Wydział Elektryczny - Automatyka i robotyka (S1)
Sylabus przedmiotu Sterowanie optymalne i modalne:
Informacje podstawowe
| Kierunek studiów | Automatyka i robotyka | ||
|---|---|---|---|
| Forma studiów | studia stacjonarne | Poziom | pierwszego stopnia |
| Tytuł zawodowy absolwenta | inżynier | ||
| Obszary studiów | nauk technicznych, studiów inżynierskich | ||
| Profil | ogólnoakademicki | ||
| Moduł | — | ||
| Przedmiot | Sterowanie optymalne i modalne | ||
| Specjalność | przedmiot wspólny | ||
| Jednostka prowadząca | Katedra Automatyki Przemysłowej i Robotyki | ||
| Nauczyciel odpowiedzialny | Paweł Dworak <Pawel.Dworak@zut.edu.pl> | ||
| Inni nauczyciele | |||
| ECTS (planowane) | 3,0 | ECTS (formy) | 3,0 |
| Forma zaliczenia | zaliczenie | Język | polski |
| Blok obieralny | — | Grupa obieralna | — |
Formy dydaktyczne
Wymagania wstępne
| KOD | Wymaganie wstępne |
|---|---|
| W-1 | Zaliczone moduły: Matematyka, Metody matematyczne automatyki i robotyki, Podstawy automatyki i robotyki, Sygnały i systemy dynamiczne, Teoria sterowania |
Cele przedmiotu
| KOD | Cel modułu/przedmiotu |
|---|---|
| C-1 | Poznanie związków (zależności analitycznych i numerycznych) pomiędzy opisami liniowych układów dynamicznych (SISO i MIMO) w dziedzinach czasowych i operatorowych. |
| C-2 | Poznanie sposobów wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych (MFD) wymiernych macierzy transmitancji w dziedzinach operatorowych poprzez kanoniczne postacie równań stanu Luenbergera-Brunovsky'ego i Hessenberga oraz na podstawie macierzy transmitancji zadanych w postaci wymiernej. |
| C-3 | Poznanie metod syntezy (klasycznych) układów sterowania optymalnego LQR/LQG i modalnego w dziedzinach czasowych i operatorowych, przy dostępnym i niedostępnym wektorze stanu obiektu. |
| C-4 | Poznanie dynamicznych i statycznych właściwości układów regulacji stałowartościowej, ciągłej i dyskretnej, z użyciem wielowymiarowych regulatorów modalnych i optymalnych LQR/LQG. |
Treści programowe z podziałem na formy zajęć
| KOD | Treść programowa | Godziny |
|---|---|---|
| laboratoria | ||
| T-L-1 | Wyznaczanie wielomianowych opisów ułamkowych układu ciągłego na podstawie kanonicznych postaci różniczkowych równań stanu Luenbergera-Brunovsky'ego i Hessenberga (ANL-c). | 2 |
| T-L-2 | Dyskretyzacja układu ciągłego i wyznaczanie wielomianowych opisów ułamkowych modelu dyskretnego na podstawie kanonicznich postaci różnicowych równań stanu Luenbergera-Brunovsky'ego i Hessenberga (ANL-d). | 4 |
| T-L-3 | Projektowanie i badania układu sterowania optrymalnego z regulatorem ciągłym LQG w ujęciu wielomianowym bez rozwiązywania macierzowego równania wielomianowgo (LQG-c, LQG-cp). | 4 |
| T-L-4 | Projektowanie i badania układu sterowania optrymalnego z regulatorem ciągłym LQG w ujęciu wielomianowym z rozwiązywaniem macierzowego równania wielomianowgo (LQG-cpp). | 4 |
| T-L-5 | Synteza i badania układu sterowania modalnego z regulatorem ciągłym zbudowanym na obserwatorze Luenbergera pełnego rzędu (Mod-c, Mod-cp). | 4 |
| T-L-6 | Synteza i badania układu sterowania modalnego z regulatorem dyskretnym zbudowanym na obserwatorze Luenbergera pełnego rzędu (Mod-dp, Mod-dpe). | 4 |
| T-L-7 | Synteza i badania układów sterowania dead-beat'owego obiektem dyskretnym w podstawowym i dualnym opisie układu z użyciem niestandardowych i standardowych funkcji Polynomial Toolbox for Matlab (Mod-dp, Mod-dpe). | 4 |
| T-L-8 | Badania układów regulacji stałowartościowej z użyciem wcześniej zaprojektowanych regulatorów optymalnych i/lub modalnych (Rs-c,Rs-d). | 4 |
| 30 | ||
| wykłady | ||
| T-W-1 | Opisy liniowych układów dynamicznych z czasem ciągłym i dyskretnym w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych: kanoniczne postacie liniowych równań stanu, wielomianowe postacie ułamkowe (MFD) opisów układów SISO i MIMO oraz ich związki z opisami w przestrzeni stanów, sposoby wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych MFD dla zadanych wymiernych macierzy transmitancji. | 6 |
| T-W-2 | Synteza układów sterowania optymalnego LQR/LQG z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu w dziedzinach operatorowych (w ujęciu wielomianowym); projektowanie (stacjonarnego) filtru Kalmana. Projektowanie układów sterowania modalnego PP (Pole Placement) z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu obiektu w dziedzinach operatorowych (w ujęciu wielomianowym); projektowanie obserwatorów Luenbergera pełnego i zredukowanego rzędu. | 5 |
| T-W-3 | Projektowanie układów dead beat'owych (DB). Zastosowanie regulatorów (kompensatorów) optymalnych LQR/LQG i modalnych w układach regulacji stałowartościowej; kompensacja statycznych odchyłek regulacji stałowartościowej w układzie zamknięto-otwartym. Sterowanie modalne w adaptacyjnych układach regulacji. | 4 |
| 15 | ||
Obciążenie pracą studenta - formy aktywności
| KOD | Forma aktywności | Godziny |
|---|---|---|
| laboratoria | ||
| A-L-1 | Uczestnictwo w zajęciach laboratoryjnych | 30 |
| A-L-2 | Uzupełnianie wiedzy z literatury | 6 |
| A-L-3 | Przygotowanie sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych | 24 |
| 60 | ||
| wykłady | ||
| A-W-1 | Uczestnictwo w wykładach | 15 |
| A-W-2 | Uzupełnianie wiedzy z literatury | 10 |
| A-W-3 | Przygotowanie się do zaliczenia przedmiotu | 5 |
| 30 | ||
Metody nauczania / narzędzia dydaktyczne
| KOD | Metoda nauczania / narzędzie dydaktyczne |
|---|---|
| M-1 | Metody podające: wykład informacyjny, opis, objaśnienie. |
| M-2 | Metody aktywizujące: dyskusja dydaktyczna. |
| M-3 | Metody praktyczne: pokaz, ćwiczenia laboratoryjne, symulacje. |
Sposoby oceny
| KOD | Sposób oceny |
|---|---|
| S-1 | Ocena formująca: ocena wystawiana w trakcie cyklu zajęć laboratoryjnych na podstawie sprawozdań |
| S-2 | Ocena podsumowująca: Ocena wystawiana na zakończenie cyklu ćwiczeń laboratoryjnych na podstawie ocen cząstkowych ze złożonych sprawozdań oraz aktywności i pracy poszczególnych członków zespołu podczas realizacji ćwiczeń. |
Zamierzone efekty kształcenia - wiedza
| Zamierzone efekty kształcenia | Odniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiów | Odniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształcenia | Odniesienie do efektów kształcenia prowadzących do uzyskania tytułu zawodowego inżyniera | Cel przedmiotu | Treści programowe | Metody nauczania | Sposób oceny |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AR_1A_C24_W01 Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego z liniowymi obiektami dynamicznymi. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu. | AR_1A_W06 | T1A_W03, T1A_W04 | — | C-4, C-1, C-3, C-2 | T-W-1, T-W-2, T-L-3, T-L-1, T-L-2, T-L-7, T-L-8, T-L-5 | M-3, M-2 | S-1, S-2 |
Zamierzone efekty kształcenia - umiejętności
| Zamierzone efekty kształcenia | Odniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiów | Odniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształcenia | Odniesienie do efektów kształcenia prowadzących do uzyskania tytułu zawodowego inżyniera | Cel przedmiotu | Treści programowe | Metody nauczania | Sposób oceny |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AR_1A_C24_U01 Umie sformułować zadanie sterowania, zaprojektować wielowymiarowy układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana. | AR_1A_U19 | T1A_U07, T1A_U08, T1A_U09, T1A_U10 | — | C-3, C-2, C-4 | T-L-8, T-L-1, T-W-2, T-L-3, T-W-3, T-L-5 | M-3, M-2 | S-1, S-2 |
Kryterium oceny - wiedza
| Efekt kształcenia | Ocena | Kryterium oceny |
|---|---|---|
| AR_1A_C24_W01 Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego z liniowymi obiektami dynamicznymi. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu. | 2,0 | |
| 3,0 | Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu. | |
| 3,5 | ||
| 4,0 | ||
| 4,5 | ||
| 5,0 |
Kryterium oceny - umiejętności
| Efekt kształcenia | Ocena | Kryterium oceny |
|---|---|---|
| AR_1A_C24_U01 Umie sformułować zadanie sterowania, zaprojektować wielowymiarowy układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana. | 2,0 | |
| 3,0 | Umie sformułować zadanie sterowania optymalnego oraz modalnego, zaprojektować układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana. | |
| 3,5 | ||
| 4,0 | ||
| 4,5 | ||
| 5,0 |
Literatura podstawowa
- Bańka S., Dworak P., Analiza i synteza dynamicznych układów MIMO w ujęciu wielomianowym, Wydawnictwo Uczelniane ZUT w Szczecinie, Szczecin, 2012
Literatura dodatkowa
- Bańka S., Sterowanie wielowymiarowymi układami dynamicznymi. Ujęcie wielomianowe, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, 2007
- Kaczorek T., Wektory i macierze w automatyce i elektrotechnice., Wyd. Naukowe PWN, Warszawa, 1998