetzbar sind. Die Schwingungsanalyse von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen gelingt durch die datenbasierte Methode der Hauptkomponentenanalyse, wobei sich starke Ähnlichkeiten zu den Eigenmoden des linearen Modells zeigen. Diese Ergebnisse werden zudem zur Modellordnungsreduktion genutzt. Hinsichtlich der statischen Analyse wird die disziplinübergreifende Verbindung der Methode der Redundanz aus dem Bauingenieurwesen mit der statischen Übertragungsfunktion aus der Systemdynamik herausgestellt. Die Aktorplatzierung ist bei adaptiven Tragwerken eine zentrale Frage in der Auslegung und Planung. Das Ziel hierbei ist die Auswahl von wenigen Aktorpositionen aus einer Vielzahl an möglichen Positionen, um die Systemkomplexität gering zu halten und gleichzeitig alle relevanten Verformungszustände beeinflussen zu können. Es werden Kriterien für die statische und dynamische Aktorplatzierung erarbeitet und diese hinsichtlich verschiedener Aktuierungsprinzipien untersucht. Anschließend steht ein Konzept zum Erhalt einer Aktormenge, die statische und dynamische Ansprüche vereint. Die statische Gramsche Kompensierbarkeitsmatrix wird für örtlich verteilte Systeme formuliert und eine Aktorplatzierung am Beispiel eines Balkens durchgeführt. Zum Betrieb adaptiver Tragwerke sind Regelungskonzepte zur Kompensation statischer Lasten und zur aktiven Dämpfung von Schwingungen notwendig. Die statische Lastkompensation setzt auf ein optimierungsbasiertes Verfahren zur Reduktion der Verformung von Tragwerken mit druckschlaffen Elementen unter Stellgrößenbeschränkungen. Eine Reduktion der mittleren Verformung von 87% wird experimentell am Maßstabsmodell bestätigt. Für die aktive Schwingungsdämpfung wird die Methode der approximativ linearisierenden Eingangstransformation entwickelt. Der nichtlinearen Systemdynamik wird dabei durch eine Eingangstransformation eine lineare Zieldynamik aufgeprägt. Anschließend wird die am linearen Zielmodell entworfene und dadurch effizient zu berechnende Schwingungsdämpfung als modellprädiktive Regelung ausgeführt. Diese Dissertation folgt einer interdisziplinären Perspektive und schafft eine Basis für zukünftige Arbeiten in der Regelungstechnik mit Bezug zu adaptiven Tragwerken.Item Open Access Untersuchungen zum Zelltod in eukaryotischen Zellpopulationen und Einzelzellen mittels Videomikroskopie und digitaler Bildanalyse(2003) Falkner-Tränkle, Kerstin; Gilles, Ernst Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential videomikroskopischer und bildanalytischer Methoden bei der Untersuchung des Zelltodes von eukaryotischen Zellpopulationen und einzelnen Zellen aufgezeigt. Zunächst wurde ein PC-gesteuertes Bildanalysesystem aufgebaut, mit dessen Hilfe die Bestimmung der Zellvitalität von CHO-Zellen (Chinese Hamster Ovary) in Fermentationsprozessen schnell und reproduzierbar durchgeführt werden kann. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, daß die Bestimmung lebender und toter Zellen bei der verwendeten CHO-Kultur mittels Vitalfärbung vorgenommen werden kann. Zusätzlich zu dem enormen Vorteil der raschen Auswertung vieler Proben ergab ein statistischer Vergleich der Zählergebnisse aus der manuellen und bildanalytischen Methode eindeutig eine bessere Reproduzierbarkeit der bildanalytischen Methode. Das aufgebaute Bildanalysesystem arbeitet mittels Programm-Makro automatisiert, so daß eine PC-gesteuerte on-line Anbindung an Prozeßleitsysteme von Fermentern möglich ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das Videomikroskopiesystem für Fluoreszenzversuche entsprechend erweitert, um sehr spezifische Untersuchungen durchzuführen, welche eine weitere Aufklärung von Signalkaskaden im Ablauf des apoptotischen Zelltodes bringen sollten. Im Mittelpunkt dieser Untersuchungen stand die Lokalisierung und Quantifizierung einzelner intrazellulärer Signalmoleküle sowie die Charakterisierung mitochondrialer Funktionsänderungen. Dabei war es möglich, die Auswirkungen verschiedener Stimulantien und unterschiedlicher Mutanten auf die Bildung von membran-assoziierten Signalkomplexen unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen und Aussagen über die zeitlichen Abläufe der Translokationsvorgänge zu machen. Unter Einsatz einer temperierten Zellkammer gelang die Quantifizierung des Signalmoleküls TRAF2 in diesen Signalkomplexen. Die gewonnenen Daten können in die Modellbildung eingebracht werden und so den Ausbau der entwickelten mathematischen Modelle für den ersten Teil der apoptotischen Signalkaskade, die Bindung von Rezeptor-Ligand und anschließende Bildung intrazellulärer membran-assoziierter Signalkomplexe, unterstützen.Item Open Access "Virtual Waterway", eine Simulationsumgebung für Verkehrsabläufe auf Binnenwasserstraßen(2010) Beschnidt, Jörn; Gilles, Ernst Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die Arbeit stellt Aufbau, Funktionsweise und Anwendungen einer virtuellen Navigationsumgebung für die Simulation von Verkehrsvorgängen auf Binnenwasserstraßen und Küstengewässern vor. Schwerpunkt der Simulationsumgebung ist die Modellierung der Dynamik von Schiffen in strömenden Gewässern sowie die wirklichkeitsgetreue Nachbildung von Sensormessungen, wie Radar und GPS. Durch Kopplung des Simulators mit externen Sensordatenverarbeitungs- und Steuerungssystemen (z.B. Navigations- oder Verkehrsüberwachungssysteme) können deren Funktionen unter realitätsnahen Bedingungen umfassend und gefahrlos erprobt werden.Item Open Access Feedforward and feedback tracking control of diffusion-convection-reaction systems using summability methods(2005) Meurer, Thomas; Zeitz, Michael (Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c.)Diffusions-Konvektions-Reaktions-Systeme (DKRS) treten in vielfältiger Weise im Bereich der chemischen und biochemischen Verfahrenstechnik auf, wobei die mathematische Modellierung dieser Prozesse typischerweise zu einer Beschreibung in Form von parabolischen partiellen Differenzialgleichungen führt. Aus Sicht der Regelungstechnik wird für diese Systemklasse häufig die Stabilisierungsaufgabe jedoch nicht das Trajektorienfolgeproblem, beispielsweise zur Realisierung von Arbeitspunktwechseln in endlichen Zeitintervallen, untersucht. Zu dessen Lösung kann für eine gewisse Klasse von nichtlinearen DKRS mit Randeingriff die Kombination von formalen Potenzreihen mit geeigneten Summierbarkeitsmethoden zum Vorsteuerungsentwurf und Trajektorienplanung herangezogen werden. Des Weiteren erlaubt die Anwendung formaler Potenzreihen den Entwurf einer flachheitsbasierten Folgeregelung mit Profilschätzung, deren Anwendung anhand verschiedener DKRS, wie z.B. Festbettreaktoren, illustriert wird.Item Open Access Reduced order modeling and analysis of cellular signal transduction(2009) Koschorreck, Markus; Gilles, Ernst Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Cellular signal transduction is crucial for the regulation of many physiological processes. Understanding the signaling systems is of high medical interest because malfunctions can result in severe disorders such as cancer and diabetes. The behavior of these systems however, is often nonlinear and cannot be predicted intuitively. Therefore, mathematical modeling is necessary to understand and to analyze the system level properties of cellular signaling. Insulin is a hormone that has a major role in the regulation of glucose concentration in the blood and the cellular energy metabolism. This thesis provides a mathematical model describing hepatic insulin receptor activation as well as insulin degradation and synthesis in vivo. Model analysis shows that insulin clearance and the relative contributions of the liver and the kidney to insulin degradation are highly dependent on insulin concentration. At low concentrations, insulin is mainly degraded by the liver, whereas renal insulin degradation is predominant at high insulin concentrations. Insulin clearance is therefore only a valid measure for the state of the insulin metabolism when corresponding insulin concentrations are taken into account, which is not the case in many experimental studies. Building comprehensive models of complete signaling systems is in many cases impeded by combinatorial complexity. The association and modification of a few proteins can result in an enormous amount of feasible complexes and an equivalent amount of differential equations, when applying the conventional modeling approach. For example, 1.5*10^8 differential equations would be required to describe in detail the insulin signaling system, thereby establishing the need for a reduced order description. This thesis introduces layer-based modeling, a new approximative method for the modeling of cellular signaling systems. Layer-based modeling provides high reduction of the model size and simultaneously a high quality of approximation. The errors introduced by the approximation are dynamically and ultimately bounded. In special cases, the reduced model is exact for steady states or even represents an exact minimal realization of the system. Layer-based models show a pronounced modularity and the state variables have a direct biochemical interpretation. Reduced order model equations can be generated directly employing a procedure quite similar to conventional modeling. The preceding generation of a potentially very large conventional model is not necessary, which allows for the modeling of systems not accessible previously. Furthermore, the computer program Automated Layer Construction (ALC) is presented. Using ALC highly simplifies the generation of the model equations. The models are defined in terms of a rule-based model definition that utilizes a simple but powerful syntax. ALC allows the modeler to define layer-based models of very large systems with a relatively short and simple model definition. The output files of ALC are ready-to-run simulation files in the formats C MEX, MATLAB, Mathematica and SBML. ALC also provides the model equations in LaTeX and plain text format to simplify their publication or presentation. The application of ALC and layer-based modeling is demonstrated for a model definition for a layer-based model of insulin signaling with 51 ordinary differential equations (ODEs) approximating a conventional model with 1.5*10^8 ODEs.Item Open Access Hybride Intelligente Konstruktionselemente (HIKE) - Abschlusskolloquium der DFG-Forschergruppe 981 : Stuttgart, 10.11.2015(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2016) Binz, HansgeorgDie Forschergruppe hat die Ergebnisse der zweiten Förderperiode anlässlich eines Abschlusskolloquiums am 10.11.2015 in der Universität Stuttgart vor Gästen aus Industrie und Wissenschaft präsentiert. Dabei wurden die Ergebnisse der Teilprojekte in Vorträgen präsentiert, Prototypen in Form von kleineren Funktionsmustern vorgestellt sowie das Zusammenwirken der HIKE im Gesamtdemonstrator „Schalentragwerk“ vorgeführt. Der vorliegende Sammelband enthält jeweils kurze Zusammenfassungen der Teilprojekte, in denen die Ziele, das Vorgehen und die wesentlichen Ergebnisse vorgestellt werden, sowie die Präsentationsfolien der einzelnen Teilprojektvorträge samt einer Einleitung und Zusammenfassung des Sprechers der Forschergruppe.Item Open Access Mathematical modeling of signal transduction pathways in mammalian cells at the example of the EGF induced MAP kinase cascade and TNF receptor crosstalk(2004) Schoeberl, Birgit; Gilles, Ernst Dieter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In this work we apply mathematical modeling to signal transduction networks in mammalian cells. In particular, we have developed models for a survival pathway, the EGF induced MAP kinase cascade and an apoptotic signal trans-duction network the TNF receptor crosstalk. The models presented here are based on and were validated with own experimental data. In the field of signal transduction the major proteins involved and their interactions are fairly well known and biochemically characterized . One characteristic of signal transduction networks is that they are highly interconected by positive and negative feedbacks. Therefore, the dynamics of these networks can not be understood by intuition alone. Mathematical modeling has proven to be a valuable tool in engineering that deals effectively with complexity. In both casese were able to verify hypotheses, which were obtained by the models, experimentally. This work shows that mathematical modeling in combination with quantitative experimental data can give new insights into the potential mechanisms of intracellular signal transduction and regulation.Item Open Access Process evaluation for smart concrete road construction : road surface and thickness evaluation using high-speed LiDAR technology(2021) Skalecki, Patric; Sesselmann, Maximilian; Rechkemmer, Sabrina; Britz, Thorsten; Großmann, Andreas; Garrecht, Harald; Sawodny, OliverThe enhancement of new quality criteria in highway construction is a key aspect to improving the construction process and lifetime of road. In particular, mobile laser scanning systems are nowadays able to provide realistic 3D elevation profiles of a road to detect anomalies. In this context, this study utilizes a high-accuracy high-speed mobile mapping vehicle and evaluates a weighted longitudinal profile as an improved measure for evenness analysis. For comparison a classical method with a rolling straight edge was evaluated on the same road section and observed effects are discussed. The second focus is the areal reconstruction of the road thickness. For this purpose, a modern method was developed to spatially synchronize two high-speed laser scans using reference boxes next to the road, to transfer the point clouds into a surface model and to calculate the layer thickness. This procedure was conceptually validated by some pointwise measurements of the layer thickness. With this information, imperfections in the base layer could be detected automatically over a wide area at an early stage and countermeasures might be initiated before constructing the highway.Item Open Access Methoden und Implementierung einer vorausschauenden Fahrwerksregelung für aktive und semi-aktive Federungssysteme(Shaker Verlag, 2014) Göhrle, Christoph; Sawodny, Oliver (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Item Open Access Observability analysis and observer design for controlled population dynamics(2005) Waldherr, SteffenThe diploma thesis studies the design of nonlinear observers with exactly linear error dynamics via transformation or immersion into an appropriate observer canonical form. A model for the dynamics of two interacting species, which was derived as a generalisation of the predator-prey model by Lotka and Volterra, is used as benchmark system for this design. In particular, an additional control input is modelled in three ways. As observability of the system is a necessary condition for observer design, the methods for an observability analysis are presented and applied to the model. After that, the theoretical basics of the observer design methods are described and used for the design of an observer with exactly linear error dynamics, with regard to the results from the observability analysis. The observers are designed as Luenberger observers with output injection for the uncontrolled system and with input/output injection for the controlled systems. Some new studies concern the invariance properties of the nonlinear observers on a state region which is relevant for the system. For this purpose, the notation of invariant observers is introduced, which guarantee a global observation of the system on the relevant region. Based on the considered observer canonical form, this notation helps to develop some general methods how to design such observers.