450-4018/01 – Navrhování a realizace regulátorů (NRR)
| Garantující katedra | Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství | Kredity | 4 |
| Garant předmětu | doc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D. | Garant verze předmětu | doc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | volitelný odborný |
| Ročník | 2 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2010/2011 | Rok zrušení | |
| Určeno pro fakulty | FEI | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
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:
Doporučená literatura:
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
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
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky