KI für die besten Regler

Warum KI und wie sieht Ihre KI-Anwendung aus? 

Seit über einem Jahrhundert treten bei der Temperaturregelung unerwünschte Schwingungsphänomene auf, die mit erheblichen Nachteilen verbunden sind. Jedes Überschwingen führt zu unnötigem Energieverbrauch, verzögert den Fertigungsprozess und belastet sowohl die Maschinen als auch das aufzuheizende Material durch teilweise hohe Regelabweichungen. 

Im Rahmen eines ZIM-Forschungsprojekts hat ELOTECH Industrieelektronik im Jahr 2024 in Zusammenarbeit mit einem wissenschaftlichen Institut eine innovative modellprädiktive Regelung entwickelt, die diese Herausforderungen vollständig eliminiert hat. Die weltweite Implementierung dieser Technologie könnte zu erheblichen Einsparungen bei Energie, Rohstoffen und Produktionszeit führen. ELOTECH Regler leisten somit einen wertvollen Beitrag.

Wie ist die Idee für die KI-Anwendung entstanden?

Bei der klassischen Standard-PID-Regelung tritt aufgrund der grundlegenden Formel häufig ein Überschwingverhalten auf. Dieses Phänomen ist in der Auslegung der Regelung begründet. In den vergangenen Jahren haben wir die PID-Formel kontinuierlich weiterentwickelt. Mit unserem aktuellen adaptiven PID-Algorithmus sind wir bereits sehr nah an einer optimalen Regelung, doch unser Ziel ist die Perfektion. Um dieses zu realisieren, war uns bewusst, dass wir zusätzliche mathematische Ansätze in unsere Regelung integrieren müssen. Im Jahr 2018 haben wir daher die weiterführenden Überlegungen gestartet, um eine möglichst perfekte Regelung zu entwickeln.

Was war die zugrunde liegende Problemstellung, die die Entwicklung Ihrer KI-Anwendung veranlasst hat?

Seit drei Jahrzehnten widmet sich ELOTECH der Entwicklung von PID-Reglern und hat in diesem Zeitraum die Regelungsqualität kontinuierlich optimiert. Durch den Einsatz adaptiver PID-Algorithmen konnten wir bereits herausragende Ergebnisse erzielen, wodurch unsere Regler zu den führenden Produkten auf dem Markt zählen. Dennoch treten insbesondere während der Aufheizphase industrieller Anwendungen weiterhin unerwünschte Temperaturschwankungen auf, die vor allem durch hochdynamische Regelstrecken verursacht werden. Die Integration moderner KI-Technologien bietet hier vielversprechende Ansätze, um diese Herausforderungen künftig effektiv zu adressieren und die Regelungsperformance weiter zu verbessern.

Wie sind Sie bei der Entwicklung der Lösung vorgegangen?

Nachdem die Idee entstanden war, die Regelungstechnologie durch den Einsatz von KI weiter zu optimieren, suchte ELOTECH den Austausch mit mehreren Universitäten und Forschungseinrichtungen. Aufgrund des umfangreichen Fachwissens im Bereich der Regelungstechnik sowie der bereits erzielten hervorragenden Ergebnisse mit aktuellen Algorithmen wurde gezielt nach einem Partner gesucht, der über fundiertes theoretisches KI-Wissen verfügt. Nach ersten Gesprächen mit verschiedenen Fachabteilungen hat sich ein Institut, das bereits im Bereich der Motorsteuerung mittels KI umfangreiche Erfahrungen gesammelt hat, als vielversprechendster Kooperationspartner herausgestellt. Die Forschungsinitiative wurde im Rahmen eines ZIM-Forschungsprojekts teilfinanziert.

Welche Technologien haben Sie bei der Umsetzung eingesetzt?

Durch umfangreiche Tests hat sich herausgestellt, dass die Kombination unserer bewährten Algorithmen mit modernen KI-Tools, wie beispielsweise modellprädiktiven Algorithmen, die besten Ergebnisse liefert. Dabei lag ein besonderes Augenmerk auf die Reduzierung des Rechenaufwands, um eine Implementierung auf vergleichsweise kleinen Prozessorplattformen zu ermöglichen. Praxisanwendungen bei verschiedenen Maschinenbauunternehmen haben die Leistungsfähigkeit dieses innovativen Algorithmus eindrucksvoll bestätigt. Derzeit entwickeln wir weitere, auf KI basierende Regelungsansätze. Diese Innovationen versprechen, die Regelungstechnik in einem neuen Anwendungsbereich grundlegend zu revolutionieren mit dem Ziel Energie einzusparen. Zudem sind weitere Forschungsprojekte auf Basis von KI geplant.

Welche Maßnahmen haben Sie ergriffen um die Nachhaltigkeit Ihrer KI-Anwendung sicherzustellen? Wie haben Sie die Benutzerfreundlichkeit Ihrer KI-Anwendung gewährleistet? Welche Herausforderungen gab es im Hinblick auf die Akzeptanz, und wie sind Sie diese angegangen?

Derzeit arbeiten wir an der Entwicklung weiterer anwendungsbezogener Lösungen im Bereich der Regelungstechnik unter Einsatz von KI. Zudem befindet sich ein weiteres KI-Forschungsprojekt in der Antragsphase. Uns ist bewusst, dass unser aktueller Technologievorsprung nicht dauerhaft bestehen bleibt. Daher ist es für uns von entscheidender Bedeutung, kontinuierlich neue Ansätze und Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren und entsprechende Lösungsstrategien zu entwickeln.

Ein entscheidender Punkt in dieser Anwendung ist die Lernphase der Regelstrecke. Im Idealfall betätigt der Anwender nur noch eine Taste am Regler und der Lernprozess läuft automatisch ab. Aktuell nehmen wir hier noch weitere Feinjustierungen vor.

Die Neugierde ist groß und die erzielten Ergebnisse zeigen eine große Akzeptanz für den Einsatz der KI-Regler. Manchmal stellt man aber auch fest, dass schon die "normale" adaptive PID-Regelung von ELOTECH die Probleme deutlich reduziert bzw. eliminiert.

Warum ist Ihre KI-Anwendung besonders relevant für produzierende Unternehmen?

Mit dem KI-Regler adressieren wir gleich mehrere zentrale Herausforderungen: die Einsparung von Energie, die Steigerung der Maschinenproduktivität, die Verringerung von Verschleiß an Maschinen und Werkzeugen sowie die Reduzierung des Materialverbrauchs durch eine beschleunigte Fertigstellung des Produktionsprozesses. Ein anschauliches Beispiel ist die Kunststoffproduktion, bei der zahlreiche Fertigungszyklen erforderlich sind, um ein qualitativ hochwertiges Ergebnis zu erzielen. Durch den Einsatz des KI-Reglers können wir die Anzahl der Fehlschüsse im Spritzgussprozess deutlich reduzieren. Darüber hinaus zeigt diese KI-Technologie auch in zahlreichen weiteren Fertigungsprozessen ihre Vorteile und trägt somit zur Optimierung der gesamten Produktion bei.

Welche langfristigen Ziele verfolgen Sie mit Ihrer Anwendung?

Die Zukunftsperspektive von ELOTECH lässt sich prägnant zusammenfassen: Unser derzeitiger, vermutlich weltweiter technologischer Vorsprung soll durch die Entwicklung innovativer Merkmale und Produkte nachhaltig gesichert und ausgebaut werden. Der Technologievorsprung Deutschlands hat in den vergangenen Jahrzehnten maßgeblich dazu beigetragen, das Land zum führenden Hersteller von Maschinen und Anlagen zu machen. Dieses Ziel gilt es auch künftig zu verfolgen, um Wohlstand und unsere Errungenschaften zu bewahren. ELOTECH strebt an, hierbei seinen Beitrag zu leisten.