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

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:

  1. 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.
  2. 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