Detail předmětu
Simulace a řízení v reálném čase
FSI-RPO Ak. rok: 2027/2028 Letní semestr
Studenti se na přednáškách seznámí s pokročilými technikami simulací v reálném čase, identifikací systémů, návrhem pokročilých řídicích algoritmů (lineárních i nelineárních) a s odhadem stavů a parametrů v reálném čase. Teoretické poznatky budou použity při řešení týmového projektu, jehož cílem je kompletní návrh řízení reálného laboratorního modelu.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Vstupní znalosti
Požadují se znalosti odpovídající předchozímu studiu – matematika, kinematika, dynamika a programování v prostředí MATLAB/Simulink.
Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů
Předmět je zakončen klasifikovaným zápočtem a hodnocen podle standardní stupnice ECTS (0–100 bodů, pro úspěšné absolvování je nutné získat celkem alespoň 50 bodů).
Celkové hodnocení se skládá ze dvou částí:
- Týmový projekt v laboratořích (max. 25 bodů): Projekt spočívá ve zpracování zadaných laboratorních úloh v průběhu výuky, přičemž podmínkou pro splnění projektu je úspěšná realizace a odevzdání alespoň 4 ze 7 vypsaných úloh nejpozději do konce výukové části předmětu. Hodnotí se funkčnost navrženého řešení na reálném modelu, kvalita zpracování a individuální podíl každého člena týmu ověřený při průběžné kontrole.
- Závěrečné ověření znalostí pro udělení klasifikovaného zápočtu (max. 75 bodů): Po splnění podmínek týmového projektu absolvují studenti písemný test a navazující individuální ústní rozpravu, při které se hodnotí porozumění probrané látce i praktickým úlohám řešeným ve výuce.
Učební cíle
Předmět se zaměřuje na pokročilé techniky simulací v reálném čase a související software a hardware. Teoretické poznatky budou aplikovány v laboratorních cvičeních, kde se studenti seznámí s procesem identifikace a návrhu pokročilého řízení pro reálný laboratorní model.
Po absolvování předmětu studenti získají znalosti a dovednosti v následujících oblastech:
- Rychlé prototypování řídicích systémů a HIL (principy, softwarové nástroje a hardware)
- Identifikace systémů
- Stavové řízení
- Kalmanův filtr
- Nelineární řízení
- Zpracování komplexního týmového projektu
Použití předmětu ve studijních plánech
Program N-MET-P: Mechatronika, magisterský navazující, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., povinná
Osnova
Předmět je vyučován formou blokové výuky. Přednášky, cvičení i laboratoře jsou vyučovány v jednotlivých týdnech nerovnoměrně.
1) Opakování základů modelování mechatronických soustav, principy sestavování pohybových rovnic, stavový popis spojitých a diskrétních systémů..
2) Úvod do real-time simulací v mechatronice, implementace modelů v prostředí MATLAB/Simulink. numerické metody řešení v reálném čase, vliv volby integračního kroku a solveru na stabilitu simulace.
3) Identifikace systémů – Metody získávání a předzpracování experimentálních dat. Odhad parametrů simulačních modelů metodou nejmenších čtverců (LS, RLS), základy black-box modelování a validace modelů.
4) Stavové řízení I. – Analýza systémů ve stavovém prostoru (řiditelnost, pozorovatelnost). Návrh stavové zpětné vazby metodou umístění pólů.
5) Stavové řízení II. – Stavová regulace s integrátorem (sledování žádané hodnoty a kompenzace poruch). Optimální stavové řízení – lineární kvadratický regulátor (LQR).
6) Stavový pozorovatel I. – Luenbergerův pozorovatel, princip separace. Spojení stavového regulátoru s pozorovatelem a vliv na stabilitu.
7) Stavový pozorovatel II – Odhad stavu při působení šumu měření a procesu. Kalmanův filtr (KF) pro lineární systémy, rozšířený Kalmanův filtr (EKF) pro nelineární systémy.
8) Modelové prediktivní řízení (MPC).
9) Rychlé prototypování řízení (RCP). Principy RCP, HW a SW architektura pro real-time výpočty, vzorkování, latence a determinismus. Platformy a simulační nástroje (např. dSPACE).
10) Hardware-in-the-Loop (HIL) simulace a generování kódu. Princip HIL testování řídicích jednotek na modelech v reálném čase. Automatické generování kódu ze Simulinku (C/C++) pro simulátory a vestavné systémy.
11) Vybrané metody nelineárního řízení. Dopředná kompenzace nelinearit, kompenzace suchého tření, základy zpětnovazební linearizace nelineárních modelů.
12-13) Konzultace a prezentace týmových projektů.
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Osnova
1) Modelování mechatronických soustav – řešení vybraných úloh
2) Simulace vybraných úloh v prostředí MALTAB/Simulink.
3) Experimentální identifikace parametrů laboratorního modelu
4 – 5) Stavové řízení – řešení vybraných laboratorních úloh
6 – 7) Návrh a ladění stavového pozorovatele u laboratorního modelu
8) MPC – řešení vybraných úloh
9 – 12) Řešení týmových projektů – identifikace systému, návrh a testování řízení
13) Konzultace a prezentace řešení týmových projektů