Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Control theory fundamentals
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
RIMA-1-305-s
Wydział:
Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Mechatronic Engineering with English as instruction language
Semestr:
3
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Angielski
Forma studiów:
Stacjonarne
Prowadzący moduł:
dr hab. inż. Cupiał Piotr (pcupial@agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

The module familiarizes the students with the main properties of control systems and the principles of the design of controllers using the classical control theory, based on the Laplace transform technique. The lecture focusses on analogue control techniques, with the final two lectures devoted to the introduction to digital control. The classes closely follow the lecture, and their main aim is to enable the students to master the material of the lecture by problem-solving and own work. During the laboratories the students obtain the practical skills of simulating the behaviour of control systems on a computer.

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 The student has knowledge in: -the use of the Laplace transform method, -the modelling of dynamic systems (mechanical, electrical and electromechanical), -block diagrams and their transformations, -the properties of time and frequency characteristics, -stability analysis of linear systems, -analysis and synthesis of regulators and their applications IMA1A_W09 Egzamin,
Kolokwium,
Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych,
Aktywność na zajęciach
M_W002 The student has the necessary knowledge that enables him/her to carry out the analysis and synthesis of a linear control system. IMA1A_W09 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Kolokwium,
Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Umiejętności: potrafi
M_U001 The student is capable of: -evaluating the performance of a feedback control system, -carrying out the synthesis of a control system and select parameters of regulators, -evaluating the static and dynamic quality of a control system. IMA1A_U11, IMA1A_U10 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Kolokwium,
Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U002 He/she is able to apply the Matlab/Simulink environment to the simulation of automatic control systems. IMA1A_U08 Aktywność na zajęciach,
Sprawozdanie,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U003 The student acquires the necessary oral and written language skills that enable him/her to understand and communicate basic automatic control terminology. IMA1A_U05 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Kolokwium,
Sprawozdanie
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
62 28 20 14 0 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 The student has knowledge in: -the use of the Laplace transform method, -the modelling of dynamic systems (mechanical, electrical and electromechanical), -block diagrams and their transformations, -the properties of time and frequency characteristics, -stability analysis of linear systems, -analysis and synthesis of regulators and their applications + + - - - - - - - - -
M_W002 The student has the necessary knowledge that enables him/her to carry out the analysis and synthesis of a linear control system. + + - - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 The student is capable of: -evaluating the performance of a feedback control system, -carrying out the synthesis of a control system and select parameters of regulators, -evaluating the static and dynamic quality of a control system. + + + - - - - - - - -
M_U002 He/she is able to apply the Matlab/Simulink environment to the simulation of automatic control systems. - - + - - - - - - - -
M_U003 The student acquires the necessary oral and written language skills that enable him/her to understand and communicate basic automatic control terminology. + + + - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 150 godz
Punkty ECTS za moduł 5 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 62 godz
Przygotowanie do zajęć 25 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 10 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 46 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 5 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (28h):

1. Introduction to automatic control. Classification of control systems.
2. Mathematical models of mechanical, electrical and electromechanical dynamic systems.
3. Static and dynamic linearization.
4. Input/output equations. The Laplace transform. The tranfer function.
5. State-space description of plants – state and output equations. State-space models of dynamical systems.
6. The block diagrams of automatic control systems. Block diagram transformations. Signal-flow graphs and Mason’s rule.
7. Time- and frequency characteristics of basic control links.
8. Lyapunov stability of dynamic systems. Stability criteria for linear systems: the Hurwitz and the Nyquist stability criterion. Gain and phase margin.
9. Control systems, their tasks and structure. The evaluation of the quality of control; static accuracy and static error.
10. Basic control algorithms: P, I, PI, PD and PID.
11. Introduction to digital control. The Z-transform. Basic digital-control algorithms.
12. A case study of a mechatronic control system.

Ćwiczenia audytoryjne (20h):

1. The Laplace transforms and their properties; calculation of the inverse Laplace transform by the partial-fraction method.
2. The solution of simple differential equations by operational method.
3. The governing equations of mechanical, electrical and electromechanical dynamical systems.
4. The determination opf the transfer functions of SISO and MIMO systems.
5. Examples of the state-space equations.
6. The properties of block diagrams and their reduction. Examples of signal-flow graphs and the application of Mason’s rule.
7. Examples of the determination of the time and frequency characteristics.
8. Application of the Hurwitz criterion to the study of the stability of linear systems.
9. The Nyquist stability criterion for feedback control systems.
10. Static accuracy and the calculation of the static error.
11. The calculation of the response of regulators and the analysis of their properties.

Ćwiczenia laboratoryjne (14h):

1. Introduction to Matlab and Simulink.
2. Solving differential equations in Matlab and Simulink.
3. The modelling of a DC motor and the determination of its dynamic characteristics.
4. State-space models of dynamical systems.
5. Basic structures of linear controllers.
6. Parametric synthesis of controllers.
7. Stability analysis of a feedback control system.

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Ćwiczenia audytoryjne: Podczas zajęć audytoryjnych studenci na tablicy rozwiązują zadane wcześniej problemy. Prowadzący na bieżąco dokonuje stosowanych wyjaśnień i moderuje dyskusję z grupą nad danym problemem.
  • 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.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

To obtain a positive mark from the classes, the students have to pass two tests which are announced in advance. In case of failure of one or both tests, a correction test is organised before the end of semester (and before the first term of exam). During this term the students write the missing part. The second correction term is after the first- and before the second exam term (during this term the material of both tests is corrected by all students). For the laboratories, students must attend all labs, submit in time the reports of all tasks and pass the verification of the background knowledge. The exam consists of two parts: problem solving and theoretical background. Both have to be passed during the same exam term.
In case of illness additional term can be considered, under the conditions stated in the Regulations of the Studies (Regulamin Studiów).

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Ćwiczenia audytoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci przystępując do ćwiczeń są zobowiązani do przygotowania się w zakresie wskazanym każdorazowo przez prowadzącego (np. w formie zestawów zadań). Ocena pracy studenta może bazować na wypowiedziach ustnych lub pisemnych w formie kolokwium, co zgodnie z regulaminem studiów AGH przekłada się na ocenę końcową z tej formy zajęć.
  • 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.
Sposób obliczania oceny końcowej:

The final grade is calculated as a weighted average of the marks of the exam (E),
classes (Cl) and laboratory (L), and is calculated using the formula:
Final grade=05*[E] + 0.3*[Cl] + 0.2*[L].
Each of the partial marks has to be positive.
The students can enter an exam term, provided that they have obtained positive marks from both the classes and the laboratory.

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

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

Positive final grade from the subject Mathematics.
Good knowledge of the contents of subjects: Physics and Mechanics.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

1. G.F. Franklin, J.D. Powell, E. Emami-Naeini “Feedback control of dynamic systems”, Prentice Hall, New York, 2006.
2. K. Ogata “Modern control engineering”, Prentice Hall, New York, 1997.
3. R.H. Cannon “Dynamics of physical systems”, Mc-Graw Hill, 1967 (available in Polish as: R.H. Cannon “Dynamika układów fizycznych”, WNT, Warszawa, 1973).
4. J. Kowal “Podstawy automatyki”, v.1 and 2, UWND, Kraków, 2006, 2007 (in Polish).
5. W. Pełczewski “Teoria sterowania”, WNT, Warszawa, 1980 (in Polish).

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:
  • P. Cupiał, M. Kozioł “The analysis of a smart Jeffcott rotor with direct velocity feedback control in the supercritical range”, Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control, 2013 vol. 32 no. 3, s. 205–215
  • P. Cupiał “Calculation of the optimum controls of transient vibrations of smart beams and plates”, Mechanics of Advanced Materials and Structures, 2008, vol. 15, s. 258-268
    *P. Cupiał, Ł. Łacny “Neural network control design considerations for the active damping of a smart beam”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2015, vol. 53, s. 767-774
    *Paweł MARTYNOWICZ, Bogdan SAPIŃSKI, 2007, Experimental study of vibration
    control in a two-degree-of-freedom pitch-plane model of a magnetorheological vehicle
    suspension, Mechanics, vol. 26, no. 2, s. 60–70.
    *Paweł MARTYNOWICZ, Bogdan SAPIŃSKI, 2008, Real-time control of
    magnetorheological dampers in mechanical systems (ed. Bogdan Sapiński): Control of
    magnetorheological dampers in a vehicle suspension, AGH University of Science and
    Technology Press, Cracow, s. 108–134.
    *H. Laalej, Z. Q. Lang, B. SAPIŃSKI, P. MARTYNOWICZ, 2012, MR damper based
    implementation of nonlinear damping for a pitch plane suspension system, Smart Materials
    and Structures, vol. 21, no. 4, s. 045006-1–045006-14.
Informacje dodatkowe:

Brak