Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Wydział Elektryczny - Automatyka i robotyka (S1)

Sylabus przedmiotu Sterowanie optymalne i modalne:

Informacje podstawowe

Kierunek studiów Automatyka i robotyka
Forma studiów studia stacjonarne Poziom pierwszego stopnia
Tytuł zawodowy absolwenta inżynier
Obszary studiów nauk technicznych, studiów inżynierskich
Profil ogólnoakademicki
Moduł
Przedmiot Sterowanie optymalne i modalne
Specjalność przedmiot wspólny
Jednostka prowadząca Katedra Automatyki Przemysłowej i Robotyki
Nauczyciel odpowiedzialny Paweł Dworak <Pawel.Dworak@zut.edu.pl>
Inni nauczyciele
ECTS (planowane) 3,0 ECTS (formy) 3,0
Forma zaliczenia zaliczenie Język polski
Blok obieralny Grupa obieralna

Formy dydaktyczne

Forma dydaktycznaKODSemestrGodzinyECTSWagaZaliczenie
wykładyW6 15 1,50,50zaliczenie
laboratoriaL6 15 1,50,50zaliczenie

Wymagania wstępne

KODWymaganie wstępne
W-1Zaliczone moduły: Matematyka, Metody matematyczne automatyki i robotyki, Podstawy automatyki i robotyki, Sygnały i systemy dynamiczne, Teoria sterowania

Cele przedmiotu

KODCel modułu/przedmiotu
C-1Poznanie związków (zależności analitycznych i numerycznych) pomiędzy opisami liniowych układów dynamicznych (SISO i MIMO) w dziedzinach czasowych i operatorowych.
C-2Poznanie sposobów wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych (MFD) wymiernych macierzy transmitancji w dziedzinach operatorowych poprzez kanoniczne postacie równań stanu Luenbergera-Brunovsky'ego i Hessenberga oraz na podstawie macierzy transmitancji zadanych w postaci wymiernej.
C-3Poznanie metod syntezy (klasycznych) układów sterowania optymalnego LQR/LQG i modalnego w dziedzinach czasowych i operatorowych, przy dostępnym i niedostępnym wektorze stanu obiektu.
C-4Poznanie dynamicznych i statycznych właściwości układów regulacji stałowartościowej, ciągłej i dyskretnej, z użyciem wielowymiarowych regulatorów modalnych i optymalnych LQR/LQG.

Treści programowe z podziałem na formy zajęć

KODTreść programowaGodziny
laboratoria
T-L-1Przekształcanie opisów modeli wielomianowych układów ciągłych i dyskretnych. Dyskretyzacja układu ciągłego.3
T-L-2Projektowanie i badania układu sterowania optrymalnego z regulatorem ciągłym LQR/LQG.4
T-L-3Synteza i badania układu sterowania modalnego z regulatorem zbudowanym na obserwatorze Luenbergera pełnego rzędu.4
T-L-4Synteza i badania układów sterowania dead-beat'owego obiektem dyskretnym w podstawowym i dualnym opisie układu z użyciem niestandardowych i standardowych funkcji Polynomial Toolbox for Matlab.2
T-L-5Badania układów regulacji stałowartościowej z użyciem wcześniej zaprojektowanych regulatorów optymalnych i/lub modalnych.2
15
wykłady
T-W-1Opisy liniowych układów dynamicznych z czasem ciągłym i dyskretnym w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych: kanoniczne postacie liniowych równań stanu, wielomianowe postacie ułamkowe (MFD) opisów układów SISO i MIMO oraz ich związki z opisami w przestrzeni stanów, sposoby wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych MFD dla zadanych wymiernych macierzy transmitancji.4
T-W-2Synteza układów sterowania optymalnego LQR/LQG z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu; projektowanie (stacjonarnego) filtru Kalmana. Projektowanie układów sterowania modalnego PP (Pole Placement) z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu obiektu; projektowanie obserwatorów Luenbergera pełnego i zredukowanego rzędu.8
T-W-3Projektowanie układów dead beat'owych (DB). Zastosowanie regulatorów (kompensatorów) optymalnych LQR/LQG i modalnych w układach regulacji stałowartościowej; kompensacja statycznych odchyłek regulacji stałowartościowej w układzie zamknięto-otwartym.3
15

Obciążenie pracą studenta - formy aktywności

KODForma aktywnościGodziny
laboratoria
A-L-1Uczestnictwo w zajęciach laboratoryjnych15
A-L-2Uzupełnianie wiedzy z literatury15
A-L-3Przygotowanie sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych15
45
wykłady
A-W-1Uczestnictwo w wykładach15
A-W-2Uzupełnianie wiedzy z literatury15
A-W-3Przygotowanie się do zaliczenia przedmiotu15
45

Metody nauczania / narzędzia dydaktyczne

KODMetoda nauczania / narzędzie dydaktyczne
M-1Metody podające: wykład informacyjny, opis, objaśnienie.
M-2Metody aktywizujące: dyskusja dydaktyczna.
M-3Metody praktyczne: pokaz, ćwiczenia laboratoryjne, symulacje.

Sposoby oceny

KODSposób oceny
S-1Ocena formująca: ocena wystawiana w trakcie cyklu zajęć laboratoryjnych na podstawie sprawozdań
S-2Ocena podsumowująca: Ocena wystawiana na zakończenie cyklu ćwiczeń laboratoryjnych na podstawie ocen cząstkowych ze złożonych sprawozdań oraz aktywności i pracy poszczególnych członków zespołu podczas realizacji ćwiczeń.

Zamierzone efekty kształcenia - wiedza

Zamierzone efekty kształceniaOdniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiówOdniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształceniaOdniesienie do efektów kształcenia prowadzących do uzyskania tytułu zawodowego inżynieraCel przedmiotuTreści programoweMetody nauczaniaSposób oceny
AR_1A_C24_W01
Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego z liniowymi obiektami dynamicznymi. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu.
AR_1A_W06T1A_W03, T1A_W04C-2, C-1, C-3, C-4T-W-1, T-W-2, T-L-3, T-L-1, T-L-4, T-L-5, T-L-2M-2, M-3S-1, S-2

Zamierzone efekty kształcenia - umiejętności

Zamierzone efekty kształceniaOdniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiówOdniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształceniaOdniesienie do efektów kształcenia prowadzących do uzyskania tytułu zawodowego inżynieraCel przedmiotuTreści programoweMetody nauczaniaSposób oceny
AR_1A_C24_U01
Umie sformułować zadanie sterowania, zaprojektować wielowymiarowy układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana.
AR_1A_U19T1A_U07, T1A_U08, T1A_U09, T1A_U10C-2, C-3, C-4T-W-3, T-W-2, T-L-3, T-L-5, T-L-2M-2, M-3S-1, S-2

Kryterium oceny - wiedza

Efekt kształceniaOcenaKryterium oceny
AR_1A_C24_W01
Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego z liniowymi obiektami dynamicznymi. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu.
2,0
3,0Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu.
3,5
4,0
4,5
5,0

Kryterium oceny - umiejętności

Efekt kształceniaOcenaKryterium oceny
AR_1A_C24_U01
Umie sformułować zadanie sterowania, zaprojektować wielowymiarowy układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana.
2,0
3,0Umie sformułować zadanie sterowania optymalnego oraz modalnego, zaprojektować układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana.
3,5
4,0
4,5
5,0

Literatura podstawowa

  1. Bańka S., Dworak P., Analiza i synteza dynamicznych układów MIMO w ujęciu wielomianowym, Wydawnictwo Uczelniane ZUT w Szczecinie, Szczecin, 2012

Literatura dodatkowa

  1. Bańka S., Sterowanie wielowymiarowymi układami dynamicznymi. Ujęcie wielomianowe, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin, 2007
  2. Kaczorek T., Wektory i macierze w automatyce i elektrotechnice., Wyd. Naukowe PWN, Warszawa, 1998

Treści programowe - laboratoria

KODTreść programowaGodziny
T-L-1Przekształcanie opisów modeli wielomianowych układów ciągłych i dyskretnych. Dyskretyzacja układu ciągłego.3
T-L-2Projektowanie i badania układu sterowania optrymalnego z regulatorem ciągłym LQR/LQG.4
T-L-3Synteza i badania układu sterowania modalnego z regulatorem zbudowanym na obserwatorze Luenbergera pełnego rzędu.4
T-L-4Synteza i badania układów sterowania dead-beat'owego obiektem dyskretnym w podstawowym i dualnym opisie układu z użyciem niestandardowych i standardowych funkcji Polynomial Toolbox for Matlab.2
T-L-5Badania układów regulacji stałowartościowej z użyciem wcześniej zaprojektowanych regulatorów optymalnych i/lub modalnych.2
15

Treści programowe - wykłady

KODTreść programowaGodziny
T-W-1Opisy liniowych układów dynamicznych z czasem ciągłym i dyskretnym w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych: kanoniczne postacie liniowych równań stanu, wielomianowe postacie ułamkowe (MFD) opisów układów SISO i MIMO oraz ich związki z opisami w przestrzeni stanów, sposoby wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych MFD dla zadanych wymiernych macierzy transmitancji.4
T-W-2Synteza układów sterowania optymalnego LQR/LQG z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu; projektowanie (stacjonarnego) filtru Kalmana. Projektowanie układów sterowania modalnego PP (Pole Placement) z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu obiektu; projektowanie obserwatorów Luenbergera pełnego i zredukowanego rzędu.8
T-W-3Projektowanie układów dead beat'owych (DB). Zastosowanie regulatorów (kompensatorów) optymalnych LQR/LQG i modalnych w układach regulacji stałowartościowej; kompensacja statycznych odchyłek regulacji stałowartościowej w układzie zamknięto-otwartym.3
15

Formy aktywności - laboratoria

KODForma aktywnościGodziny
A-L-1Uczestnictwo w zajęciach laboratoryjnych15
A-L-2Uzupełnianie wiedzy z literatury15
A-L-3Przygotowanie sprawozdań z ćwiczeń laboratoryjnych15
45
(*) 1 punkt ECTS, odpowiada około 30 godzinom aktywności studenta

Formy aktywności - wykłady

KODForma aktywnościGodziny
A-W-1Uczestnictwo w wykładach15
A-W-2Uzupełnianie wiedzy z literatury15
A-W-3Przygotowanie się do zaliczenia przedmiotu15
45
(*) 1 punkt ECTS, odpowiada około 30 godzinom aktywności studenta
PoleKODZnaczenie kodu
Zamierzone efekty kształceniaAR_1A_C24_W01Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego z liniowymi obiektami dynamicznymi. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu.
Odniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiówAR_1A_W06Ma uporządkowaną wiedzę z teorii sterowania i systemów w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania.
Odniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształceniaT1A_W03ma uporządkowaną, podbudowaną teoretycznie wiedzę ogólną obejmującą kluczowe zagadnienia z zakresu studiowanego kierunku studiów
T1A_W04ma szczegółową wiedzę związaną z wybranymi zagadnieniami z zakresu studiowanego kierunku studiów
Cel przedmiotuC-2Poznanie sposobów wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych (MFD) wymiernych macierzy transmitancji w dziedzinach operatorowych poprzez kanoniczne postacie równań stanu Luenbergera-Brunovsky'ego i Hessenberga oraz na podstawie macierzy transmitancji zadanych w postaci wymiernej.
C-1Poznanie związków (zależności analitycznych i numerycznych) pomiędzy opisami liniowych układów dynamicznych (SISO i MIMO) w dziedzinach czasowych i operatorowych.
C-3Poznanie metod syntezy (klasycznych) układów sterowania optymalnego LQR/LQG i modalnego w dziedzinach czasowych i operatorowych, przy dostępnym i niedostępnym wektorze stanu obiektu.
C-4Poznanie dynamicznych i statycznych właściwości układów regulacji stałowartościowej, ciągłej i dyskretnej, z użyciem wielowymiarowych regulatorów modalnych i optymalnych LQR/LQG.
Treści programoweT-W-1Opisy liniowych układów dynamicznych z czasem ciągłym i dyskretnym w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych: kanoniczne postacie liniowych równań stanu, wielomianowe postacie ułamkowe (MFD) opisów układów SISO i MIMO oraz ich związki z opisami w przestrzeni stanów, sposoby wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych MFD dla zadanych wymiernych macierzy transmitancji.
T-W-2Synteza układów sterowania optymalnego LQR/LQG z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu; projektowanie (stacjonarnego) filtru Kalmana. Projektowanie układów sterowania modalnego PP (Pole Placement) z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu obiektu; projektowanie obserwatorów Luenbergera pełnego i zredukowanego rzędu.
T-L-3Synteza i badania układu sterowania modalnego z regulatorem zbudowanym na obserwatorze Luenbergera pełnego rzędu.
T-L-1Przekształcanie opisów modeli wielomianowych układów ciągłych i dyskretnych. Dyskretyzacja układu ciągłego.
T-L-4Synteza i badania układów sterowania dead-beat'owego obiektem dyskretnym w podstawowym i dualnym opisie układu z użyciem niestandardowych i standardowych funkcji Polynomial Toolbox for Matlab.
T-L-5Badania układów regulacji stałowartościowej z użyciem wcześniej zaprojektowanych regulatorów optymalnych i/lub modalnych.
T-L-2Projektowanie i badania układu sterowania optrymalnego z regulatorem ciągłym LQR/LQG.
Metody nauczaniaM-2Metody aktywizujące: dyskusja dydaktyczna.
M-3Metody praktyczne: pokaz, ćwiczenia laboratoryjne, symulacje.
Sposób ocenyS-1Ocena formująca: ocena wystawiana w trakcie cyklu zajęć laboratoryjnych na podstawie sprawozdań
S-2Ocena podsumowująca: Ocena wystawiana na zakończenie cyklu ćwiczeń laboratoryjnych na podstawie ocen cząstkowych ze złożonych sprawozdań oraz aktywności i pracy poszczególnych członków zespołu podczas realizacji ćwiczeń.
Kryteria ocenyOcenaKryterium oceny
2,0
3,0Student ma uporządkowaną wiedzę w zakresie opisu, analizy i syntezy układów sterowania optymalnego i modalnego. W szczególności: zna podstawowe formy opisów liniowych jedno- i wielowymiarowych (MIMO) układów dynamicznych, w przestrzeni stanów i w dziedzinach operatorowych. Ma wiedzę z zakresu teorii sterowania optymalnego LQ/LQG w nieskończonym horyzoncie czasu dla liniowych obiektów sterowania. Zna metody syntezy układów sterowania optymalnego (LQR/LQG) i modalnego (PP). Umie zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana dla obiektów MIMO, ciągłych i dyskretnych, z niedostępnym pomiarowo wektorem stanu.
3,5
4,0
4,5
5,0
PoleKODZnaczenie kodu
Zamierzone efekty kształceniaAR_1A_C24_U01Umie sformułować zadanie sterowania, zaprojektować wielowymiarowy układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana.
Odniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiówAR_1A_U19Umie sformułować zadanie sterowania, zaprojektować układ sterowania i zoptymalizować jego działanie.
Odniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształceniaT1A_U07potrafi posługiwać się technikami informacyjno-komunikacyjnymi właściwymi do realizacji zadań typowych dla działalności inżynierskiej
T1A_U08potrafi planować i przeprowadzać eksperymenty, w tym pomiary i symulacje komputerowe, interpretować uzyskane wyniki i wyciągać wnioski
T1A_U09potrafi wykorzystać do formułowania i rozwiązywania zadań inżynierskich metody analityczne, symulacyjne oraz eksperymentalne
T1A_U10potrafi - przy formułowaniu i rozwiązywaniu zadań inżynierskich - dostrzegać ich aspekty systemowe i pozatechniczne
Cel przedmiotuC-2Poznanie sposobów wyznaczania wielomianowych postaci ułamkowych (MFD) wymiernych macierzy transmitancji w dziedzinach operatorowych poprzez kanoniczne postacie równań stanu Luenbergera-Brunovsky'ego i Hessenberga oraz na podstawie macierzy transmitancji zadanych w postaci wymiernej.
C-3Poznanie metod syntezy (klasycznych) układów sterowania optymalnego LQR/LQG i modalnego w dziedzinach czasowych i operatorowych, przy dostępnym i niedostępnym wektorze stanu obiektu.
C-4Poznanie dynamicznych i statycznych właściwości układów regulacji stałowartościowej, ciągłej i dyskretnej, z użyciem wielowymiarowych regulatorów modalnych i optymalnych LQR/LQG.
Treści programoweT-W-3Projektowanie układów dead beat'owych (DB). Zastosowanie regulatorów (kompensatorów) optymalnych LQR/LQG i modalnych w układach regulacji stałowartościowej; kompensacja statycznych odchyłek regulacji stałowartościowej w układzie zamknięto-otwartym.
T-W-2Synteza układów sterowania optymalnego LQR/LQG z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu; projektowanie (stacjonarnego) filtru Kalmana. Projektowanie układów sterowania modalnego PP (Pole Placement) z dostępnym i niedostępnym wektorem stanu obiektu; projektowanie obserwatorów Luenbergera pełnego i zredukowanego rzędu.
T-L-3Synteza i badania układu sterowania modalnego z regulatorem zbudowanym na obserwatorze Luenbergera pełnego rzędu.
T-L-5Badania układów regulacji stałowartościowej z użyciem wcześniej zaprojektowanych regulatorów optymalnych i/lub modalnych.
T-L-2Projektowanie i badania układu sterowania optrymalnego z regulatorem ciągłym LQR/LQG.
Metody nauczaniaM-2Metody aktywizujące: dyskusja dydaktyczna.
M-3Metody praktyczne: pokaz, ćwiczenia laboratoryjne, symulacje.
Sposób ocenyS-1Ocena formująca: ocena wystawiana w trakcie cyklu zajęć laboratoryjnych na podstawie sprawozdań
S-2Ocena podsumowująca: Ocena wystawiana na zakończenie cyklu ćwiczeń laboratoryjnych na podstawie ocen cząstkowych ze złożonych sprawozdań oraz aktywności i pracy poszczególnych członków zespołu podczas realizacji ćwiczeń.
Kryteria ocenyOcenaKryterium oceny
2,0
3,0Umie sformułować zadanie sterowania optymalnego oraz modalnego, zaprojektować układ sterowania i zoptymalizować jego działanie. W szczególności: potrafi wyznaczyć wielomianowe opisy ułamkowe (MFD) liniowych układów dynamicznych MIMO w dziedzinach operatorowych i projektować regulatory optymalne (LQR/LQG) i modalne (PP) w ujęciu wielomianowym. Potrafi zaprojektować obserwator Luenbergera oraz (stacjonarny) filtr Kalmana.
3,5
4,0
4,5
5,0