450-4018/01 – Navrhování a realizace regulátorů (NRR)

Garantující katedraKatedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvíKredity4
Garant předmětudoc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D.Garant verze předmětudoc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinně volitelný
Ročník2Semestrzimní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2010/2011Rok zrušení
Určeno pro fakultyFEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
DOC0021 Ing. Tomáš Dočekal
OZA77 doc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+2
kombinovaná Zápočet a zkouška 2+12

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Cílem předmětu je seznámit posluchače podrobněji s problematikou návrhu různých typů regulátorů a jejich diskrétní realizací na programovatelných automatech a vestavěných řídicích systémech. Studenti na základě zadaného samostatného projektu prokáží své schopnosti návrhnout a realizovat různé typy regulátorů na praktické úloze. Svou náplní je předmět vhodný i pro posluchače jiných oborů a fakult, pokud se hodlají seznámit s problematikou návrhu a realizace regulátorů podrobněji. Návrh regulátorů pomocí klasických metod i moderní teorie řízení. Realizace na různých HW platformách.

Vyučovací metody

Přednášky
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři
Projekt

Anotace

Posluchači si rozšíří znalosti jednak z oblasti teorie návrhu regulátorů a také se seznámí s jejich realizací pomocí moderních prostředků výpočetní techniky na vybraných platformách. Postupně se seznámí s jednotlivými typy regulátorů a jejich funkci si ověří simulačně na modelu na osobním počítači. Praktické ověření pak bude realizováno na laboratorní úloze. Studenti se seznámí s diskrétní realizací regulátorů typu PID. Dále se budou zabývat návrhem optimálního regulátoru a jeho diskrétní realizaci. Rovněž se v kurzu seznámí s návrhem robustního regulátoru, se samonastavujícími se regulátory a s problematikou adaptivního, robustního a prediktivního řízení.

Povinná literatura:

[1] Gopal, M. Modern Control System Theory. Wiley,2nd edition, 1993. ISBN 978-0470221570. [2] Ožana,Š.: Navrhování a realizace regulátorů. Učební text. VŠB-TUO, FEI, 2012. [3] Roubal,J., Pekař,J., Pachner,D., Havlena,V.: Moderní teorie řízení - Cvičení. Skripta ČVUT, FEL 2005. [4] Havlena, V., Štecha,J.: Moderní teorie řízení. Skripta ČVUT, FEL 2000. [5] Bobál, V. (1999). Praktické aspekty samočinně se nastavujících regulátorů : algoritmy a implementace. Brno, VUTIUM.

Doporučená literatura:

[1] Bubnicki, Z. Modern Control Theory. Springer, 2005 edition. 2005. ISBN 978-3540239512. [2] Shinners, S.M. Advanced Modern Control System Theory and Design. John Wiley and Sons Ltd.1998. ISBN 9780471318576 [3]Bobál,V. a kol.: Praktické aspekty samočinně se nastavujících regulátorů. Brno, VUT Brno 1999. [4]Šimandl,M.: Adaptivní systémy. Plzeň, ZČU Plzeň 1993 [5] Honec,J.: Teorie automatického řízení III. VUT Brno,1991.

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

Zápočet: student je klasifikován na základě 1 testu, za 9-25 bodů, a samostatného projektu za 1-10 bodů (absolvování testu i odevzdání projektu jsou podmínkami pro uzavření předmětu). Projekt se odevzdává elektronicky prostřednictvím elektronické pošty, nejpozději do konce zápočtového týdne. Zápočet od 14.týdne. Podmínkou udělení zápočtu je dosažení min. 10 bodů, max. lze získat 35 bodů. Dále je nutno splnit 80% docházky cvičení. Zkouška: Sestává z písemné a ústní části. Písemná část obsahuje teoretickou část 5-20 bodů a praktickou část 10-35 bodů, celkem 15–55 bodů. Ústní část je hodnocena 1-10 body. Všechny tři části zkoušky povinné, minimum ústní části 1b. Celkové hodnocení 51-100 bodů dle studijního řádu.

E-learning

Další požadavky na studenta

Student musí být schopen prokázat, že projekt zpracoval samostatně. Zápočtový test, teoretická i praktická část zkoušky musí být zpracována samostatně, porušení zásady může být důvodem pro neúspěšné vykonání příslušné části. Není-li řečeno jinak, k výuce se používá pouze výpočetní technika přítomná v učebně, a to výhradně programy týkající se výuky. Detailní pravidla pro konkrétní učebnu jsou dány zásadami práce v laboratoři, které jsou vyvěšeny u vstupu do učebny.

Prerekvizity

Kód předmětuZkratkaNázevPovinnost
450-4001 RS Regulační systémy Doporučená

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

Přednášky: 1. Úvod. Vymezení problematiky a rozsahu předmětu, návaznosti. 2. Technické prostředky pro řízení. Přehled, vlastnosti. 3. Programové prostředky pro řízení. Přehled, vlastnosti. 4. Speciální techniky RT modelování. Simulátory MIL, SIL, PIL, HIL. 5. Moderní přístupy k návrhům řídicích systémů. Model-based design. Virtuální a vzdálené laboratoře. 6. Úvod do moderní teorie řízení. Přehled, kategorizace a historický vývoj algoritmů. 7. Metody a výpočetní nástroje pro výpočet přípustných řízení a stavových trajektorií nelineárních systémů. Přechod k řešení úlohy optimálního řízení v otevřené a uzavřené smyčce. 8. Regulace typu LQR a LQG. 9. Adaptivní metody regulace. 10. Prediktivní regulace. 11. Robustní algoritmy. Robustní regulátor typu PID. Metoda H-nekonečno. 12. Komplexní prezentace vybraného řídicího systému. 13. Případová studie I. Návrh a realizace vybrané metody moderní teorie řízení pro danou regulovanou soustavu. Identifikace regulované soustavy, návrh vhodného regulátoru. 14. Případová studie II. Realizace vybraného regulátoru na zvolené platformě, vizualizace, krátkodobé a dlouhodobé trendy. Cvičení: 1. Úvod, bezpečnost, seznámení s mikrokontrolérem Arduino a softwarovým prostředím Arduino IDE – vstupy a výstupy digitální, analogové, sériová linka (odesílání a příjem), příklady a testování v rámci Arduino UNO. 2. Opakování metod syntézy spojitých regulátorů na příkladech, výpočty, testování a simulace v Matlabu, metody Ziegler-Nichols, Optimální modul, frekvenční charakteristiky, optimalizační metody. 3. Statická charakteristika soustavy, měření na motoru – práce s enkodérem, fyzikální popis soustavy (vstupní a výstupní veličiny, rozsahy). Dynamická charakteristika, měření na motoru, záznam přechodové charakteristiky – laboratorní úloha. 4. Identifikace soustavy z přechodové charakteristiky (nástroj Ident v Matlabu), návrh regulátoru vybranou metodou spojité syntézy, simulace a zhodnocení vlivu omezení akčního zásahu na reálné soustavě – laboratorní úloha. 5. Převod regulátoru do diskrétní oblasti, odvození rovnic přes ZOBD, zápis v Arduino IDE v podobě diskrétní rovnice v časové oblasti – laboratorní úloha. 6. Samostatná práce – identifikace soustavy, návrh regulátoru metodou optimálního modulu, realizace a porovnání se simulací – laboratorní úloha. 7. Wind-up efekt, beznárazové přepínání, regulace polohy – identifikace soustavy, návrh regulátoru a testování, zhodnocení výsledků – laboratorní úloha. 8. Regulace polohy se započtením nelineárního charakteru soustavy s motorem, Hammersteinův model – laboratorní úloha. 9. Rozvětvená regulace, regulace polohy, rychlosti, zrychlení, návrh, realizace, porovnání výsledků – laboratorní úloha. 10. Diskrétní regulátory – algebraický návrh, popis, odvození, simulace, testování, vliv periody vzorkování, omezení akčního zásahu – laboratorní úloha. 11. Řídicí systém REX a RPi + Arduino: seznámení s prostředím, práce, realizace některého z dříve navržených regulátorů, porovnání způsobu realizace v prostředí řídicího systému REX a v prostředí Arduino IDE. 12. Řídicí systém REX: samonastavující se regulátory, archivační a vizualizační možnosti. 13. Řídicí systém REX: realizace stavového regulátoru LQR/LQG. 14. Zápočet. Projekty: Každý student dostane zadán v průběhu semestru jeden samostatný projekt, který zpracuje s využitím výpočetní techniky dle zadání. Časová náročnost cca 20 hodin. Název projektu: Návrh a realizace regulátorů - případová studie.

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2010/2011 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 35 (35) 10
                Test Jiný typ úlohy 25  9
                Projekt Projekt 10  1
        Zkouška Zkouška 65 (65) 16
                Teoretická část Jiný typ úlohy 20  5
                Praktická část Jiný typ úlohy 35  10
                Ústní zkouška Ústní zkouška 10  1
Rozsah povinné účasti: 80% účast na cvičeních

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.FormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2019/2020 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2661) Projektování elektrických systémů a technologií P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N2661) Projektování elektrických systémů a technologií K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2019/2020 (N0688A140014) Průmysl 4.0 P čeština Ostrava 2 povinně volitelný typu B stu. plán
2018/2019 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2661) Projektování elektrických systémů a technologií P čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2018/2019 (N2661) Projektování elektrických systémů a technologií K čeština Ostrava 1 volitelný odborný stu. plán
2017/2018 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2017/2018 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2016/2017 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2016/2017 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2014/2015 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2013/2014 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2012/2013 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2011/2012 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 2 volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 2 povinně volitelný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T025) Informatika a výpočetní technika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2649) Elektrotechnika (2601R004) Měřicí a řídicí technika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2649) Elektrotechnika (2602R014) Aplikovaná a komerční elektronika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2649) Elektrotechnika (3901R039) Biomedicínský technik (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2649) Elektrotechnika (3907R001) Elektroenergetika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2647) Informační a komunikační technologie (1103R031) Výpočetní matematika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2647) Informační a komunikační technologie (2601R013) Telekomunikační technika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2647) Informační a komunikační technologie (2612R025) Informatika a výpočetní technika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (B2647) Informační a komunikační technologie (2612R059) Mobilní technologie (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (1103T031) Výpočetní matematika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2601T013) Telekomunikační technika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2647) Informační a komunikační technologie (2612T059) Mobilní technologie (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (2612T015) Elektronika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (3901T009) Biomedicínské inženýrství (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (3907T001) Elektroenergetika (01) Exchange Students P čeština Ostrava volitelný odborný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku
V - ECTS - mgr. 2011/2012 prezenční čeština volitelný odborný 401 - Studijní oddělení FEI stu. blok