Modellfreies Lernen optimaler zeitdiskreter Regelungsstrategien für Fertigungsprozesse mit endlichem Zeithorizont
Creators: name: Dornheim, Johannes
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Reinforcement Learning
Deep Reinforcement Learning
Deep Learning
Optimal Control
Adaptive Control
Manufacturing
Process Optimization
Deep Drawing
Microstructure Evolution
Process Design
Inverse Materials Design
Multi Goal Reinforcement Learning
Crystal Plasticity
Crystallographic Texture

description: Die Qualität und Leistungsfähigkeit von Bauteilen wird wesentlich von der Ausführung der beteiligten Fertigungsprozesse bestimmt. Das Prozessergebnis hängt -- neben dem Anfangszustand des Bauteils und des Prozesses -- von dem Prozessverlauf ab. Bei vielen Fertigungsprozessen kann der Prozessverlauf durch zeitlich veränderliche Stellgrößen maßgeblich bestimmt werden. Die Optimierung dieser zeitveränderlichen Größen mit Hinsicht auf die Qualität des Bauteils ist Gegenstand dieser Arbeit. Die Bauteilqualität ergibt sich zum einen aus den makroskopischen Eigenschaften des erzeugten Bauteils und zum anderen aus der Material-Struktur am Ende des Fertigungsprozesses. Beides lässt sich häufig erst im Anschluss an die Prozessausführung, in Form einer Qualitätskontrolle, beurteilen und quantifizieren. Prozesspfade sind Sequenzen von Werten der Stellgrößen, die in dieser Arbeit mit Hinsicht auf die Ergebnisqualität optimiert werden. Reale Prozesse sind nicht vollständig determiniert, sondern hängen auch von während des Prozesses schwankenden Prozessbedingungen ab, die häufig nicht direkt messbar sind. Somit können keine allgemein gültigen, optimalen Prozesspfade ermittelt werden. Die Optimierung der Stellgrößen muss vielmehr während der Prozessausführung erfolgen und stellt dann ein Problem der optimalen Regelung dar, wo anstelle der Prozesspfade Regelungsstrategien treten. Diese sind Abbildungen von beobachteten Größen auf Stellgrößen, welche in Hinsicht auf das Prozessergebnis optimiert werden. Herkömmliche Methoden zur optimalen Regelung setzen meist ein Prozessmodell voraus, das gleichzeitig effizient zu berechnen und ausreichend akkurat bezüglich der Aufgabenstellung sein muss. Dies stellt insbesondere bei komplexen nicht-linearen Fertigungsprozessen eine hohe Hürde dar. Ziel der vorliegenden Arbeit ist deshalb die Entwicklung und Untersuchung von modellfreien Methoden, die selbstständig optimale Regelungsstrategien von Fertigungsprozessen in Hinsicht auf die Ergebnisqualität lernen. Die Basis für derartige Methoden findet sich in Bereichen des bestärkenden maschinellen Lernens und der adaptiven dynamischen Programmierung. Zur Erreichung dieses übergreifenden Ziels werden in der Arbeit zwei Problemklassen, (a) die Optimierung von Regelungsstrategien partiell beobachtbarer Fertigungsprozesse (bei denen stellvertretend für den Prozesszustand nur einige, davon abhängige Messgrößen vorliegen) unter variierenden Einflüssen und (b) die Struktur-geleitete Optimierung von Fertigungsprozessen (bei denen die Herstellung einer gegebenen Material-Struktur angestrebt wird) definiert und Methoden des bestärkenden Lernens zur Lösung dieser Problemklassen gegenüber dem Stand der Forschung fortentwickelt und untersucht. Dabei werden weitere besondere Aufgabenstellungen in dem Kontext des übergreifenden Ziels, insbesondere die Entscheidungsoptimierung unter sich ändernden Zielvorgaben und die dateneffiziente Entscheidungsoptimierung bei mehreren äquivalenten Zielen, adressiert. Die entwickelten, generischen Methoden werden für Prozesse der Metallverarbeitung ausgeprägt und in einer virtuellen Surrogat-Umgebung experimentell untersucht. Die physikalische Simulation eines Tiefziehprozesses wird durch Module zur Simulation der variierenden Prozesseinflüsse und der partiellen Beobachtbarkeit erweitert und bildet die Basis der Untersuchungen der Lösungsmethoden für die Problemklasse (a). Die Simulation eines Metall-Bearbeitungsprozesses zur einachsigen Deformation in beliebige Richtungen bildet die Basis der Untersuchungen zur Struktur-geleiteten Optimierung. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methoden im Vergleich zu klassischen Basismethoden. Neben der Leistungsfähigkeit werden die Dateneffizienz und die Robustheit gegenüber Parameterausprägungen der entwickelten Methoden gezeigt und die Auswirkungen einzelner entwickelter Methodenbestandteile auf die Ergebnisse untersucht.