Fakulta elektrotechnická

České vysoké učení technické v Praze

ČVUT v Praze

Popis předmětu - B3B35MSD

Přehled studia | Přehled oborů | Všechny skupiny předmětů | Všechny předměty | Seznam rolí | Vysvětlivky               Návod
B3B35MSD Modelování a simulace dynamických systémů Rozsah výuky:2p+2c
Garanti:  Role:PV Zakončení:Z,ZK
Vyučující: 
Zodpovědná katedra:13135 Kreditů:4 Semestr:Z

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.

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.

Osnovy 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

Osnovy 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.

Literatura:

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. [Odkaz na stránku knihy na webu vydavatele.]

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://moodle.fel.cvut.cz

Poznámka:

Stránky předmětu: https://moodle.fel.cvut.cz/enrol/index.php?id=942

Webová stránka:

https://moodle.fel.cvut.cz/enrol/index.php?id=942

Klíčová slova:

Modelování, simulace, dynamický systém

Předmět je zahrnut do těchto studijních plánů:

Plán Obor Role Dop. semestr
BPKYR_2016 Před zařazením do oboru PV 5


Stránka vytvořena 18.10.2017 17:47:25, semestry: L/2016-7, Z,L/2017-8, Z/2018-9, připomínky k informační náplni zasílejte správci studijních plánů Návrh a realizace: I. Halaška (K336), J. Novák (K336)
Za obsah odpovídá: doc. Ing. Ivan Jelínek, CSc.