In this thesis, we derive necessary optimality conditions for bilevel programming problems (BPPs for short) in Banach spaces. This rather abstract setting reflects our desire to characterize the local optimal solutions of hierarchical optimization problems in function spaces arising from several applications. Since our considerations are based on the tools of variational analysis introduced by Boris Mordukhovich, we study related properties of pointwise defined sets in function spaces. The presence of sequential normal compactness for such sets in Lebesgue and Sobolev spaces as well as the variational geometry of decomposable sets in Lebesgue spaces is discussed. Afterwards, we investigate mathematical problems with complementarity constraints (MPCCs for short) in Banach spaces which are closely related to BPPs. We introduce reasonable stationarity concepts and constraint qualifications which can be used to handle MPCCs. The relations between the mentioned stationarity notions are studied in the setting where the underlying complementarity cone is polyhedric. The results are applied to the situations where the complementarity cone equals the nonnegative cone in a Lebesgue space or is polyhedral. Next, we use the three main approaches of transforming a BPP into a single-level program (namely the presence of a unique lower level solution, the KKT approach, and the optimal value approach) to derive necessary optimality conditions for BPPs. Furthermore, we comment on the relation between the original BPP and the respective surrogate problem. We apply our findings to formulate necessary optimality conditions for three different classes of BPPs. First, we study a BPP with semidefinite lower level problem possessing a unique solution. Afterwards, we deal with bilevel optimal control problems with dynamical systems of ordinary differential equations at both decision levels. Finally, an optimal control problem of ordinary or partial differential equations with implicitly given pointwise state constraints is investigated.

Klimawissenschaftler sind sich heute weitgehend einig, dass aktuell ein durch den Menschen verursachter Wandel des Klimas stattfindet, welcher große Auswirkungen auf die Menschheit im Allgemeinen hat, aber auch auf die Unternehmenspraxis. Anpassungsmaßnahmen an diese Auswirkungen stellen eine wichtige Möglichkeit dar, die wirtschaftlichen Schäden durch den Klimawandel zu begrenzen bzw. zu vermeiden. Im Rahmen des Projektes REGKLAM („Entwicklung und Erprobung eines integrierten Regionalen Klimaanpassungsprogramms für die Modellregion Dresden“) wird der Einfluss des Klimawandels auf Unternehmen der Region Dresden untersucht, um solche geeigneten Anpassungsmaßnahmen zu entwickeln. Die Methode der Szenarioanalyse wird dabei genutzt, um den Klimaeinfluss auf betriebswirtschaftliche Größen, vorrangig in der regionalen Tourismusbranche, zu analysieren. Dazu wird zunächst eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt, deren Ergebnis den Rahmen für eine Szenarioanalyse für die Branche Tourismus der Region Dresden liefert. Im Ergebnis werden einige Anpassungsstrategien für diese Branche erarbeitet.

The boom systems of mobile cranes and aerial platform vehicles are driven by hydraulic systems, to be specified, valve-controlled hydraulic cylinders. This hydraulic actuated boom system can accomplish the tasks such as lifting heavy loads or carrying personal to high position, by the design of a long boom structure. In practice, the boom structure is designed as light and slender as possible to control the structure self-weight. However, such structure is quite flexible and can be easily stimulated by the loads, including the driving force or torque from the hydraulic system. Our research focuses on trajectory planning for hydraulic actuated boom where both hydraulic driven system and boom structure deformation are considered. In this paper, the hydraulic actuated boom system is formulated as a port-Hamiltonian system which is a proper modelling method for multi-domain system. The problems of trajectory optimization and vibration control are formulated as optimal control problem based on port-Hamiltonian model and this procedure is tested on a model of hydraulic cylinder. A reasonable result is solved with the selected cost function and inputs.

All-wheel suspensions are generally challenging, particularly if they are equipped with an automatic level control. In mobile machines, the special application conditions make their use even more demanding regarding layout and control. A high center of gravity, load variations, off-road-conditions etc. require special measures to reduce roll and pitch movements. Additionally the uneven ground along with the mechanical suspension setup often create a need to measure and optimize tyre-to-ground forces in order to provide best traction and suspension properties. Hydropneumatic suspensions have all the potential to meet all these requirements and provide a comfortable, safe and efficient suspension setup.

The need for innovative lightweight materials are rapidly increased in the recent years, owing to their cost-effective, high-strength, environmentally-sound use of materials and process technologies, in addition to that they reduce the weight of a product. The characteristics of 3D-spacer fabrics as one of the most important lightweight materials in future are multifaceted not only owing to its extremely light materials, but also because of exceptionally high stiffness to weight ratio compared to other constructions. It is also one possible method for improving the properties of fabric-reinforced composites. It can enhance the through-the-thickness properties, such as shear strength, dimensional stability, damage, tolerance, and fracture toughness that are critical for many structural applications. Spacer fabric has been employed in high-technology applications because of its critical mechanical properties related to high tensile strength, tear strength and stiffness. Furthermore, its multidirectional structures allow with more reinforcement along the thickness direction leading to an increase in stiffness and strength properties. The fundamental aim of this thesis exists in the development of a new kind of woven spacer fabrics for the light weight composites materials, in an effort to weave spacer fabrics that can not be realized with the old technology which are mentioned above. Therefore, the work in brief focuses on two main goals: 1. Development of a new kind of spacer fabrics for composites in the lightweight constructions. 2. Development of special devices of a narrow weaving machine for standing the process of the new kind of spacer fabrics production. The slippage strength test had to be carried out for the floated warp yarns through the ground fabrics by using different elements of woven fabric structures variables represented in different fabric constructions, different weft densities and different repeats of constructions by using different materials. The importance of this test related to the backward-movement of the floated warp yarns which is the crucial stage in the weaving process of spacer fabrics during the backward-movement. The results of this test determine the required forces for the backward-movement, on the other side it is the best method to observe the behavior of structure elements during the backward movement. The results of the slippage strength had been statistically analyzed, and the weaving process for the spacer fabrics had been achieved. It was concluded that the best properties for the woven spacer fabrics and the optimum case for the weaving process on the test weaving machine had been achieved when the following items are realized: Development of the narrow weaving machine is closed in assisting operations, let-off and take-up and enhancement for take-up processes. Extra let-off and take-up devices must be constructed at the weaving machine. Extra let-off device has to be used for controlling the floated warp yarns of ground fabrics. On the other side, extra take-up and the developed take-up devices have to be used for controlling the woven spacer fabrics. The experimental results give fundamental knowledges for the next steps in research and development of woven spacer fabrics made of high-performance yarns on the wide weaving machine. / Die Ziele der Arbeit bestanden in der Entwicklung der Geometrie der Spacer Fabrics und der notwendigen Falteneinrichtung an der Bandwebmaschine. Spacer Fabrics werden ausschließlich aus zwei Deckflächen, die durch eingewebte Stege verbunden sind, gefertigt. Zur Entwicklung der Spacer Fabrics muss eine Doppelnadel-Bandwebmaschine mit zwei Webfächern eingesetzt werden. Für die Faltenwebeinrichtung werden der entwickelte Extra-Kettablass und der Extra-Abzug benötigt. Der Antrieb und die Steuerung des Extra-Abzuges erfolgen durch einen Synchronantrieb und der Antrieb und die Steuerung des Extra-Ablasses durch Pneumatik.Eine frei programmierbare Steuerung der Faltenwebeinrichtung ermöglicht eine sichere und optimierte Synchronisation zwischen Webprozess und Faltenbildung. Im Ergebnis einer systematischen Strukturentwicklung von Spacer Fabrics und der Simulation ihrer günstigen Herstellung mittles eines speziell entwickelten Slippage Strength Tests werden die optimalen Strukturen ermittelt. Die experimentellen Untersuchungen bringen grundlegende Erkenntnisse für die folgenden Forschungsschritte zur Entwicklung von gewebten Spacer Fabrics mit Hochleistungsgarnen auf Doppelgreiferwebmaschinen.

Im Mittelpunkt der Arbeit steht die prozess- und steuerungstechnische Untersuchung der biologischen Trocknung von Restabfällen im dynamischen Reaktor. Die gezielte Kombination von biologischen und mechanischen Prozessen innerhalb eines Reaktors führt zu Eigenschaften des Outputmaterials, die die prinzipielle Überlegenheit des dynamischen Reaktors hinsichtlich Prozessbeeinflussbarkeit und Produktqualität deutlich belegen. Die vorgestellte Steuerungslösung besteht aus einem Modul zur Klassensteuerung, der in eine übergeordnete Ablaufsteuerung eingebettet wurde. Diesem Aufbau liegt die Feststellung zu Grunde, dass beim diskontinuierlich geführten Prozess die Eigenschaften des Reaktor-Abfall-Systems von Charge zu Charge sehr unterschiedlich ausfallen können. Mit fortschreitender Prozesszeit können bestimmte Eigenschaften, im konkreten Fall Wassergehalt und Aktivität des Materials aus dem Prozessverlauf selbst bestimmt werden. Voraussetzung dazu ist die Schaffung von vergleichbaren Prozessbedingungen durch eine vorgegebene Reihenfolge von Handlungen zu Beginn des Prozesses. Ab einem bestimmten Informationsstand kann die bis dahin schematische in eine automatische Prozessführung überführt werden. In dieser werden an die aktuelle Prozesssituation angepasste Handlungen ausgeführt.

Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich mit der optimalen Steuerung von einem Cahn–Hilliard–Navier–Stokes-System mit variablen Flüssigkeitsdichten. Dabei konzentriert sie sich auf das Doppelhindernispotential, was zu einem optimalen Steuerungsproblem einer Gruppe von gekoppelten Systemen, welche eine Variationsungleichung vierter Ordnung sowie eine Navier–Stokes-Gleichung beinhalten, führt. Eine geeignete Zeitdiskretisierung wird präsentiert und zugehörige Energieabschätzungen werden bewiesen. Die Existenz von Lösungen zum primalen System und von optimalen Steuerungen für das ursprüngliche Problem sowie für eine Gruppe von regularisierten Problemen wird etabliert. Die Optimalitätsbedingungen erster Ordnung für die regularisierten Probleme werden hergeleitet. Mittels eines Grenzübergangs in Bezug auf den Regularisierungsparameter werden Stationaritätsbedingungen für das ursprüngliche Problem etabliert, welche einer Form von C-Stationarität im Funktionenraum entsprechen. Weiterhin wird ein numerischer Lösungsalgorithmus für das Steuerungsproblem basierend auf einer Strafmethode entwickelt, welche die Moreau–Yosida-artigen Approximationen des Doppelhindernispotentials einschließt. In diesem Zusammenhang wird ein dual-gewichteter Residuenansatz für zielorientierte adaptive finite Elemente präsentiert, welcher auf dem Konzept der C-Stationarität beruht. Die numerische Realisierung des adaptiven Konzepts und entsprechende numerische Testergebnisse werden beschrieben. Die Lipschitzstetigkeit des Steuerungs-Zustandsoperators des zugehörigen instantanen Steuerungsproblems wird bewiesen und dessen Richtungsableitung wird charakterisiert. Starke Stationaritätsbedingungen für dieses Problem werden durch die Anwendung einer Technick von Mignot und Puel hergeleitet. Basierend auf der primalen Form der Bouligard-Ableitung wird ein impliziter numerischer Löser entwickelt, dessen Implentierung erläutert und anhand von numerischen Resultaten illustriert wird. / This thesis is concerned with the optimal control of a Cahn–Hilliard–Navier–Stokes system with variable fluid densities. It focuses on the double-obstacle potential, which yields an optimal control problem for a family of coupled systems in each time instant of a variational inequality of fourth order and the Navier–Stokes equation. A suitable time-discretization is presented and associated energy estimates are proven. The existence of solutions to the primal system and of optimal controls is established for the original problem as well as for a family of regularized problems. The consistency of these approximations is shown and first order optimality conditions for the regularized problems are derived. Through a limit process with respect to the regularization parameter, a stationarity system for the original problem is established, which corresponds to a function space version of ε-almost C-stationarity. Moreover, a numerical solution algorithm for the optimal control problem is developed based on a penalization method involving the Moreau–Yosida type approximations of the double-obstacle potential. A dual-weighted residual approach for goal-oriented adaptive finite elements is presented, which is based on the concept of C-stationarity. The overall error representation depends on dual weighted primal residuals and vice versa, supplemented by additional terms corresponding to the complementarity mismatch. The numerical realization of the adaptive concept is described and a report on numerical tests is provided. The Lipschitz continuity of the control-to-state operator of the corresponding instantaneous control problem is verified and its directional derivative is characterized. Strong stationarity conditions for the instantaneous control problem are derived. Utilizing the primal notion of B-differentiability, a bundle-free implicit programming method is developed. Details on the numerical implementation are given and numerical results are included.

Im Bereich der Werkzeugmaschinen können Identifikationsmethoden zur Realisierung einer ressourceneffizienten Produktion durch Überwachung prozessrelevanter Parameter beitragen. Aufgrund der hierarchischen Trennung moderner Steuerungssysteme bildet deren konzeptionelle Gestaltung und Implementierung am Beispiel einer nichtinvasiven Identifikationsroutine an einer Werkzeugmaschine den Kern der vorliegenden Arbeit. Das Ziel besteht darin, eine autonome Anwendung zur Integration unterschiedlicher Überwachungsmechanismen zu entwickeln und durch exemplarische Integration einer Parameteridentifikation zu validieren. Im Anschluss an die theoretischen Vorbetrachtungen werden deshalb zunächst verschiedene konzeptionelle Entwürfe zur Integration des Identifikationsverfahrens an einer Werkzeugmaschine diskutiert und anhand definierter Bewertungskriterien klassifiziert. Die Auswahl eines geeigneten Konzeptes unter Berücksichtigung eines Bewertungsindex sowie eine beispielhafte Implementierung bilden die Grundlage für den experimentellen Funktionsnachweis. / In the field of machine tools, identification methods can contribute to the realization of a resource-efficient production by monitoring of process-relevant parameters. Due to the hierarchical separation of modern control systems, their conceptual design and implementation using the example of a non-invasive identification routine on a machine tool forms the main aspect of the master thesis. The goal is to develop an autonomous application for different monitoring mechanisms and its validation through an exemplary parameter identification. Following the theoretical previews different conceptual designs are discussed and classified according to defined evaluation criteria. The selection of an appropriate concept under consideration of an evaluation index and its exemplary implementation are the basis for the experimental functional verification.

Strong resonant dipole-dipole interactions in flexible Rydberg aggregates enable the formation of excitons, many-body states which collectively share excitation between atoms. Exciting the most energetic exciton of a linear Rydberg chain whose outer two atoms on one end are closely spaced causes the initiation of an exciton pulse for which electronic excitation and diatomic proximity propagate directed through the chain. The emerging transport of excitation is largely adiabatic and is enabled by the interplay between atomic motion and dynamical variation of the exciton. Here, we demonstrate the coherent splitting of such pulses into two modes, which induce strongly different atomic motion, leading to clear signatures of nonadiabatic effects in atomic density profiles. The mechanism exploits local nonadiabatic effects at a conical intersection, turning them from a decoherence source into an asset. The conical intersection is a consequence of the exciton pulses moving along a linear Rydberg chain and approaching an additional linear, perpendicularly aligned Rydberg chain. The intersection provides a sensitive knob controlling the propagation direction and coherence properties of exciton pulses. We demonstrate that this scenario can be exploited as an exciton switch, controlling direction and coherence properties of the joint pulse on the second of the chains. Initially, we demonstrate the pulse splitting on planar aggregates with atomic motion one-dimensionally constrained and employing isotropic interactions. Subsequently, we confirm the splitting mechanism for a fully realistic scenario in which all spatial restrictions are removed and the full anisotropy of the dipole-dipole interactions is taken into account. Our results enable the experimental observation of non-adiabatic electronic dynamics and entanglement transport with Rydberg atoms. The conical intersection crossings are clearly evident, both in atomic mean position information and excited state spectra of the Rydberg system. This suggests flexible Rydberg aggregates as a test-bench for quantum chemical effects in experiments on much inflated length scales. The fundamental ideas discussed here have general implications for excitons on a dynamic network.

Im Bereich der Werkzeugmaschinen können Identifikationsmethoden zur Realisierung einer ressourceneffizienten Produktion durch Überwachung prozessrelevanter Parameter beitragen. Aufgrund der hierarchischen Trennung moderner Steuerungssysteme bildet deren konzeptionelle Gestaltung und Implementierung am Beispiel einer nichtinvasiven Identifikationsroutine an einer Werkzeugmaschine den Kern der vorliegenden Arbeit. Das Ziel besteht darin, eine autonome Anwendung zur Integration unterschiedlicher Überwachungsmechanismen zu entwickeln und durch exemplarische Integration einer Parameteridentifikation zu validieren. Im Anschluss an die theoretischen Vorbetrachtungen werden deshalb zunächst verschiedene konzeptionelle Entwürfe zur Integration des Identifikationsverfahrens an einer Werkzeugmaschine diskutiert und anhand definierter Bewertungskriterien klassifiziert. Die Auswahl eines geeigneten Konzeptes unter Berücksichtigung eines Bewertungsindex sowie eine beispielhafte Implementierung bilden die Grundlage für den experimentellen Funktionsnachweis.:I Bibliografische Beschreibung und Kurzreferat II Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis IV Verzeichnis der Formelzeichen VIII V Verzeichnis der Abkürzungen XI 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Steuerungs- und Antriebstechnik von Werkzeugmaschinen 2.1.1 CNC-Steuerung 2.1.2 Antriebstechnik 2.1.3 Vorschubachse 2.1.4 Informationskopplung 2.2 Parameteridentifikation an elektromechanischen Achsen 2.3 Verfahren zur nichtinvasiven Identifikation von Regelstreckenparametern 2.3.1 Verwendetes Parameterschätzverfahren 2.3.2 Modularer Aufbau des Identifikationsverfahrens 3 Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Gestaltung der Identifikationsroutine 4.1 Randbedingungen beteiligter Steuerungskomponenten 4.2 Varianten zur Integration der Module 4.3 Kombination der Module zum Gesamtverfahren 4.4 Vergleichende Betrachtungen und Auswahl eines Konzeptes 5 Implementierung einer autonomen, nichtinvasiven Identifikationsroutine an Werkzeugmaschinen 5.1 Maschinenseitige Anpassungen 5.2 Auswahl einer Kommunikationsschnittstelle 5.3 Rechnerseitige Anpassungen 5.3.1 Konfigurations-Datei 5.3.2 Ablaufsteuerung 5.3.3 Weitere Anpassungen 6 Validierung und experimentelle Ergebnisse 6.1 Beschreibung der Versuchsanordnung 6.2 Experimentelle Ergebnisse 6.2.1 Validierung der Programmroutinen 6.2.2 Bewertung der Identifikationsergebnisse 6.2.3 Fazit 7 Zusammenfassung und Ausblick VI Literaturverzeichnis VII Anlagen Anlage A: Formelwerk RMKQ am Beispiel einer Modellschätzung mit 3 Parametern Anlage B: Dominanzmatrix des paarweisen Vergleichs Anlage C: Aufbau der Konfigurations-Datei Anlage D: Gegenüberstellung der Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Validierung der Programmroutinen Anlage E: Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Bewertung der Identifikationsergebnisse / In the field of machine tools, identification methods can contribute to the realization of a resource-efficient production by monitoring of process-relevant parameters. Due to the hierarchical separation of modern control systems, their conceptual design and implementation using the example of a non-invasive identification routine on a machine tool forms the main aspect of the master thesis. The goal is to develop an autonomous application for different monitoring mechanisms and its validation through an exemplary parameter identification. Following the theoretical previews different conceptual designs are discussed and classified according to defined evaluation criteria. The selection of an appropriate concept under consideration of an evaluation index and its exemplary implementation are the basis for the experimental functional verification.:I Bibliografische Beschreibung und Kurzreferat II Abbildungsverzeichnis III Tabellenverzeichnis IV Verzeichnis der Formelzeichen VIII V Verzeichnis der Abkürzungen XI 1 Einleitung 2 Stand der Technik 2.1 Steuerungs- und Antriebstechnik von Werkzeugmaschinen 2.1.1 CNC-Steuerung 2.1.2 Antriebstechnik 2.1.3 Vorschubachse 2.1.4 Informationskopplung 2.2 Parameteridentifikation an elektromechanischen Achsen 2.3 Verfahren zur nichtinvasiven Identifikation von Regelstreckenparametern 2.3.1 Verwendetes Parameterschätzverfahren 2.3.2 Modularer Aufbau des Identifikationsverfahrens 3 Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Gestaltung der Identifikationsroutine 4.1 Randbedingungen beteiligter Steuerungskomponenten 4.2 Varianten zur Integration der Module 4.3 Kombination der Module zum Gesamtverfahren 4.4 Vergleichende Betrachtungen und Auswahl eines Konzeptes 5 Implementierung einer autonomen, nichtinvasiven Identifikationsroutine an Werkzeugmaschinen 5.1 Maschinenseitige Anpassungen 5.2 Auswahl einer Kommunikationsschnittstelle 5.3 Rechnerseitige Anpassungen 5.3.1 Konfigurations-Datei 5.3.2 Ablaufsteuerung 5.3.3 Weitere Anpassungen 6 Validierung und experimentelle Ergebnisse 6.1 Beschreibung der Versuchsanordnung 6.2 Experimentelle Ergebnisse 6.2.1 Validierung der Programmroutinen 6.2.2 Bewertung der Identifikationsergebnisse 6.2.3 Fazit 7 Zusammenfassung und Ausblick VI Literaturverzeichnis VII Anlagen Anlage A: Formelwerk RMKQ am Beispiel einer Modellschätzung mit 3 Parametern Anlage B: Dominanzmatrix des paarweisen Vergleichs Anlage C: Aufbau der Konfigurations-Datei Anlage D: Gegenüberstellung der Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Validierung der Programmroutinen Anlage E: Ergebnisse von manueller und autonomer Parameteridentifikation zur Bewertung der Identifikationsergebnisse