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Oliver Philipp Günther

• In der vorliegenden Arbeit beschäftigen wir uns mit der Frage, wie ein Regler für ein hochdimensionales physikalisch/technisches System strukturiert und optimiert werden soll. Diesbezüglich untersuchen wir einen neuen Ansatz, welcher versucht, Regel-Mechanismen des ökonomischen Marktes und Lern-Prozesse mit in den Regler einzubauen. Um eine anschauliche Vorstellung von der Wirkung des Reglers zu erhalten, wenden wir diesen auf ein einfaches physikalisches Model an, eine an ihren Enden eingespannte eindimensionale Federkette. Wir implementieren das Model auf einem Rechner und simulieren den Einfluß des Regelverfahrens auf die Bewegung der Kette. Dabei beschränken wir uns auf den Grenzfall kleiner Amplituden, um das System im Rahmen einer näherungsweise linearen Dynamik beschreiben zu können. Mit Hilfe eines schwachen destabilisierenden Zusatzpotentials erreichen wir, daß die niedrigen Eigenmoden der schwingenden Kette instabil werden und die ausgestreckte Kette eine instabile Gleichgewichtslage darstellt. Wir stellen uns die Aufgabe, diese unter Verwendung des Reglers zu stabilisieren. Anhand des Modells untersuchen wir den Einfluß verschiedener Anfangsbedingungen der Kette, den Einfluß der Markt-Regelung, den Einfluß verschiedener Kommunikationsstrukturen und den Einfluß des Lernverfahrens auf die Wirksamkeit und die Robustheit des Regelprozesses. Als wichtigstes Ergebnis erkennen wir, daß die Regelung mit dem Markt robuster im Vergleich mit der Regelung ohne Markt ist, aber im allgemeinen einen höheren Regel-Energieaufwand aufweist. Untersuchungen anhand des Lernverfahrens ergeben, daß sich das Lernen der Markt- und der Kommunikationsstruktur kombinieren läßt und dadurch die Wirksamkeit der Regelung gegen über der Verwendung von nur einem der beiden Lern-Ansätze erhöht werden kann. Unsere Ergebnisse zeigen, daß sich das Markt-Konzept vollständig auf den gegebenen technischen Regelprozeß übertragen läßt. In der Diskussion der Ergebnisse führen wir die erhöhte Robustheit und den erhöhten Energieaufwand der Markt-Regelung auf eine indirekte, nichtlineare Kopplung der Regeleinheiten zurück, die der Markt-Mechanismus in den Regelprozeß einführt. Die Nichtlinearität bewirkt, daß die von dem Regler bestimmten Regelkräfte bei kleinen Kontrollfehlern relativ größer sind als bei großen Kontrollfehlern. Daduch ist der Energieaufwand der Markt-Regelung bei kleinen Kontrollfehlern gegenüber der Regelung ohne Markt erhöht. Der Regler ist damit in der Lage, die Kette auch bei dem Ausfall einer Regeleinheit zu stabilisieren, da ausreichend große Regelkräfte durch die verbleibenden Regeleinheiten ausgeübt werden. Die Kopplung von benachbarten Massenpunkten durch Federn unterstützt die Robustheit der Regelung in dem untersuchten Ketten-Modell, da die Kopplung dazu führt, daß die Massenpunkte eine zur instabilen Gleichgewichtslage rücktreibende Kraft erfahren und dadurch in den Bereich von kleinen Kontrollfehlern und relativ hohen Regelkräften gelangen. Am Ende der Diskussion gehen wir kurz auf mögliche Anwendungen der gewonnen Ergebnisse ein. Dabei haben wir besonders technische Regelprozesse im Sinne von Smart Matter (intelligente Bauteile) im Auge.