Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Wielowymiarowe systemy sterowania
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
RAIR-2-103-AM-s
Wydział:
Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
Automatyka i metrologia
Kierunek:
Automatyka i Robotyka
Semestr:
1
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
dr inż. Grzybek Dariusz (dariusz.grzybek@agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

Moduł obejmuje zagadnienia związane z modelowaniem wielowymiarowych obiektów dynamicznych w przestrzeni stanów oraz syntezą wielowymiarowych układów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu. Studenci uczą się: modelować wielowymiarowe obiekty dynamiczne w przestrzeni stanów, wyznaczać charakterystyki stabilności, sterowalności i obserwowalności wielowymiarowych obiektów, przeprowadzać syntezę wielowymiarowych układów sterowania zarówno bez obserwacji jak i z obserwacją wektora stanu.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
M_W001 ma wiedzę w zakresie opisu matematycznego liniowych i nieliniowych wielowymiarowych układów dynamicznych w przestrzeni stanów oraz w zakresie analizy macierzowej tych układów AIR2A_W05, AIR2A_W04 Egzamin,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
M_W002 ma wiedzę w zakresie badania stabilności, sterowalności i obserwowalności wielowymiarowych układów oraz w zakresie sterowania modalnego wielowymiarowymi układami AIR2A_W05, AIR2A_W04 Egzamin,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
M_W003 ma wiedzę w zakresie estymacji wektora stanu oraz w zakresie sterowania optymalnego układami wielowymiarowymi AIR2A_W05, AIR2A_W04 Egzamin,
Kolokwium,
Aktywność na zajęciach
Umiejętności: potrafi
M_U001 potrafi modelować liniowe i nieliniowe wielowymiarowe układy mechaniczne, elektryczne i płynowe w przestrzeni stanów oraz umie badać stabilność, sterowalność i obserwowalność układów wielowymiarowych AIR2A_U05, AIR2A_U06 Kolokwium,
Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Projekt
M_U002 potrafi przeprowadzić syntezę wielowymiarowych układów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu oraz przeprowadzić estymację wektora stanu z wykorzystaniem obserwatora Luenbergera lub z wykorzystaniem filtru Kalmana AIR2A_U05, AIR2A_U06 Kolokwium,
Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Projekt
M_U003 potrafi przeprowadzić syntezę wielowymiarowego układu sterowania optymalnego z regulatorem LQR lub z regulatorem LQG AIR2A_U05, AIR2A_U06 Kolokwium,
Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Projekt
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 potrafi pracować w grupie, wspólnie wyznaczać cele pracy, dokonać podziału obowiązków, przekazywać wiedzę w celu osiągnięcia wspólnie wyznaczonego celu AIR2A_K01 Aktywność na zajęciach,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych,
Zaangażowanie w pracę zespołu
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
75 30 0 30 15 0 0 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
M_W001 ma wiedzę w zakresie opisu matematycznego liniowych i nieliniowych wielowymiarowych układów dynamicznych w przestrzeni stanów oraz w zakresie analizy macierzowej tych układów + - + + - - - - - - -
M_W002 ma wiedzę w zakresie badania stabilności, sterowalności i obserwowalności wielowymiarowych układów oraz w zakresie sterowania modalnego wielowymiarowymi układami + - + + - - - - - - -
M_W003 ma wiedzę w zakresie estymacji wektora stanu oraz w zakresie sterowania optymalnego układami wielowymiarowymi + - + + - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 potrafi modelować liniowe i nieliniowe wielowymiarowe układy mechaniczne, elektryczne i płynowe w przestrzeni stanów oraz umie badać stabilność, sterowalność i obserwowalność układów wielowymiarowych - - + + - - - - - - -
M_U002 potrafi przeprowadzić syntezę wielowymiarowych układów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu oraz przeprowadzić estymację wektora stanu z wykorzystaniem obserwatora Luenbergera lub z wykorzystaniem filtru Kalmana - - + + - - - - - - -
M_U003 potrafi przeprowadzić syntezę wielowymiarowego układu sterowania optymalnego z regulatorem LQR lub z regulatorem LQG - - + + - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 potrafi pracować w grupie, wspólnie wyznaczać cele pracy, dokonać podziału obowiązków, przekazywać wiedzę w celu osiągnięcia wspólnie wyznaczonego celu - - + + - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 173 godz
Punkty ECTS za moduł 6 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 75 godz
Przygotowanie do zajęć 18 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 18 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 60 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (30h):
  1. Struktura opisu matematycznego wielowymiarowych układów sterowania w przestrzeni stanów.
  2. Modelowanie liniowych i nieliniowych wielowymiarowych układów dynamicznych w przestrzeni stanów.
  3. Badanie bezpośrednią i pośrednią metodą Lapunowa stabilności nieliniowych wielowymiarowych układów dynamicznych opisanych w przestrzeni stanów.
  4. Analiza macierzowa wielowymiarowych układów dynamicznych opisanych równaniami stanu.
  5. Dekompozycja modalna wielowymiarowych układów dynamicznych.
  6. Metody rozwiązywania równań stanu.
  7. Sterowalność wielowymiarowych układów dynamicznych.
  8. Obserwowalność wielowymiarowych układów dynamicznych.
  9. Sterowanie modalne w układach o jednym oraz o wielu wejściach.
  10. Wielowymiarowe układy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu i członem całkującym.
  11. Metody obserwacji stanu: obserwatory Luenbergera, optymalny filtr Kalmana.
  12. Wielowymiarowe układy sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu i z obserwatorem Luenbergera pełnego i zredukowanego rzędu.
  13. Sterowanie optymalne z kwadratowym wskaźnikiem jakości.
  14. Wielowymiarowe układy sterowania optymalnego z regulatorem LQR.
  15. Wielowymiarowe układy sterowania optymalnego z regulatorem LQG.
Ćwiczenia laboratoryjne (30h):
  1. Modelowanie liniowych wielowymiarowych układów mechanicznych i elektrycznych w przestrzeni stanów.
  2. Modelowanie nieliniowych wielowymiarowych układów płynowych w przestrzeni stanów.
  3. Badanie sterowalności wielowymiarowych układów mechanicznych, elektrycznych i płynowych.
  4. Badanie obserwowalności wielowymiarowych układów mechanicznych, elektrycznych i płynowych.
  5. Synteza i analiza wielowymiarowego układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu.
  6. Synteza i analiza wielowymiarowego układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu i członem całkującym.
  7. Synteza i analiza wielowymiarowego układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu i obserwatorem Luenbergera pełnego rzędu.
  8. Synteza i analiza wielowymiarowego układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu i z obserwatorem Luenbergera zredukowanego rzędu.
  9. Synteza i analiza wielowymiarowego układu sterowania optymalnego z regulatorem LQR.
  10. Synteza i analiza wielowymiarowego układu sterowania optymalnego z regulatorem LQG.
Ćwiczenia projektowe (15h):
  1. Opracowanie nieliniowego matematycznego modelu układu hydrostatycznego.
  2. Badanie stabilności układu hydrostatycznego pośrednią i bezpośrednią metodą Lapunowa na podstawie nieliniowego modelu matematycznego.
  3. Badanie sterowalności i obserwowalności układu hydrostatycznego na podstawie zlinearyzowanego modelu matematycznego.
  4. Synteza układów sterowania ze sprzężeniem zwrotnym od stanu układem hydrostatycznym: układ bez obserwatora stanu, układ z obserwatorem stanu.
  5. Synteza układów sterowania optymalnego układem hydrostatycznym: układ z regulatorem LQR, układ z regulatorem LQG.
Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym.
  • Ćwiczenia laboratoryjne: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki miały wysoką wartość merytoryczną.
  • Ćwiczenia projektowe: W trakcie zajęć projektowych studenci w pracowni komputerowej samodzielnie wykonują projekt wielowymiarowego systemu sterowania układem hydrostatycznym. Projekt podzielony jest na pięć wyodrębnionych tematycznie etapów. Prowadzący konsultuje na bieżąco wykonywane w trakcie zajęć kolejne etapy projektu.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Ćwiczenia laboratoryjne:
- student uzyskuje pozytywną ocenę jeśli spełni jednocześnie trzy warunki: był na wszystkich ćwiczeniach laboratoryjnych (dopuszczalne są tylko nieobecności usprawiedliwione), otrzymał pozytywne oceny z wszystkich pisemnych kolokwiów cząstkowych (po jednym z każdego ćwiczenia laboratoryjnego), otrzymał zaliczenie sprawozdania z każdego z ćwiczeń laboratoryjnych,
- w przypadku uzyskania oceny niedostatecznej z jednego lub większej liczby kolokwiów cząstkowych, student ma prawo do poprawy oceny niedostatecznej. W przypadku uzyskania oceny niedostatecznej z poprawy student ma prawo do drugiej poprawy oceny niedostatecznej z kolokwium cząstkowego. Termin poprawy lub popraw oceny niedostatecznej ustala prowadzący moduł,
- ocena na zaliczenie jest to średnia arytmetyczna ocen z wszystkich pisemnych kolokwiów cząstkowych oraz popraw ocen niedostatecznych.

Ćwiczenia projektowe:
- ocena na zaliczenie jest to ocena wykonanego projektu systemu sterowania układem hydrostatycznym,
- w przypadku uzyskania oceny niedostatecznej z projektu, student ma prawo do poprawy projektu i ponownej jego oceny. W przypadku uzyskania oceny niedostatecznej z poprawionego projektu, student ma prawo do drugiej poprawy projektu. Termin oddawania projektu, termin pierwszej poprawy projektu oraz termin drugiej drugiej poprawy projektu ustala prowadzący moduł.

Egzamin:
- warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest uzyskanie oceny pozytywnej z ćwiczeń laboratoryjnych oraz oceny pozytywnej z ćwiczeń projektowych.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane kolokwium w formie ustnej lub pisemnej. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie zaprezentowania rozwiązania postawionego problemu. Zaliczenie modułu jest możliwe po zaliczeniu wszystkich zajęć laboratoryjnych.
  • Ćwiczenia projektowe:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci wykonują w zespołach 3-osobowych projekt wielowymiarowego systemu sterowania układem hydrostatycznym zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie oceny wykonanego projektu.
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena końcowa jest średnią ważoną, która jest wyliczana w następujący sposób:
OK = 0,4 x OE + 0,4 x OL + 0,2 x OP
oznaczenia:
OK – ocena końcowa,
OE – ocena z egzaminu,
OL – ocena z ćwiczeń laboratoryjnych,
OP – ocena z ćwiczeń projektowych.
Ocena końcowa jest pozytywna tylko w przypadku gdy oceny z wszystkich form zajęć (ocena z egzaminu, ocena z ćwiczeń laboratoryjnych, ocena z ćwiczeń projektowych) są pozytywne.

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

Ćwiczenia laboratoryjne:
- student wyrównuje zaległości powstałe wskutek usprawiedliwionej nieobecności poprzez wykonanie praktycznego zadania związanego z tematyką opuszczonych zajęć.

Ćwiczenia projektowe:
- student wyrównuje zaległości powstałe wskutek usprawiedliwionej nieobecności poprzez wykonanie samodzielne wykonanie części projektu, która była realizowana na opuszczonych zajęciach.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

1. Rachunek macierzowy w zakresie realizowanym na studiach inżynierskich na kierunku Automatyka i Robotyka.
2. Przekształcenie Laplace’a w zakresie realizowanym w ramach przedmiotu Podstawy Automatyki na studiach inżynierskich na kierunku Automatyka i Robotyka.
3. Teoria sterowania liniowych układów jednowymiarowych w zakresie realizowanym na studiach inżynierskich na kierunku Automatyka i Robotyka.
4. Umiejętność wykorzystania pakietu MATLAB/Simulink do modelowania układów dynamicznych w zakresie realizowanym w ramach przedmiotu Podstawy Automatyki na studiach inżynierskich na kierunku Automatyka i Robotyka.
5. Modelowanie matematyczne układów mechanicznych, elektrycznych i hydrostatycznych w zakresie realizowanym na studiach inżynierskich na kierunku Automatyka i Robotyka.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

1. Kaczorek T., Teoria sterowania i systemów. Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999.
2. Niederliński A., Układy wielowymiarowe automatyki, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1974
3. Ogata K., Modern control engineering. Upper Sadlle River. Prentice Hall, 2002.
4. Golnaraghi F., Kuo C. B., Automatic Control Systems. John Wiley&Sons, 2010.
5. Byrski W., Obserwacja i sterowanie w systemach dynamicznych, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, 2007.

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1. Grzybek D., LQR control of the nodal displacements in a spatial truss with active piezoelectric members, Mechanics and Control, 2013, vol. 32, nr 2, s. 60–68.
2. Grzybek D., LQG control of the smart truss with the piezoelectric active members, Solid State Phenomena, 2014, vol. 208, s. 125–133.
3. Grzybek D., Control system of the hydraulic cylinders motion synchronization with the controllers designed on the basis of the direct Lapunov’s method, Mechanics, 2009, vol. 28 nr 3, s. 83–90.
4. Grzybek D., Aktuator piezoelektryczny jako obiekt sterowania typu MIMO, rozdział w: Wybrane zagadnienia z badań eksperymentalnych i symulacyjnych, red. Flaga S., Monografie Katedry Automatyzacji Procesów AGH w Krakowie, 2016.

Informacje dodatkowe:

Egzamin jest pisemny i obejmuje zarówno zagadnienia opisowe (z wykładów), jak i zadania obliczeniowe.