Projektowanie układów regulacji
Informacje ogólne
Kod przedmiotu: | WMTAPCSM-PURE |
Kod Erasmus / ISCED: | (brak danych) / (brak danych) |
Nazwa przedmiotu: | Projektowanie układów regulacji |
Jednostka: | Wydział Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa |
Grupy: | |
Punkty ECTS i inne: |
(brak)
|
Język prowadzenia: | polski |
Forma studiów: | stacjonarne |
Rodzaj studiów: | II stopnia |
Rodzaj przedmiotu: | obowiązkowy |
Forma zajęć liczba godzin/rygor: | W 40/E, C 20/+, L 18/+, Pr 12/+ razem: 90 godz |
Przedmioty wprowadzające: | 1. Systemy mechatroniczne/ wymagania wstępne - zrealizowane elementy analizy i metodyki projektowania, uruchamiania i testowania napędów w układach automatyki. 2. Informatyka w zastosowaniach/ wymagania wstępne – zrealizowane elementy analizy i projektowania, uruchamiania i testowania aplikacji pomiarów, filtracji i sterowania. |
Programy: | Semestr II / kierunek Mechatronika / specjalność: robotyka i automatyka przemysłowa |
Autor: | Dr inż. Marek Jaworowicz |
Bilans ECTS: | aktywność / obciążenie studenta w godz. 1. Udział w wykładach / 40 2. Udział w laboratoriach / 18 3. Udział w ćwiczeniach / 20 4. Udział w seminariach / 0 5. Udział w zajęciach z projektu / 12 6. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 15 7. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów / 27 8. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń / 18 9. Samodzielne przygotowanie do seminarium /0 10. Realizacja samodzielna projektu / 48 11. Udział w konsultacjach / 8 12. Przygotowanie do egzaminu / 0 13. Przygotowanie do zaliczenia / 0 14. Udział w egzaminie / 2 Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 184godz./ 6.0 ECTS Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+5+11+14): 98godz./ 1,5ECTS Zajęcia o charakterze praktycznym (2+5+10) 78godz./ 1,0 ECTS Zajęcia powiązane z działalnością naukową/ 3.5ECTS |
Skrócony opis: |
Moduł obejmuje zagadnienia związane z analizą, projektowaniem i implementacją analogowych i cyfrowych algorytmów sterowania w układach regulacji DCS oraz w strukturach regulacji adaptacyjnej. Studenci zapoznają się min. z metodami projektowania liniowych estymatorów RLS, WRLS oraz filtru Kalmana i ich implementacji w napędach elektrycznych robotów oraz w układach regulacji procesami przemysłowymi. Uzyskane rozwiązania po symulacji w środowisku Matlab/ C++ są implementowane w torze sygnałowym fizycznego układu regulacji w ramach projektu. |
Pełny opis: |
Wykłady /metody dydaktyczne 1. Analiza warstwowej i rozproszonej struktury sterowania i regulacji parametrów maszyn i procesów przemysłowych. Warstwy: jakości i bezpieczeństwa z procesami sterowania i regulacji – ERP, MCS, DCC, DCS / 2 / Zagadnienie obejmuje aspekty umiejscowienia i rolę sterowania/regulacji w strukturze Przemysłu 3.0 oraz Przemysłu 4.0. 2. Sformułowanie zadania projektowania regulatorów, algorytmy postępowania projektowego, uwarunkowania technologiczne i realizacji technicznej. Metody i narzędzia projektowania mechatronicznego regulatorów / 2/. Zagadnienia obejmują interdyscyplinarne aspekty projektowania układów sterowania – z punktu widzenia managera, technologa i automatyka. 3. Opracowanie modelu procesu przemysłowego/obiektu i sformułowanie modelu układu zamkniętego (MUZ) i jego postacie obliczeniowe. Projektowanie regulatora w SISO_Design_Tool – modele parametryczne i ich modele implementacyjne / 4. Zagadnienie obejmuje postaci modeli matematycznych UZ wykorzystywanych w procedurach matematycznych projektowania. 4. Projektowanie metodą lokowania biegunów – człony korekcyjne. Projektowanie w oparciu o charakterystyki Bode’go. Przykłady obliczeniowe dla napędów i procesów technologicznych. Implementacja algorytmów w Matlab/C++ / 4 /. Zagadnienie obejmuje metodyki projektowania UR w oparciu o charakterystyki częstotliwościowe i ich wpływ na własności UR. 5. Projektowanie regulatorów od stanu z kryterium liniowo-kwadratowym LQ i H2. Numeryczne metody rozwiązania równania Riccatiego. Rozwiązania z obserwatorami stanu. Implementacja algorytmów w Maltlab/C++ / 4. Zagadnienie obejmuje metodykę projektowania dyskretnych regulatorów LQ. 6. Projektowanie regulatorów metodą wielomianową, regulator ściśle właściwy jako regulator PID. Regulator śledzący RST, jako regulator uogólniony / 4/. Zagadnienie obejmuje metodykę projektowania regulatorów z kompensacją dynamiki obiektu i zakłóceń oraz śledzeniem zmian wejścia układu. 7. Istota, cele i klasyfikacja układów regulacji adaptacyjnej. Układy z programowalnymi zmianami parametrów regulatora. Układy z identyfikacją modelu. Regulator odporny typu Robust w strukturze MBC. / 4. Zagadnienia obejmują schematy strukturalne i algorytmy numeryczne dla zadanych modeli obiektu. 8. Uogólnione modele i klasy dyskretne obiektów, sygnałów i zakłóceń stosowanych w identyfikacji obiektów i projektowaniu regulatorów adaptacyjnych. Modele parametryczne i estymacja parametryczna w identyfikacji układów liniowych / 4. Zagadnienia obejmują modele matematyczne ARX i ARMAX. 9. Modele i algorytmy estymatorów RLS i WRLS. Przykłady – estymacja parametrów i zmiennych stanu układu / 2. Zagadnienie obejmuje wyprowadzenie modeli matematycznych algorytmów liniowych RLS i WRLS. 10. Algorytm matematyczny i numeryczny liniowego, dyskretnego filtru Kalmana / 4. Zagadnienie obejmuje wyprowadzenie i analizę algorytmu. 11. Projektowanie regulatorów od stanu z kryterium liniowo-kwadratowym LQG i filtrem Kalmana. Implementacja algorytmów w Matlab/ C++ / 2. Zagadnienie obejmuje aspekt implementacji filtru Kalmana w układzie regulacji LQG. 12. Projektowanie regulatorów predykcyjnych, algorytmy RST, DMC i GPC. Implementacja algorytmów w Matlab/C++ / 4. Zagadnienie obejmuje analizę modeli matematycznych regulacji RST, DMC i GPC. Ćwiczenia /metoda praktyczna, metody numeryczne, programowanie 1. Wyznaczanie obliczeniowych modeli dynamiki obiektu i analiza ich właściwości w dziedzinach – czasu i częstotliwości / 2/. Studenci opracowują modele numeryczne i analizują własności członów na podstawie otrzymanych z symulacji charakterystyk stanów – przejściowego i ustalonego. 2. Wyznaczanie obliczeniowych modeli liniowych układu otwartego i zamkniętego wyznaczających wymagane własności układu regulacji / 2/. Studenci opracowują modele numeryczne powyższych modeli o wymaganej dynamice i badają ich charakterystyki stanu przejściowego i ustalone-go. 3. Wyznaczanie obliczeniowych modeli członów przyspieszających i opóźniających fazę i analiza ich właściwości dynamicznych w dziedzinie częstotliwości /2 /. Studenci opracowują modele numeryczne liniowych członów korekcyjnych i analizują ich własności na podstawie wyznaczonych charakterystyk stanu przejściowego i ustalonego. 4. Wyznaczenie i analiza postaci obliczeniowych modeli układu regulacji z kompensatorem i obiektem o zmiennej dynamice. Analiza pliku obliczeniowego w Matlab – analiza odporności regulacji na zmienność dynamiki obiektu/ 4/. Studenci opracowują modele numeryczne i analizują własności regulacji na podstawie otrzymanych z symulacji charakterystyk. 5. Obliczanie regulatora od stanu metodą lokowania biegunów dla serwomechanizmu DC. Analiza pliku obliczeniowego w Matlab / 4/. Studenci opracowują modele numeryczne i analizują własności regulacji na podstawie otrzymanych z symulacji charakterystyk. 6. Badanie modeli numerycznych liniowych estymatorów RLS i WRLS /2 /. Studenci badają opracowane modele numeryczne w Matlab. Zaliczenie ćwiczenia w j. angielskim. 7. Opracowanie i testowanie aplikacji dyskretnego filtru Kalmana dla wybranej dynamiki procesu i modeli zakłóceń. Zaliczenie ćwiczenia w j. angielskim. Implementacja i testy filtra w Matlab/C++ / 4. Laboratoria /metoda praktyczna 1. Projekt regulatora PID_D w oparciu o model analogowy, dla zadanych warunków końcowych i czasu regulacji, dla napędu prędkościowego DC. Implementacja regulatora w Matlab/C++ / 4. 2 Projekt metodą wielomianową dyskretnego regulatora liniowego dla napędu prędkościowego DC. Testowanie i analiza warunków regulacji. Implementacja regulatora w Matlab/C++ / 3. 3. Projekt i testowanie aplikacji estymatorów RLS i WRLS dla zadanego modelu dynamiki napędu prędkościowego i charakterystyk zakłóceń. Implementacja regulatora w Matlab/C++ / 3. 4. Projekt regulatora LQ z obserwatorem/filtrem Kalmana w warunkach zakłóceń procesu i pomiaru, dla napędu robota przemysłowego. Analiza pliku obliczeniowego w Matlab / 4/. Studenci opracowują modele numeryczne i analizują własności regulacji na podstawie otrzymanych z symulacji charakterystyk. Zaliczenie zadania w j. angielskim. 5. Projekt regulatora predykcyjnego DMC dla obiektu o znanej dynamice. Implementacja regulatora w Matlab/C++ / 4. Projekt grupowy/ metoda numeryczno-praktyczna 1. Opracowanie wymagań i założeń do projektu stanowiska mechatronicznego z regulacją PID oraz estymacją Kalmana / 6. Studenci opracowują założenia funkcjonalne i konstrukcyjne na wykonanie modelu fizycznego stanowiska. 2. Projekt i implementacja regulatora od stanu z liniowym filtrem Kalmana z modelami fizycznymi procesu regulacji i zakłóceń. Implementacja regulatora na platformie sprzętowej i testy modelu fizycznego stanowiska / 6. Studenci wykonują model fizyczny stanowiska, uruchamiają go i wykonują opracowany autorski program testów. |
Literatura: |
Podstawowa: 1. J. Brzózka: Ćwiczenia z automatyki w Matlabie i Simulinku, WNT. 2. W. Grega: Metody i algorytmy sterowania cyfrowego w układach scentralizowanych i rozproszonych, Oficyna Wyd. AGH. 3. W. Koziński: Projektowanie regulatorów. Wybrane metody klasyczne i optymalizacyjne, WPW. 4. T. P. Zieliński: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, WKiŁ, Warszawa 2005r. 5. M. Szymkat: Komputerowe wspomaganie w projektowaniu układów re-gulacji, WNT. 6. M. Jaworowicz: materiały własne do wykładu i ćwiczeń; 7. MathWorks: pliki prezentacyjne video; Uzupełniająca: 7. P.Tatjewski: Sterowanie zaawansowane obiektów przemysłowych, AOW-EXIT. 8. J. Przepiórkowski: Silniki elektryczne w praktyce elektronika, BTC.…………………………………… |
Efekty uczenia się: |
Symbol i nr efektu modułu / efekt kształcenia / odniesienie do efektu kierunkowego W1 / Zna i rozumie uwarunkowania strukturalne i funkcjonalne do zastosowania odpowiednich sposobów sterowania i rodzajów regulatorów w układach mechatronicznych /Posiada ugruntowaną wiedzę z podstaw metodyki doboru i obliczania nastaw regulatorów liniowych dla napędu elektrycznego robota oraz zastosowania narzędzi informatycznych w projektowaniu układów regulacji i właściwie interpretuje powyższą problematykę w zagadnieniach ich integracji, uruchamiania oraz użytkowania i modernizowania/ K_W01, K_W03, K_W04 U1 / na podstawie danych literaturowych oraz sformułowanego zadania syntezy regulatora i struktury układu regulacji, potrafi zastosować właściwe metody i narzędzia numeryczne do projektu i analizy algorytmu sterowania adaptacyjnego i jego implementacji na platformie mikrokontrolera oraz potrafi opracować dokumentację projektową części sprzętowej i pro-gramowej/ K_U01, K_U03, K_U07 oraz K_U12, K_U13, K_U15, K_U16 K3 / potrafi włączyć swoje kompetencje do struktury zespołu, realizującego projekt i wdrożenie; potrafi pełnić rolę konsultanta wdrożeniowego we współpracy z firmą zlecającą. |
Metody i kryteria oceniania: |
Przedmiot zaliczany jest na podstawie: egzaminu Ćwiczenia zaliczane są na podstawie: opracowanych i uruchomionych programów w Matlab oraz sformułowanych wniosków ilościowych i jakościowych po przeprowadzeniu symulacji. Ćwiczenia laboratoryjne zaliczane są na podstawie: opracowanych sprawozdań z zadań tekstowych odnoszących się do problematyki laboratoriów. Zaliczenie przedmiotu jest prowadzone w formie egzaminu ustnego, z pytaniami otwartymi i zagadnieniami dotyczącymi zadań tekstowych. Do każdego zadania są formułowane 3 pytania, dotyczące: 1) sformułowania problemu i warunków brzegowych 2) modeli matematycznych obiektów i układów, obliczanych analitycznie 3) interpretacji wyników symulacji i warunków implementacji rozwiązań Warunkiem dopuszczenia do egzaminu/zaliczenia jest zaliczenie ćwiczeń i laboratoriów Osiągnięcie efektów K_W01/03/04- weryfikowane jest na podstawie zaliczania zadań ćwiczeniowych w Matlab. Osiągnięcie efektów K_U01/03/07 oraz K_U12/13/15/16- sprawdzane jest podczas realizacji projektu grupowego, wykonywania ćwiczeń laboratoryjnych oraz egzaminu. Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student, który odpowie wyczerpująco na 3 pytania egzaminacyjne, w tym, zweryfikuje wyniki otrzymane analitycznie i numerycznie w języku angielskim. Ocenę dobrą plus otrzymuje student, który odpowie wyczerpująco na 3 pytania egzaminacyjne, ale nie zweryfikuje wszystkich wyników otrzymanych analitycznie w języku angielskim. Ocenę dobrą otrzymuje student, który odpowie wyczerpująco na 2 pytania egzaminacyjne oraz zweryfikuje wyniki otrzymane analitycznie oraz numeryczne. Ocenę dostateczną plus otrzymuje student, który odpowie na 2 pytania egzaminacyjne oraz zweryfikuje wyniki otrzymane numerycznie. Ocenę dostateczną otrzymuje student, który odpowie na 2 pytania egzaminacyjne oraz zweryfikuje wyniki otrzymane numerycznie do jednego pytania. |
Praktyki zawodowe: |
nie dotyczy |
Właścicielem praw autorskich jest Wojskowa Akademia Techniczna.