Modelování a simulace dynamických systémů

Garant předmětu:

Zdeněk Hurák

Přednášející:

Zdeněk Hurák, Jiří Zemánek

Cvičící:

Loi Do, Zdeněk Hurák, Krištof Pučejdl, Jiří Zemánek

Předmět zajišťuje:

katedra řídicí techniky

Anotace:

Cílem předmětu je naučit (se) vytvářet matematické modely složitých dynamických systémů, a to za účelem návrhu řídicích algoritmů. Budeme chtít umět modelovat pomocí jednotné metodiky realisticky složité dynamické systémy obsahující podsystémy a prvky z různých fyzikálních domén jako jsou elektronika, mechanika, magnetismus, piezoelektřina, hydraulika, pneumatika či termodynamika.

Ukážeme si, že je to právě energie (a výkon), která je univerzálním platidlem napříč fyzikálními doménami, a tudíž námi prozkoumávané modelovací metody budou založeny na sledování toku energie (výkonu) mezi podsystémy a prvky. Představíme si tři skupiny energeticky založených modelovacích metod, a to sice velmi intuitivní grafickou metodu výkonových vazebních grafů, dále pak analytickou metodu založenou na Eulerově-Lagrangeově rovnici známé z teoretické fyziky, a nakonec softwarové objektově orientované modelování reprezentované jazyky Modelica či Simscape nabízející velmi praktickou alternativu k modelování pomocí grafů signálových toků či blokových diagramů implementovanému například v populárním Simulinku.

Ať už se k matematickému modelu dostaneme jakoukoliv cestou, jedním ze způsobů jeho analýzy je simulace, tedy numerické řešení souvisejících diferenciálních či algebro-diferenciálních rovnic. V tomto předmětu se spolehneme, že základní koncepty a postupy pro numerické řešení obyčejných diferenciálních rovnic již byly představeny v některém z matematických předmětů, a budeme se pouze příležitostně zastavovat u některých praktických problémů, jako jsou volba vhodného numerického řešiče či přesnost a časová náročnost simulace.

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). Užitečná je znalost základních pojmů a konceptů z automatického řízení (stavový model, přenosová funkce, stabilita).

Osnova přednášek:

1.Formáty matematických modelů dynamických systémů: stavové rovnice, přenosové funkce, algebro-diferenciální rovnice, polynomiální maticové zlomky.

2.Základní principy a prvky pro modelování pomocí výkonových vazebních grafů

3.Modelování jednoduchých systémů pomocí vazebních grafů, doplnění kauzality a extrakce signálových modelů (ala schéma v Simulinku) z vazebních grafů

4.Extrakce stavových rovnic z kauzálních vazebních grafů; další příklady modelování vazebními grafy; redukce modelů úpravami vazebních grafů

5.Úvod do použití Euler-Lagrangeovy rovnice pro modelování dynamických systémů (mechanické, elektrické)

6.Použití Euler-Lagrangeovy rovnice pro modelování sériových robotických manipulátorů

7.Použití Newton-Eulerova vektorového přístupu pro modelování sériových robotických manipulátorů

8.Příklady průmyslových projektů, kde modelování a simulace výrazně přispěly k monitorování neměřených či neměřitelných veličin v reálném čase, podpoře dispečerského řízení, návrhu algoritmů automatického řízení či plánování operací (pozván přednášející z průmyslu)

9.Software pro modelování a simulaci dynamických systémů; objektově-orientované modelování; jazyky Modelica a Simscape

10.Hybridní dynamické systémy: hybridní automaty, spínané systémy

11.Tepelné systémy pomocí vazebních a pseudovazebních grafů

12.Modelování pomocí vazebních grafů v dalších fyzikálních doménách: magnetické obvody, piezoelektrické aktuátory

13.Systémy s rozprostřenými parametry a jejich aproximace: tepelná rovnice, analýza a numerické řešení

14.Systémy s rozprostřenými parametry s málo tlumenými módy: vlnová rovnice, její analýza a numerické řešení

Osnova cvičení:

Část cvičení (zejména na začátku předmětu) bude realizována jako výpočetní, kdy studenti budou samostatně pracovat na zadaných větších projektech s možností konzultací s přítomným vyučujícím. Větší část cvičení ale bude věnována samostatné práci studentů na laboratorních úlohách.

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:

Předmět je z větší části postaven na kvalitní monografii používané v obdobných vysokoškolských předmětech po celém světě. Tato je již dnes v počtu cca 30 kusů dostupná ve fakultní knihovně a rezervována pro studenty předmětu:

F. T. Brown, Engineering System Dynamics. A Unified Graph-Centered Approach, 2. vydání. CRC Press, 2006.

Poznámka:

Další informace:

https://moodle.fel.cvut.cz/courses/B3B35MSD

Rozvrh na zimní semestr 2023/2024:

	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	místnost KN:E-301 Zemánek J. 14:30–16:00 (přednášková par. 1) Karlovo nám. Šrámkova posluchárna K9
St	místnost KN:E-23 Pučejdl K. 12:45–14:15 (přednášková par. 1 paralelka 101) Karlovo nám. Laboratoř ABmístnost KN:E-23 Pučejdl K. 14:30–16:00 (přednášková par. 1 paralelka 102) Karlovo nám. Laboratoř AB
Čt
Pá

Rozvrh na letní semestr 2023/2024:

Rozvrh není připraven

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Kybernetika a Robotika 2016 (povinně volitelný předmět)