Prof. Dr.-Ing. Alexander Köthe

An der Technische Hochschule Wildau im Bachelorstudiengang Automatisierungstechnik und im Masterstudiengang Automatisierte Energiesysteme folgende Module von der Professur 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 von stetigen Reglern als elektronische Schaltung; Diskrete Regler; Integration von digitalen Reglern in eingebetteten Systemen; Zustandsraumtheorie (Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit); Vorgabe der Eigenwerte und Eigenvektoren; Linear-quadratischer Regler; Führungsgrößenfilter; PI-Zustandsregler; Flachheitsbasierte Reglersynthese; Luenberger Beobachter; (Erweitertes) Kalmán-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); Unsicherheitsbeschreibungen; Robuste Stabilität; Numerische Reglersynthese mit Matlab für MIMO-Systeme; Systemidentifikation
   
• Messtechnik und Sensorik (Sommersemester)
  Inhalte: Grundbegriffe der Messtechnik und Einheitensystem; Statische Messkennlinie; Regressionsrechnung; Methode der kleinsten Fehlerquadrate; Grundlagen der Wahrscheinlichkeitsrechnung; Messung elektrischer Größen; Grundlagen der Elektronik (Verstärker, Differenzenverstärker); Fourier-Analyse; Dynamische Messkennlinie; 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 im 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. Die Besonderheit hierbei ist, dass die Leistungsvorgaben direkt vom Flugsteuerungssystem vom UAM-eVTOL-Luftfahrzeug (vom Verbundpartner Volocopter) vorgegeben werden. Zunächst werden in Laborversuchen die einzelnen Bestandteile des Systems qualifiziert. Anschließend findet eine Überprüfung am IronBird statt. Durch das Vorhaben ist eine Effizienzsteigerung (insbesondere Reichweite) zu erwarten. Dadurch werden UAM-eVTOL Luftfahrzeug 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 dreifachredudanten Drive-by-Wire Systems
  Ziel des Projektes war die Entwicklung des mechanischen, elektrischen und eingebetteten Systems (inklusive der Regelung) für ein Drive-by-Wire System, welches den Lenkwinkel, die Bremspedalstellung und die Gaspedalstellung eines konventionellen PKWs vorgeben kann. Neben den Funktionen musste das System Sicherheitsmechanismen umfassen, wie die Übernahme der Kontrolle durch den Fahrer, eine Redundanz in allen Ein-, Aus- und Verarbeitungsmodulen sowie eine Erkennung von Fehlerfällen. Innerhalb eines Jahres wurde das System entwickelt, im Auto integriert und erfolgreich getestet.
   
• Entwicklung einer Kameraauslenkeinheit für ein Stratosphärenflugzeug
  Ziel des Projektes war die Entwicklung des mechanischen, elektrischen und eingebetteten Systems (inklusive der Regelung) für eine Kamerauslenkeinheit für zwei Freiheitsgrade. Die Auslenkeinheit soll in einem Stratosphärenflugzeug verbaut werden und verlangt eine Regelung der Winkel im Bereich von einem tausendstel Grad. Ein erster Prototyp wurde entwickelt und auf der internationalen Luftfahrtausstellung (ILA) 2022 ausgestellt.
   
• Erkennung von GPS Jamming und Spoofing bei GPS basierten Anflügen an Verkehrsflughäfen
  Das Projekt fand im Rahmen des "Space4Mobility“ Hackathon in der Austro Control Challange statt, bei dem sich AlphaLink gegen vier andere Mitbewerber durchsetze. Es wurden ein Algorithmus und Maßnahmen entwickelt, um Störeinflüsse auf das GPS der Luftfahrzeuge zu vermeiden und zu erkennen. Mit der Grundlagenforschung sollen Verkehrsflugzeuge im Endanflug an Verkehrsflughäfen mit GPS gestützte Anflugverfahren sicher zum Boden geleitet werden.
   
• 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. Damit die Forschungseinrichtungen nicht selbst ein Luftfahrzeug entwickeln müssen, hat AlphaLink eine Drohne (Hardware und Software) so angepasst, dass Flugregelungsalgorithmen direkt aus Simulink auf die Drohne implementiert werden können. Um Flugversuche in einer digitalen Welt zu ermöglichen, hat AlphaLink mit der virtuellen Flugtestumgebung einen digitalen Zwilling entwickelt, der sich mit dem Luftfahrzeug zu einem Hardware-in-the-Loop Simulator koppeln lässt. Link
   

Folgende ausgewählte Projekte wurden bei der Technischen Universität Berlin durchgeführt:

• AMBA - Advanced Multibody Aircraft
  Ziel war die Grundlagenforschung zu verbundenen Flugzeugen (Compound Aircraft) hinsichtlich der Flugmechanik und Flugregelung durchzuführen. Die Ergebnisse führten zu einer Dissertation. In dem Projekt wurde ein Luftfahrzeug entwickelt, welches 365 Tage, 24 Stunden zwischen dem 40 nördlichen und südlichen Breitengrad fliegen kann und dabei bis zu 450 kg Nutzlast transportiert. Für diesen Entwurf wurde ein dynamisches Modell erstellt, welches sich als dynamisch instabil herausstelle. Zur Stabilisierung und Flugbahnführung wurde ein Flugregler entwickelt.
   
• AeroStruct
  Ein wesentliches Ziel des Projekts war die Erweiterung von multidisziplinären Simulationswerkzeugen für die Lastenanalyse um den Bereich Flugregelung. Die Reglermodule orientierten sich an Regelungskonzepten moderner Verkehrsflugzeuge wobei nur solche Reglerfunktionen berücksichtigt wurden, die für dynamische Simulationen aeroelastischer und strukturdynamischer Problemstellungen relevant waren (Lageregler, Dämpferfunktionen). In diese konventionellen Regler wurden Ansätze zur Lastreduktion implementiert. Die Untersuchungen fanden rein numerisch für ein Luftfahrzeug mit vorwärts gepfeilten Flügeln statt.
   
• LAPAZ (Luft-Arbeits-Plattform für die Allgemeine Zivilluftfahrt)
  Ziel des Projektes war ein Luftarbeitsflugzeug für den optional pilotierten Betrieb umzurüsten. Innerhalb des Projektes wurde ein Signalgenerator entwickelt, der im Flugzeug dazu führte, dass Wölbklappen, Höhenruder, Seitenruder und Querruder so ausgeschlagen wurden, dass die Struktur angeregt wurde. Mittels Beschleunigungssensoren wurden die aeroelastischen Eigenschaften bestimmt und daraus ein aeroelastisches Strukturmodell validiert.

Cyberphysikalische 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 cyberphysikalisches 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 oftmals in der reinen Simulation problemlos funktionieren. In der echten Welt kommt es zu Problemen, wenn die Ansätze auf eingebettete Systeme und Speicherprogrammierbaren Steuerungen implementiert werden. Meist liegt es daran, dass Effekte der realen Welt, wie Rauschen von Sensoren, Übertragungstotzeiten oder Sensor- und Stellglieddynamiken vernachlässigt wurden. Manchmal fehlen auch Prozessketten. Die Professur möchte beispielhaft „Good Practice“ Ansätze herausarbeiten und so einen Beitrag liefern, dass robuste Regelung, modellprädiktive Regelung oder erweiterte Kálmán-Filter nicht nur in der Simulation funktionieren, sondern auch in der echten Welt zum Einsatz kommen.

Verbundflugzeug

Das Verbundflugzeug, welches aus mehreren einzelnen Flugzeugen besteht, die über mechanische Lager an den Flügelspitzen miteinander verbunden sind, stellt eine neuartige Technologie dar, die noch sehr viel Forschung benötigt. Hierzu zählen der Kopplungs- und Entkopplungsprozess oder die Kommunikation und der Datenaustausch zwischen den Elementen des Verbundes. Die Professur strebt an Förderprojekte 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

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

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