Modelování a simulace dynamických systémů

Podmínkou zápisu předmětu je dřívější úspěšné absolvování předmětů:

Automatické řízení (A3B35ARI)

Přednášející:

Zdeněk Hurák (gar.)

Cvičící:

Zdeněk Hurák (gar.), Milan Anderle, Radek Beňo, Jiří Zemánek

Předmět zajišťuje:

katedra řídicí techniky

Anotace:

Náplní a cílem předmětu je naučit studenty vytvářet modely dynamických systémů naprosto různé fyzikální povahy jako jsou systémy elektronické (např. stejnosměrné spínací měniče), mechanické (deformovatelné zrcadlo z elastického polymeru), elektromechanické systémy (robotické rameno), tepelné (výměník tepla), chemické (destilační kolona) ale i ekonomické (burza), či biologické (hejno ptáků), a tyto systémy pomocí simulací analyzovat. U modelování bude důraz spíše než na studium jednotlivých fyzikálních principů (ty byly už vyloženy ve fyzice) kladen na systematické postupy pro modelování realisticky rozsáhlých systémů (např. škálování, Lagrangeův přístup, vazební grafy, ...), včetně využívání softwarových nástrojů (např. bloková schémata i objektově orientované modelování, FEM modelování, ...). Přesto však některé typické fyzikální situace budou představeny. U simulací bude pozornost věnována problematice numerického řešení nelineárních diferenciálních a algebro-diferenciálních rovnic, to zejména srovnání praktických vlastnosti dostupných řešičů a návody na jejich efektivní používání spíše než jejich odvozování metod, které je náplní matematiky (například které řešiče v Matlabu použít pro „stiff“ systémy) .

Požadavky:

Solidní zvládnutí všech partií vysokoškolské fyziky, zejména mechaniky, elektromagnetismu a termodynamiky. Základy z diferenciálního počtu (diferenciální rovnice a jejich numerické řešení) a lineární algebry (soustava lineárních rovnic a její numerické řešení).

Stránky předmětu: http://support.dce.felk.cvut.cz/e-kurzy/course/view.php?id=38

Osnova přednášek:

1.Dimenzionální analýza a škálování

2.Variační principy v modelování (Lagrangiány, Hamiltoniány, ?)

3.Signálově orientované modelování (sw: Simulink, Scicos)

4.Objektově orientované modelování (jazyk Modelica: sw Dymola, Openmodelica)

5.Vazební grafy (sw: Dymola, 20SIM)

6.Modelování systémů s distribuovanými parametry pomocí konečných prvků (FEM: sw Comsol Multiphysics, Ansys, Fluent, ...)

7.Elektronické a elektromechanické systémy (SPICE)

8.Elektromagnetismus (magnetická levitace, dielektroforéza, ...)

9.Pružné struktury (astronomický dalekohohled, raménko v AFM, membránové zrcadlo)

10.Tepelné systémy (výměníky tepla, ...)

11.Proudění

12.Biologické systémy

13.Přehled metod i „řešičů“ pro spojité dynamické systémy a praktické tipy (ODE i DAE)

14.Přehled přístupů i řešičů pro PDE: konečné diference, konečné prvky, spektrální metody.

Osnova cvičení:

Náplní samotného cvičení je práce na zadaných projektech.

Cíle studia:

Naučit studenty vytvářet modely realisticky složitých dynamických systémů nejrozmanitější fyzikální povahy, a tyto modely s využitím moderních softwarových nástrojů analyzovat pomocí numerické simulace.

Studijní materiály:

Knihy doporučené studentům

[1.]D.C. Karnopp et al. System Dynamics: Modeling and simulation of mechatronic systems. Wiley, 4. vyd., 2006.

[2.]O. Egeland and J. T. Gravdahl. Modeling and Simulation for Automatic Control. Marine Cybernetics, 1st. ed. 2002.

Další knihy, na základě kterých byl kurz připravován (ale studenti je nemusí používat)

[3.]E. van Groesen a J. Molenaar: Continuum modeling in the physical sciences. SIAM, 2007.

[4.]C.C. Lin a L.A. Segel. Mathematics applied to deterministic problems in the natural sciences. SIAM, 1988.

[5.]F. E. Cellier a E. Kofman: Continuous system simulation. Springer, 2006.

[6.]P. Fritzson. Principles of Object-Oriented Modeling and Simulation with Modelica2.1. Wiley-IEEE Press, 2004.

Poznámka:

Rozsah výuky v kombinované formě studia: 14p+6l

Rozvrh na zimní semestr 2011/2012:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út
St
Čt	místnost KN:E-2 Zemánek J. 09:15–10:45 (přednášková par. 1) Karlovo nám. Laboratoř PCmístnost KN:E-2 Beňo R. 11:00–12:30 (přednášková par. 1) Karlovo nám. Laboratoř PCmístnost KN:E-2 Anderle M. 12:45–14:15 (přednášková par. 1) Karlovo nám. Laboratoř PC
Pá	místnost T2:C3-135 Hurák Z. 07:30–09:00 (přednášková par. 1) Dejvice Posluchárna

Rozvrh na letní semestr 2011/2012:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Kybernetika a robotika - Systémy a řízení (povinný předmět oboru)