Modelowanie i symulacja układów sterowania

Nazwa przedmiotu:
MODELOWANIE I SYMULACJA UKŁADÓW STEROWANIA
MODELING AND SIMULATION OF CONTROL SYSTEMS
Kierunek:
Kod przedmiotu:
Mechatronika
I stopnia
S2_02
Rok: III
Semestr: VI
Rodzaj zajęć:
Liczba godzin/tydzień:
Liczba punktów:
wykład, laboratorium
1W, 2L
3 ECTS
Rodzaj przedmiotu:
Poziom przedmiotu:
PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE
I KARTA PRZEDMIOTU
CEL PRZEDMIOTU
C1. Zapoznanie studentów z problematyką modelowania i symulacji układów sterowania poprzez
omówienie elementów składowych układów sterowania, przedstawienie techniki ich
modelowania i symulacji w środowisku Matlab/Simulink, jak również poprzez przykłady
typowych aplikacji realizowanych w tym środowisku modelująco-symulacyjnym.
C2. Nabycie przez studentów praktycznych umiejętności korzystania ze środowiska
Matlab/Simulink w zakresie typowych zagadnień dotyczących układów sterowania takich jak:
identyfikacja obiektów regulacji, modelowania i symulacji układów regulacji, dobór nastaw
regulatorów, badanie i ocena stabilności układów regulacji.
WYMAGANIA WSTĘPNE W ZAKRESIE WIEDZY, UMIEJĘTNOŚCI I INNYCH KOMPETENCJI
1. Wiedza z zakresu matematyki, elektroniki, podstawy automatyki i teorii sterowania.
2. Umiejętność wykonywania działań matematycznych do rozwiązywania postawionych zadań
związanych doborem parametrów regulatorów, rozwiązywanie równań różniczkowych.
Znajomość rachunku operatorowego.
3. Umiejętność korzystania z różnych źródeł informacji w tym z instrukcji i dokumentacji
technicznej.
4. Umiejętności pracy samodzielnej i w grupie.
5. Umiejętności prawidłowej interpretacji i prezentacji własnych działań.
EFEKTY KSZTAŁCENIA
EK 1 – identyfikuje i objaśnia podstawowe zagadnienia z zakresu modelowania i symulacji
układów sterowania,
EK 2 – potrafi obsługiwać środowisko symulacyjne (Matlab/Simulink) w zakresie wystarczającym
do modelowania i symulacji układów sterowania ,
EK 3 – potrafi wyjaśnić jak poznać właściwości statyczne i dynamiczne obiektów regulacji i jakie
są właściwości regulatorów,
EK 4 – potrafi opisać ogólne warunki i kryteria stabilności układu regulacji,
EK 5 – potrafi wykorzystać dostępne w środowisku symulacyjnym elementy do zbudowania
kompletnego układu sterowania i przeprowadzić jego badania symulacyjne,
EK 6 – potrafi tak dobrać regulator i jego nastawy dla dowolnego obiektu regulacji, by uzyskać
wymagane parametry jakości regulacji oraz potrafi określić stabilność wybranych
układów regulacji
EK 7 – potrafi zaprojektować oraz zrealizować i przebadać prosty układ regulacji,
EK 8 – potrafi przygotować sprawozdanie z przebiegu realizacji ćwiczeń.
TREŚCI PROGRAMOWE
Forma zajęć – WYKŁADY
W 1 – Wprowadzenie do układów sterowania. Omówienie środowiska Matlab/Simulink.
W 2 – Modele matematyczne obiektów regulacji.
W 3 – Charakterystyki czasowe obiektów regulacji. Przykłady obiektów regulacji.
W 4 – Charakterystyki częstotliwościowe. Tworzenie charakterystyk w Matlabie.
W 5 – Regulatory. Rodzaje, parametry. Transmitancje, charakterystyki skokowe i
amplitudowo-fazowe.
W 6 – Regulacja. Dokładność statyczna i dynamiczna. Odpowiedzi układu statycznego i
astatycznego.
W 7 – Dobór nastaw regulatorów. Schematy blokowe, przekształcanie schematów.
W 8 – Przykłady schematów blokowych. Grafy przepływu sygnałów.
W 9 – Stabilność. Ogólne warunki stabilności. Wpływ lokalizacji pierwiastków na
stabilność układu.
W 10 – Kryteria stabilności. Przykłady układów regulacji.
W 11 – Logarytmiczne kryterium stabilności. Zapas stabilności.
W 12 – Synteza układów liniowych sterowania automatycznego.
W 13 – Podstawowe algorytmy sterowania.
W 14 – Sterowanie cyfrowe.
W 15 – Synteza układów przełączających.
Forma zajęć – LABORATORIUM
L 1 – Zapoznanie się ze środowiskiem Matlab/Simulink.
L 2 – Charakterystyki czasowe obiektów regulacji.
L 3 – Charakterystyki częstotliwościowe obiektów regulacji.
L 4 – Regulatory. Budowa, charakterystyki.
L 5 – Układ regulacji. Budowa, dobór regulatora do obiektu regulacji.
L 6 – Dobór nastaw regulatora metodą Zieglera-Nicholsa.
L 7 – Odpowiedzi układu statycznego i dynamicznego.
L 8 – Badanie stabilności układu regulacji. Wpływ parametrów obiektu regulacji na
stabilność.
L 9 – Badanie stabilności układu regulacji. Wpływ parametrów regulatora na stabilność.
L 10 – Wykorzystanie kryteriów stabilności do określania stabilności wybranych układów
regulacji.
L 11 – Badanie logarytmicznych kryteriów stabilności dla wybranych układów regulacji.
L 12 – Projekt układu regulacji. Wybór układu, określenie wymagań.
L 13 – Projekt układu regulacji. Realizacja składowych.
L 14 – Projekt układu regulacji. Badanie, dobór nastaw, wyznaczenie dokładności
statycznej i dynamicznej. Parametry jakości regulacji
L 15 – Projekt układu regulacji. Dyskusja uzyskanych wyników.
Liczba
godzin
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Liczba
godzin
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
NARZĘDZIA DYDAKTYCZNE
1. – wykład z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych
2. – ćwiczenia laboratoryjne, opracowanie sprawozdań z realizacji przebiegu ćwiczeń
3. – przykładowe aplikacje
4. – instrukcje do wykonania ćwiczeń laboratoryjnych
5. – środowisko programistyczne do realizacji programu ćwiczeń
SPOSOBY OCENY ( F – FORMUJĄCA, P – PODSUMOWUJĄCA)
F1. – ocena przygotowania do ćwiczeń laboratoryjnych
F2. – ocena umiejętności stosowania zdobytej wiedzy podczas wykonywania ćwiczeń
F3. – ocena sprawozdań z realizacji ćwiczeń objętych programem nauczania
F4. – ocena aktywności podczas zajęć
P1. – ocena umiejętności rozwiązywania postawionych problemów oraz sposobu prezentacji
uzyskanych wyników – zaliczenie na ocenę*
P2. – ocena opanowania materiału nauczania będącego przedmiotem wykładu – zaliczenie wykładu
(lub egzamin)
*) warunkiem uzyskania zaliczenia jest otrzymanie pozytywnych ocen ze wszystkich ćwiczeń laboratoryjnych,
OBCIĄŻENIE PRACĄ STUDENTA
Forma aktywności
Godziny kontaktowe z prowadzącym
Średnia liczba godzin na
zrealizowanie aktywności
15W 30L → 45 h
Zapoznanie się ze wskazaną literaturą
2.5 h
Przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych
10 h
Wykonanie sprawozdań z realizacji ćwiczeń laboratoryjnych
(czas poza zajęciami laboratoryjnymi)
10 h
Udział w konsultacjach
5h
Przygotowanie do zadania sprawdzającego
2.5 h
Suma
75 h
SUMARYCZNA LICZBA PUNKTÓW ECTS DLA PRZEDMIOTU
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje na zajęciach
wymagających bezpośredniego udziału prowadzącego
Liczba punktów ECTS, którą student uzyskuje w ramach zajęć o
charakterze praktycznym, w tym zajęć laboratoryjnych i
projektowych
3 ECTS
2 ECTS
2 ECTS
LITERATURA PODSTAWOWA I UZUPEŁNIAJĄCA
1. Podstawy automatyki - liniowe układy regulacji; Jerzy Mikulski / Wydawnictwo
Politechniki Śląskiej / 2001,
2. Podstawy automatyki. Tom 1; Janusz Kowal / Wydawnictwa AGH / 2006 /
3. Regulatory i układy regulacji; Jerzy Kuźnik / Wydawnictwo Politechniki Śląskiej / 2002 ,
4. Sterowanie i automatyzacja procesów technologicznych i układów
mechatronicznych; Jerzy Świder red. / Wydawnictwo Politechniki Śląskiej / 2006 ,
5. Urządzenia i systemy mechatroniczne Część II; praca zbiorowa / Wydawnictwo "rea" /
3
2009 /,
6. MATLAB i Simulink, B.Mrozek, Zb.Mrozek:. Poradnik uŜytkownika. Wyd.HELION 2004,
7. Komputerowa symulacja układów automatycznej regulacji w środowisku Matlab/Simulink,
B. ŁYSAKOWSKA, G. MZYK, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław
2005
PROWADZĄCY PRZEDMIOT ( IMIĘ, NAZWISKO, ADRES E-MAIL)
Dr inż. Jerzy Jelonkiewicz, [email protected]
Matryca realizacji i weryfikacji efektów kształcenia
Efekt
kształcenia
EK1
Odniesienie
danego efektu do
efektów
zdefiniowanych dla
całego programu
(PEK)
K_W43_S1_08
K_W54_S2_04
K_W56_S2_06
K_W60_S2_10
Cele
przedmiotu
Treści
programowe
Narzędzia
dydaktyczne
Sposób
oceny
C1
W1-15
L1-15
1,3
F1
P2
EK2
K_W60_S2_10
C1
W1
1,3
EK3
K_W60_S2_10
C1
W2-6
L2-7
1,3
EK4
K_W60_S2_10
C1
W9-11
L8-11
1,3
EK5
K_U60_S2_10
C2
W1-8
L1-7
1-5
EK6
K_U60_S2_10
C2
W7, W9-11
L6, L8-10
1-5
EK7
K_U52_S2_02
K_U60_S2_10
K_U65_S2_15
C2
W1-15
L12-15
1-5
EK8
K_U12_B_01
C2
W1-15
L1-15
2,4
F2
P2
F1
F2
F3
F4
P1
F2
F3
F4
P1
F1
F2
F3
P1
F1
F2
P1
F2
F3
P1
F3
4
II. FORMY OCENY - SZCZEGÓŁY
Na ocenę 2
EK1, EK2, EK3
Student identyfikuje
i opisuje
podstawowe
zagadnienia z zakresu
modelowania
i symulacji układów
sterowania, potrafi
podać przykłady jej
wykorzystania
EK4, EK5, EK6, EK7
Student potrafi
rozwiązać praktyczny
problem związanych
z modelowaniem
i symulacją układów
sterowania
EK8
Student potrafi
efektywnie
prezentować
i dyskutować wyniki
własnych działań
Na ocenę 3
Na ocenę 4
Na ocenę 5
Student nie opisuje
podstawowych
zagadnień
z modelowania
i symulacji układów
sterowania
Student częściowo
opisuje wiedzę
z zakresu
modelowania
i symulacji układów
sterowania
Student opisuje
zagadnienia
z zakresu,
modelowania
i symulacji układów
sterowania, potrafi
wskazać właściwą
metodę realizacji
zadania
z wykorzystaniem
środowiska
symulacyjnego
Student bardzo
dobrze identyfikuje
oraz opisuje
zagadnienia z zakresu
materiału objętego
programem
nauczania,
samodzielnie
zdobywa i poszerza
wiedzę przy użyciu
różnych źródeł
Student nie potrafi
zrealizować prostej
aplikacji dotyczącej
układu sterowania
z wykorzystaniem
środowiska
symulacyjnego,
nawet z pomocą
wytyczonych
instrukcji oraz
prowadzącego
Student nie potrafi
wykorzystać zdobytej
wiedzy, zadania
wynikające
z realizacji ćwiczeń
wykonuje z pomocą
prowadzącego
Student poprawnie
wykorzystuje wiedzę
oraz samodzielnie
rozwiązuje problemy
wynikające w trakcie
realizacji ćwiczeń
Student potrafi
dokonać wyboru
właściwych
elementów układu
sterowania do
realizacji zadania
oraz wykorzystać
środowisko
symulacyjne do
przygotowania,
uruchomienia i
testowania aplikacji
Student nie
opracował
sprawozdania.
Student nie potrafi
zaprezentować
wyników swoich
badań
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, ale nie
potrafi dokonać
interpretacji oraz
analizy wyników
własnych badań
Student wykonał
sprawozdanie z
wykonanego
ćwiczenia, potrafi
prezentować wyniki
swojej pracy oraz
dokonuje ich analizy
Student wykonał
sprawozdanie
z wykonanego
ćwiczenia, potrafi
w sposób zrozumiały
prezentować, oraz
dyskutować
osiągnięte wyniki
Dopuszcza się wystawienie oceny połówkowej o ile student spełniający wszystkie efekty kształcenia wymagane
do oceny pełnej spełnia niektóre efekty kształcenia w stopniu odpowiadającym ocenie wyższej.
III. INNE PRZYDATNE INFORMACJE O PRZEDMIOCIE
1. Wszelkie informacje dla studentów (prezentacje do zajęć, instrukcje do ćwiczeń laboratoryjnych,
przykładowe aplikacje) dostępne są na stronie internetowej http://www.iisi.pcz.pl.
2. Informacja na temat konsultacji przekazywana jest studentom podczas pierwszych zajęć danego
z przedmiotu.
5