Prof. Dr.-Ing. Alexander Köthe

An der Technischen Hochschule Wildau werden von der Professur für "Regelung komplexer Systeme" folgende Module in den Bachelorstudiengängen Automatisierungstechnik und den Masterstudiengängen Automatisierte Energiesysteme durchgeführt:

• Regelungstechnik (Wintersemester)
  Inhalte: Regelung und Steuerung, Systemdynamik, Analyse vom Zustandsraum, Eigenwerte und Stabilität, Laplace-Transformation, Übertragungsfunktionen, Einfache Systemidentifikation, Zwei- und Dreipunktregler als unstetige Reglungsansätze, Numerische Reglersynthese im Zeitbereich mittels Matlab, Reglersynthese mittels Vorgabe der komplementären Sensitivitätsfunktion, Loop-Shaping des offenen Regelkreises, Stabilität und Robustheit mittels Nyquist-Kriterium, Wurzelortskurvenverfahren, Erweiterte Regelkreisstrukturen I: Vorsteuerung und Kaskadenregelung.
• Erweiterte Regelungstechnik (Sommersemester)
  Inhalte: Erweiterte Regelkreisstrukturen II: Störgrößenaufschaltung und Entkopplungsregler; Realisierung stetiger Regler als elektronische Schaltungen; Diskrete Regler; Integration digitaler Regler in eingebettete Systeme; Zustandsraumtheorie (Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit); Vorgabe von Eigenwerten und Eigenvektoren; Linear-quadratischer Regler; Führungsgrößenfilter; PI-Zustandsregler; Flachheitsbasierte Reglersynthese; Luenberger-Beobachter; (Erweitertes) Kalman-Filter; Modellprädiktive Regelung.
• Spezielle Regelungssysteme (Sommersemester)
  Inhalte: Model-based Software Engineering; Umschaltung von Regelungsgesetzen; Zustandsautomaten; Anforderungsspezifikation im Bildbereich (Sensitivitätsfunktion, komplementäre Sensitivitätsfunktion, Stellgröße); Normierung von Größen; Numerische Reglersynthese mit Matlab im Frequenzbereich für SISO-Systeme (gemischtes Sensitivitätsproblem; H-unendlich Loop-Shaping); Beschreibung von Unsicherheiten; Robuste Stabilität; Numerische Reglersynthese mit Matlab für MIMO-Systeme; Systemidentifikation.
• Messtechnik und Sensorik (Sommersemester)
  Inhalte: Grundbegriffe der Messtechnik und Einheitensystem; Statische Messkennlinien; Regressionsrechnung; Methode der kleinsten Fehlerquadrate; Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung; Messung elektrischer Größen; Grundlagen der Elektronik (Verstärker, Differenzverstärker); Fourier-Analyse; Dynamische Messkennlinien; Filterschaltungen; Sensorik für mechanische und thermodynamische Größen; MEMS-Sensoren; Cyberphysikalische Systeme.
• Systemdynamik und Simulation (Wintersemester)
  Inhalte: Modellierung von Systemen mittels linearer und nichtlinearer Zustandsraummodelle; Integrationsverfahren (Einschritt- und Mehrschrittverfahren); Finite-Differenzen-Methode zur Diskretisierung partieller Differentialgleichungen; Model-based Systems Engineering; Modellierung von Systemen mittels Bilanzgleichungen; Domänenspezifische Modellierung mittels Simscape (elektrische, thermodynamische, mechanische und hydraulische Systeme); Mehrkörpersysteme; Experimentelle Validierung von Modellen; Hardware-in-the-Loop-Simulationen.
   

An der Technischen Universität Berlin werden im Lehrauftrag für die Fakultät V folgende Module von der Professur durchgeführt:

• Methoden der Regelungstechnik (Sommersemester)
  Inhalte: siehe Regelungstechnik
   
• Einführung in die Informationstechnik für Ingenieure (Wintersemester)

  Inhalte: Formulierung von Algorithmen (Sequenz, Selektion, Repetition); Umsetzung von Algorithmen mithilfe von Matlab; Aufbau von Computersystemen; Programmierung von Computersystemen; Einordnung der Programmiersprache C; Numerische Verfahren (Integrationsverfahren; Bisektionsverfahren; Newton-Verfahren); Lineare Algebra mit Matlab; Höhere Datenstrukturen (Listen, Bäume, Graphen); Algorithmen (Sortieralgorithmen, Min-Max-Algorithmus, Dijkstra-Algorithmus); Software Engineering; Anforderungsspezifikation; Model-Based Software Engineering am Beispiel von Simulink; Einführung in die Mikrocontrollerprogrammierung.

Folgende Projekte werden an der Technischen Hochschule Wildau bearbeitet:

• H2FC-UAM-THWi: Entwicklung von Regelungsgesetzen für ein Brenstoffzellen-System und Integration der Regelungsalgorithmen in ein UAM-EVTOL Luftfahrzeug
  
  Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz
  Förderbereich: Nationales Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo VI-3)
  Beginn: 01.01.204
  Laufzeit: 36 Monate
  Projektpartner: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Volocopter GmbH, AlphaLink Engineering GmbH, Hesphera GmbH
  
  Die TH Wildau entwickelt in dem angestrebten Projekt die Regelungsgesetze für ein integriertes Brennstoffzellensystem. Dieses Regelungssystem soll so ausgelegt werden, dass die Regelung der Brennstoffzelle nicht unabhängig von der Regelung des Luftfahrzeugs konzipiert und umgesetzt wird, sondern integriert wird. Die Besonderheit hierbei ist, dass die Leistungsvorgaben direkt vom Flugsteuerungssystem des UAM-eVTOL-Luftfahrzeugs (vom Verbundpartner Volocopter) vorgegeben werden. Zunächst werden in Laborversuchen die einzelnen Bestandteile des Systems qualifiziert. Anschließend erfolgt eine Überprüfung am IronBird. Durch das Vorhaben wird eine Effizienzsteigerung erwartet, insbesondere in Bezug auf die Reichweite. Dadurch werden UAM-eVTOL Luftfahrzeuge mit Brennstoffzellensystem nicht nur für den Markt interessant, sondern tragen auch zu einer umweltfreundlichen Luftfahrt bei.

Folgende ausgewählte Projekte wurden bei der AlphaLink Engineering GmbH geleitet:

• Entwicklung eines dreifach redundanten Drive-by-Wire Systems
  Das Ziel dieses Projektes bestand in der Entwicklung eines vollständigen Drive-by-Wire Systems, das den Lenkwinkel, die Bremspedalstellung und die Gaspedalstellung eines konventionellen PKWs kontrollieren kann. Dies umfasste die mechanischen, elektrischen und eingebetteten Systeme, einschließlich der Regelung. Neben den grundlegenden Funktionen musste das System auch umfassende Sicherheitsmechanismen beinhalten, darunter die Möglichkeit für den Fahrer, die Kontrolle zu übernehmen, Redundanz in allen Ein- und Ausgangsmodulen sowie die Fähigkeit zur Erkennung von Fehlern. Das gesamte System wurde innerhalb eines Jahres entwickelt, im Fahrzeug integriert und erfolgreich getestet.

• Entwicklung einer Kameraauslenkeinheit für ein Stratosphärenflugzeug
  Das Hauptziel dieses Projektes bestand darin, ein vollständiges System zu entwickeln, das die Auslenkung einer Kamera in zwei Freiheitsgraden ermöglicht. Dies umfasste die Entwicklung sowohl der mechanischen als auch der elektrischen Komponenten, einschließlich der eingebetteten Regelungstechnologie. Die Kameraauslenkeinheit war für den Einbau in ein Stratosphärenflugzeug vorgesehen und erforderte eine extrem präzise Regelung der Auslenkungswinkel auf submillimeter Ebene. Im Rahmen des Projektes wurde ein erster Prototyp entwickelt und auf der internationalen Luftfahrtausstellung (ILA) im Jahr 2022 ausgestellt.

• Erkennung von GPS-Jamming und Spoofing bei GPS-basierten Anflügen an Verkehrsflughäfen
  Dieses Projekt wurde im Rahmen des "Space4Mobility“ Hackathon in der Austro Control Challenge durchgeführt, bei dem sich AlphaLink gegen vier andere Mitbewerber durchsetzte. Das Ziel bestand darin, einen Algorithmus und Maßnahmen zu entwickeln, um Störungen im GPS-Signal von Luftfahrzeugen zu verhindern und zu erkennen. Die Grundlagenforschung zielte darauf ab, Verkehrsflugzeuge sicher und präzise bei GPS-gestützten Anflugverfahren während des Endanflugs an Verkehrsflughäfen zu führen.

• Fliegendes Labor und virtuelle Flugtestumgebung
  Hochschulen und Universitäten, die auf Flugmechanik und Flugregelung spezialisiert sind, benötigen einen Flugversuchsträger, um neue Regelungsgesetze zu implementieren und Flugversuche durchzuführen. Um Forschungseinrichtungen die aufwendige Entwicklung eines eigenen Luftfahrzeugs zu ersparen, hat AlphaLink eine Drohne (sowohl hardware- als auch softwareseitig) so angepasst, dass Flugregelungsalgorithmen direkt aus Simulink auf die Drohne implementiert werden können. Zusätzlich ermöglicht AlphaLink durch die virtuelle Flugtestumgebung Flugversuche in einer digitalen Umgebung. Diese virtuelle Umgebung fungiert als digitaler Zwilling, der sich mit dem Luftfahrzeug koppeln lässt, um einen Hardware-in-the-Loop Simulator zu operieren.

  Link

Folgende ausgewählte Projekte wurden bei der Technischen Universität Berlin durchgeführt:

• AMBA - Advanced Multibody Aircraft

  Das Ziel bestand darin, Grundlagenforschung im Bereich der Flugmechanik und Flugregelung von verbundenen Flugzeugen (Compound Aircraft) durchzuführen. Die Ergebnisse dieser Forschung führten zur Verfassung einer Dissertation. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Luftfahrzeug entwickelt, das in der Lage ist, kontinuierlich zwischen dem 40. nördlichen und südlichen Breitengrad zu fliegen und dabei Nutzlasten von bis zu 450 kg zu transportieren. Für die Konzeption dieses Luftfahrzeugs wurde ein dynamisches Modell erstellt, das sich als dynamisch instabil erwies. Um die Stabilität und Flugbahnführung sicherzustellen, wurde ein spezieller Flugregler entwickelt.
   

• AeroStruct
  Ein zentrales Ziel des Projekts bestand darin, multidisziplinäre Simulationswerkzeuge für die Lastenanalyse zu erweitern, indem der Bereich Flugregelung integriert wurde. Die Reglermodule wurden an Regelungskonzepte angelehnt, die bei modernen Verkehrsflugzeugen Anwendung finden. Dabei wurden nur solche Reglerfunktionen berücksichtigt, die für die dynamische Simulation von aeroelastischen und strukturdynamischen Fragestellungen relevant waren, wie beispielsweise Lageregler und Dämpferfunktionen. In diese herkömmlichen Regler wurden Ansätze zur Lastreduktion implementiert. Die Untersuchungen wurden ausschließlich numerisch für ein Luftfahrzeug mit vorwärts gepfeilten Flügeln durchgeführt.
   
• LAPAZ (Luft-Arbeits-Plattform für die Allgemeine Zivilluftfahrt)
  Das Ziel des Projekts bestand darin, ein Luftarbeitsflugzeug für den optional pilotierten Betrieb umzurüsten. Im Verlauf des Projekts wurde ein Signalgenerator entwickelt, der im Flugzeug eingesetzt wurde, um die Wölbklappen, das Höhenruder, das Seitenruder und das Querruder so zu steuern, dass die Flugzeugstruktur angeregt wurde. Mithilfe von Beschleunigungssensoren wurden die aeroelastischen Eigenschaften erfasst und anschließend ein aeroelastisches Strukturmodell validiert.

Cyberphysische Regelungssysteme

Regler sind heutzutage keine analogen Schaltungen mehr, sondern komplexe Software, die auf eingebetteten Systemen implementiert wird. Ein Regelungssystem kann dabei aus mehreren Teilsystemen bestehen, die auf unterschiedlicher Hardware implementiert werden. Diese müssen vernetzt miteinander interagieren. Dabei kann beispielsweise eine Regelung zur Stabilisierung direkt auf dem System arbeiten, da große Bandbreiten benötigt werden. Regler, die geringere Bandbreiten besitzen, können jedoch auf einem zentralen Rechner arbeiten. Dadurch kann Gewicht und Hardware eingespart werden. Der Austausch zwischen den Teilsystemen erfolgt über das Internet, wodurch ein cyberphysisches Regelungssystem entsteht. Hier stellen sich Fragen, welche Bandbreiten möglich sind, was beim Verlust von Daten passiert oder welche Totzeiten maximal akzeptabel sind. All diesen Fragen möchte sich die Professur widmen.

Anwendungsorientierte Regelungstechnik

Die Regelungstechnik bietet eine Vielzahl von Werkzeugen und Methoden, die oft in Simulationen problemlos funktionieren. In der realen Welt treten jedoch Probleme auf, wenn diese Ansätze auf eingebettete Systeme und speicherprogrammierbare Steuerungen angewendet werden. Dies ist oft darauf zurückzuführen, dass Effekte der realen Welt, wie Sensorrauschen, Übertragungstotzeiten oder Sensor- und Stellglieddynamiken, vernachlässigt wurden. Manchmal fehlen auch Prozessketten. Die Professur strebt an, beispielhafte "Best Practice"-Ansätze zu entwickeln, um sicherzustellen, dass robuste Regelung, modellprädiktive Regelung oder erweiterte Kalman-Filter nicht nur in der Simulation, sondern auch in realen Anwendungen erfolgreich eingesetzt werden können.

Verbundflugzeug

Das Verbundflugzeug, bestehend aus mehreren individuellen Flugzeugen, die über mechanische Lager an den Flügelspitzen miteinander verbunden sind, stellt eine innovative Technologie dar, die noch umfangreiche Forschung erfordert. Dazu gehören der Kopplungs- und Entkopplungsprozess sowie die Kommunikation und der Datenaustausch zwischen den einzelnen Elementen des Verbundflugzeugs. Die Professur strebt an, Förderprojekte in der Grundlagenforschung zu akquirieren und damit den vorhandenen Wissensvorsprung zu nutzen, um die Technologie erfolgreich zu etablieren.

• Gewinner Space4Mobility Hackathon, 2021
  Entwicklung eines risikobasierten Ansatzes zur Abschwächung von GNSS-Störungen, Link

• 3. Platz: INNOspace Masters, 2021
  Verbundflugzeug, Link

• 2. Platz: Drone Pioneer Award, 2019
  Verbundflugzeug, Link

• Claudius Dornier jr. Dissertationspreis, 2019
  Dissertation, Link

• Innovationspreis der Deutschen Luftfahrt, 2019
  Verbundflugzeug, Link

• Drone Hero Europe, 2018
  Verbundflugzeug, Link

• Walther Blohm Studienpreise, 2013
  Masterarbeit, Link

• Köthe, Silvestre: Longitudinal Flight Path Control using Least Squares In-Flight Identification, Berlin: Euro GNC 2022 – 6th CEAS Specialist Conference on Guidance, Navigation, and Control, 2022

• Köthe, Hopf, Reinfeld, Cracau: The Virtual Flight Test Environment — A Web-Based Framework for Realistic Testing of Flight Control Laws, Berlin: Euro GNC 2022 – 6th CEAS Specialist Conference on Guidance, Navigation, and Control, 2022

• Hopf, Dommaschk, Block, Reinfeld, Krachten, Worrmann, Cracau, Köthe: Unmanned Aircraft Experimental System: The Flying Lab For Applied Fight Control And Flight Mechanics, 69. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2020

• Köthe: Digital twinning of UAS – A Hardware-in-the-Loop Simulator with CANoe and Pixhawk, Vector Virtual Week, 2020

• Cracau, Köthe: Medical Delivery in Urban Areas: The Power of Backup Systems and Hardware-in-the-Loop Simulation, European Drone Forum 2020

• Köthe, Luckner: Mehrkörperflugzeug und Verfahren zur Regelung der Gesamtformation eines Mehrkörperflugzeugs, Patent DE102018100332A, 2019

• Köthe: Flight Mechanical Design, Flight Dynamics and Flight Control for Multibody Aircraft: A Summary, Savannah: International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics (IFASD), 2019

• Köthe, Luckner: Applying Eigenstructure Assignment to Inner-Loop Flight Control Laws for a Multibody Aircraft, Mailand: Euro GNC 2019 – 5th CEAS Specialist Conference on Guidance, Navigation, and Control, 2019

• Köthe: Flight Mechanics and Flight Control for a Multibody Aircraft – Long Endurance Operation at High Altitudes, Berlin: Universitätsverlag der TU Berlin, 2019

• Köthe, Luckner: Outer-Loop Control Law Design with Control Allocation for a Multibody Aircraft, Mailand: Euro GNC 2019 – 5th CEAS Specialist Conference on Guidance, Navigation, and Control, 2019

• Köthe, Luckner: Flight Path Control for a Multi-body aircraft, in: Dołęga, Głębocki, Kordos, Żugaj: Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control, Berlin: Springer, 2018

• Köthe, Behrens, Nowka, Zieglmeier, Luckner: Transport Delay in the Distributed Flight Control System of an Experimental Multi-body Aircraft, Warsaw: Euro GNC 2017 – 4th CEAS Specialist Conference on Guidance, Navigation, and Control, 2017

• Köthe, Behrens, Hamann, Nagel, Nowka, Luckner: Closed-Loop Flight Tests with an Unmanned Experimental Multibody Aircraft, Como: International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics (IFASD), 2017

• Köthe, Adhikari, Luckner: Numerical and Experimental Modal Analysis of the GARTEUR SM-AG 19 Structure – Reduced FE Models and Optimal Experimental Setup, München: 66. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2017

• Henning, Montel, Köthe, Luckner, Thielecke: Experimentelle Ermittlung der modalen Strukturparameter eines skalierten Flugversuchsträgers mittels Low-Cost Sensoren, München: 66. Deutsche Luft- und Raumfahrtkongress, 2017

• Köthe, Luckner, Ramirez, Silvestre, Pang, Cesnik: Development of Robust Flight Control Laws for a Highly Flexible Aircraft in the Frequency Domain, Washington: AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, 2016

• Gonzales, Silvestre, Paglione, Köthe, Pang, Cesnik: Linear Control of Highly Flexible Aircraft based on Loop Separation, Washington: AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, 2016

• Köthe, Luckner: Flugmechanische Auslegung, Modellierung und Untersuchung eines Mehrkörperflugzeugs mit dem Einsatzzweck als High Altitude Long Endurance Flugzeug, Rostock: 64. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2015

• Köthe, Luckner: Flight Mechanical Modeling and Analysis of Multi-Body Aircraft, St. Petersburg: International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics (IFASD), 2015

• Hamann, Köthe, Luckner: Automatische Auslegung von Flugregelungsfunktionen für den Flugzeugvorentwurf, Augsburg: 63. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2014

• Köthe, Silvestre, Luckner: In-Flight Aeroelastic System Identification of a High-Aspect-Ratio Motor Glider, Bristol: International Forum on Aeroelasticity and Structural Dynamics (IFASD), 2013

• Köthe: Identifikation der Aeroelastischen Eigenschaften des Motorseglers S15 anhand von Flugversuchsdaten, Stuttgart: 62. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2013

• Heinicke, Köthe: Konzeptstudie eines fliegenden Autos mit integrierter Vorgaberegelung für Flug-und Fahrbetrieb, Stuttgart: 62. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2013

• Köthe: Analyse und Bewertung der Startleistungen eines Luftfahrzeugs mit kontinuierlich fahrenden Hinterkantenklappen, Hamburg: 59. Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, 2010

• Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt

  Stellvertretender Leiter des Fachbereiches „Flugregelung
• IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems
  Reviewer (Gutachter) im Bereich Regelungstechnik und Flugregelung
• Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering
  Reviewer (Gutachter) im Bereich Flugregelung

• CEAS Aeronautical Journal
  Reviewer (Gutachter) im Bereich Flugregelung und Aeroelastizität

• International Programme Committee EuroGNC
  Mitglied im Programmkomitee für die EuroGNC Konferenz