Szabályozástechnika

A tantárgy angol neve: Control Engineering

Adatlap utolsó módosítása: 2020. április 20.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Villamosmérnök Szak
Első ciklus 
Kötelező tárgy
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIIIAB05 4 2/1/1/v 5  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Kiss Bálint,
A tantárgy tanszéki weboldala http://www.iit.bme.hu
4. A tantárgy előadója

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Kiss Bálint

egyetemi docens

Irányítástechnika és Informatika

Dr. Harmati István

egyetemi docens

Irányítástechnika és Informatika

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít
Matematika: lineáris algebra és mátrixszámítás alapjai, komplex számok és komplex analízis, differenciál- és integrálszámítás, elsőrendű differenciálegyenletek
Jelek és rendszerek: folytonos idejű lineáris rendszerek leírása az idő- frekvencia- és komplex frekvencia tartományban, diszkrét idejű lineáris rendszerek leírása az idő- frekvencia- és z-tartományban

6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
((TárgyEredmény( "BMEVIHVAB01" , "aláírás" , _ ) = -1
VAGY TárgyEredmény( "BMEVIHVA200" , "aláírás" , _ ) = -1)

ÉS NEM ( TárgyEredmény( "BMEVIIIA303" , "jegy" , _ ) >= 2
VAGY
TárgyEredmény("BMEVIIIA303", "FELVETEL", AktualisFelev()) > 0)

ÉS (Training.Code=("5N-A7") VAGY Training.Code=("5N-A7H") VAGY Training.Code=("5NAA7")) )


VAGY

((TárgyEredmény( ahol a TárgyKód = "BMEVIHVA214", ahol a Típus = "JEGY", ahol a Ciklus = tetszőleges, ahol a KépzésKód = tetszőleges) >= 2
VAGY
TargyEredmeny( "BMEVIHVAB00" , "jegy" , _ ) >= 2 )


ÉS Training.Code=("5N-A8") )

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

7. A tantárgy célkitűzése

A technológiai, élettani, gazdasági és környezeti folyamatok irányítása a mérnöki tevékenységek fontos, széleskörű ismereteket, absztrakciós és alkalmazói képességeket egyaránt igénylő feladatai közé tartozik. A tárgy az irányítástechnika alapjaival, szabályozási rendszerek működési elveivel, a lineáris elemekből felépített szabályozási körök analízisével, szintézisével, valamint a számítógépes támogatás nyújtotta eszközök alkalmazástechnikájával ismerteti meg a hallgatókat, miközben alapvető mérnöki szemléletformáló szerepet tölt be. A tárgy követelményeit sikeresen teljesítő hallgató képes lesz

  • (K2) elmagyarázni a szabályozástechnika alapfogalmait, a szabályozási kör szabványos elemeit és jeleit, azonosítani azokat egy valós rendszer esetében, ismertetni a szabályozási kör minőségi jellemzőit,
  • (K3) alkalmazni az analóg és digitális szabályozási körök stabilitásának vizsgálatára megismert módszereket egyváltozós, lineáris esetben,
  • (K2) bemutatni a szabályozók méretezéséhez használt specifikációk elemeit, a méretezéskor figyelembe vett gyakorlati korlátozásokat,
  • (K3) modellalapú szabályozótervezési paradigmákat és eljárásokat alkalmazni folytonos és diszkrét idejű, egyváltozós lineáris rendszerek esetében a szabályozandó szakasz különböző reprezentációiból kiindulva,
  • (K3) alkalmazni a Matlab/Simulink fejlesztőkörnyezet szabályozási körök analízisét és szabályozók méretezését támogató szolgáltatásait,
  • (K2) elmagyarázni egyes identifikációs eljárások célját és lépéseit,
  • (K2) későbbi tanulmányok során speciális irányításelméleti kurzusok (optimális és robusztus irányítás, identifikáció, nemlineáris rendszerek irányítása stb.), illetve irányítástechnikai ismeretekre épülő szakirányok (irányítórendszerek, beágyazott rendszerek, intelligens robotok és járművek) és tantárgyak felvételére,
  • (K2) az alapképzés Laboratórium 1 és 2 tárgyain belül a kapcsolódó mérési feladatok elvégzésére.
8. A tantárgy részletes tematikája

1. Irányítástechnikai alapfogalmak (2 óra előadás): Az irányítás fogalma, irányítási struktúrák. Szabályozás és vezérlés elve, összehasonlításuk. Működési vázlat, hatásvázlat, a szabályozási körök jelei. Szabályozási körök statikus és dinamikus minőségi jellemzői, hibaintegrálok. Szabályozások osztályozása.

2. Dinamikus rendszerek modellezése (2 óra előadás): Dinamikus rendszer, állapot, állapottér. Folytonosidejű lineáris időinvariáns (LTI) rendszer állapotegyenletének megoldása, exponenciális mátrix, átviteli függvény, pólus, zérus. A koordináta-transzformáció hatása. Folytonosidejű nemlineáris rendszer állapotegyenletének munkaponti linearizálása. Egyes fizikai rendszerek, folyamatok matematikai modellezése a fizikai törvényszerűségek és megmaradási törvények alkalmazásával.

3. Folytonosidejű lineáris szabályozások analízise frekvenciatartományban (4 óra előadás): Egyváltozós (SISO) lineáris tagok és rendszerek leírási módszerei: differenciálegyenlet, átviteli függvény, Bode-diagram, súlyfüggvény, átmeneti függvény, állapotegyenlet. Áttérési szabályok a különféle leírások között. Alapkapcsolások, felnyitott kör, visszacsatolt rendszer, körerősítés és típusszám. Alaptagok. Az egytárolós tag és a kéttárolós lengő tag jellemzői frekvencia és időtartományban. Tranziensek közelítése domináns póluspárral. Felnyitott kör aszimptotikus amplitúdó-jelleggörbéjének felrajzolása, a vágási frekvencia meghatározása. Lineáris szabályozások állandósult állapota, alapjelkövetés, zavaró jel kompenzálás. Stabilitás kritériumok: Hurwitz-kritérium, Nyquist-kritérium, Bode-kritérium, fázistöbblet, erősítéstöbblet, vágási frekvenciák. A stabilitási tartalék jellemzése fázistöbblettel.

4. Folytonosidejű lineáris szabályozások tervezése frekvenciatartományban (4 óra előadás): PID típusú szabályozók: ideális PID szabályozó és az abból nyerhető egyszerűbb szabályozótípusok, közelítő PID szabályozó, a szabályozók Bode-diagramja és pólus/zérus eloszlása. A kompenzálásnál kihasználható tulajdonságok. Szabályozók beállítása előírt statikus pontosság és fázistöbblet esetén. Példák P, PD, PI és PID kompenzálás tervezésére. Visszacsatolásos kompenzálás. Szabályozótervezés a hibanégyzet-integrál minimalizálásával. Holtidős tagot tartalmazó rendszer irányítása: ideális holtidős tag integráló szabályozása.

5. Diszkrétidejű lineáris szabályozások analízise (2 óra előadás): A Shannon-féle mintavételezési törvény. Tartószervek. A jelterjedés leírása mintavételes rendszerekben frekvenciatartományban és állapottérben. Folytonosidejű szakasz diszkrétidejű megfelelője nulladrendű tartószerv esetén. Analóg kompenzáló tagok mintavételes implementálása: differenciáló és integráló operátorok mintavételes közelítése, egységugrás ekvivalencia.

6. Diszkrétidejű lineáris szabályozások tervezése (4 óra előadás): A mintavételes PID-szabályozó hardver/szoftver megvalósítása, integrátor antiwindup. holtidős rendszer szabályozása Smith-prediktorral. Szabályozóbeállítás tervezése a beavatkozó jelre előírt korlátozás esetén. Véges beállású szabályozás elve, a zárt kör átviteli függvényeinek tulajdonságai, a szabályozó tervezésének visszavezetése korrekciós polinom meghatározásra. Kétszabadságfokú szabályozás tervezése: a referencia modell és a megfigyelő polinom megválasztása, a tervezés visszavezetése diophantoszi egyenletre majd lineáris egyenletrendszerre, a kauzalitási feltételek betartása, a tervezési algoritmus és illusztrálása példán, a paraméterváltozások hatása.

7. Folytonos idejű szabályozási körök analízise és szintézise állapottérben (4 óra előadás): Irányíthatóság és megfigyelhetőség folytonosidejű lineáris rendszer esetén, a teljes irányíthatóság és megfigyelhetőség kritériumai. Pólusáthelyezés állapotvisszacsatolással, Ackermann-képlet. Teljesrendű állapotmegfigyelő tervezése, algebrai hasonlóság a pólusáthelyezési feladattal. Dinamikus kiterjesztés: terhelésbecslő és integráló szabályozás.

8. Diszkrét idejű szabályozási körök analízise és szintézise állapottérben (2 óra előadás): Diszkrétidejű rendszerek elérhetősége, irányíthatósága, megfigyelhetősége és rekonstruálhatósága. Pólusáthelyezés és aktuális megfigyelő tervezése diszkrétidejű rendszerek esetén, integráló szabályozás és terhelésbecslés a diszkrét idejű esetben.

9. Diszkrétidejű rendszermodellek, paraméteridentifikáció (4 óra előadás): Autoregresszív és mozgóátlag folyamat, ARX és ARMAX modell. ARX modell paraméteridentifikációja a legkisebb négyzetek (LS) módszerével. ARMAX modell identifikációja numerikus optimalizálással kvázi-Newton módszerrel.

A tantermi gyakorlatokon a hallgatók az előadásokhoz kapcsolódó példákat és feladatokat oldanak meg a gyakorlatvezetők irányítása mellett. A számítógéptermi gyakorlatokon a hallgatók a mérnöki gyakorlatban is elterjedt szoftvereket (Matlab, Simulink) használnak szabályozástechnikai feladatok megoldására.

 

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium)

Heti két óra előadás, továbbá hetente váltakozva két óra tantermi és két óra számítógéptermi gyakorlat. A félév során egymásra épülő fogalmak és módszerek kerülnek bemutatásra, így az előadások és gyakorlatok anyagának megértéséhez alapos és folyamatos felkészülés ajánlott.

10. Követelmények

A szorgalmi időszakban: az aláírás megszerzésének feltételei:

  1. Jelenlét: az aláírás feltétele a tantermi és a számítógéptermi gyakorlatokon történő rendszeres és felkészült megjelenés. A tantermi és számítógéptermi gyakorlatokon (külön-külön) a hiányzások száma nem haladhatja meg a két alkalmat.
  2. Részteljesítmény értékelés (kisZH): a felkészültséget a számítógéptermi gyakorlatokon összesen 5 alkalommal kisZH formájában ellenőrizzük. Az aláírás feltétele legalább 3 elégséges osztályzatú kisZH megírása. A kisZH nem pótolható, a meg nem írt kisZH eredménytelen (az átlagba 0 értékkel számít bele). A kisZH-k eredményeiből számított átlaghoz a vizsga értékelése során kedvezményt rendelünk.
  3. Összegző értékelés: az aláírás további feltétele egy sikeres (legalább elégséges osztályzatú), kilencven perces zárthelyi dolgozat (ZH) megírása a számonkérések félévi ütemezése szerint. A ZH eredménye a vizsgajegybe 10%-kal beszámít. A ZH- számonkért anyagrész a teljes féléves tananyag 50%-a).

A vizsgaidőszakban:

  1. A vizsgára bocsátás feltétele az aláírás megszerzése.
  2. A vizsga írásbeli teljesítményértékelésből és az évközi teljesítményértékelésen elért eredmények beszámításából áll. Az évközi teljesítményértékelések eredményének javítására a vizsgaidőszakban nincsen mód.
  3. Az írásbeli teljesítményértékelés két részből áll Az első rész tesztfeladatokat tartalmaz, ahol az elérhető pontszám 40 pont. A második rész analízis és szintézis feladatok számítógépes megoldása, amelynél a maximális pontszám 50 pont. A vizsga osztályzata elégtelen, amennyiben a vizsgázó hallgató nem szerez legalább 16, illetve 20 pontot külön-külön a két részben. A ZH eredménye a vizsga pontszámába arányos módon, legfeljebb 10 ponttal számít bele.
  4. A vizsga sikeres teljesítéséhez (legalább elégséges osztályzathoz) legalább 40 pont szükséges.
  5. Amennyiben a vizsga sikeres, a pontszámhoz kedvezményként hozzáadódik a kisZH-k osztályzatiból számolt átlag kétszerese és az osztályzat ennek nyomán kerül megállapításra.

Elővizsga nincs.

11. Pótlási lehetőségek

A ZH a szorgalmi időszakban egy alkalommal pótolható. A ZH a pótlási héten nem pótolható. A tantermi vagy számítógéptermi gyakorlatokon történő hiányzás és a kisZH-k nem pótolhatók.

12. Konzultációs lehetőségek

A szorgalmi időszakban elsősorban a tárgy oktatóinak fogadóóráján, illetve igény szerint előre egyeztetett időpontban. A vizsgaidőszakban elektronikus egyeztetés után a vizsga előtti munkanapon.

13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom
  1. Lantos Béla: Irányítási rendszerek elmélete és tervezése I. Egyváltozós szabályozások. Akadémiai Kiadó, 2. kiadás, 2005, ISBN 963 05 8249 X. (hozzáférhető elektronikusan: https://eisz.mersz.org/)
  2. Lantos Béla: Szabályozástechnika segédletek (elektronikusan az Irányítástechnika és Informatika Tanszék honlapján - címtáras azonosítás szükséges).
14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra56
Félévközi készülés órákra42
Felkészülés zárthelyire12
Felkészülés vizsgára40
Összesen150
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta

Név:

Beosztás:

Tanszék, Int.:

Dr. Lantos Béla

emeritus professzor

Irányítástechnika és Informatika

Dr. Kiss Bálint

egyetemi docens

Irányítástechnika és Informatika

Dr. Harmati István

egyetemi docens

Irányítástechnika és Informatika

IMSc tematika és módszer

A IMSc hallgatók számára a tananyaghoz kapcsolódó készségek és kompetenciák mélyebb elsajátítását segítjük az érintett tanköröknek tartott emelt szintű gyakorlatok és számítógépes foglalkozások során az alábbiak szerint.

1. A tantermi gyakorlatokon is biztosítunk megfelelő infrastruktúrát a Matlab és toolboxainak használatához és a példák megoldásához.

2. Egyes szabályozó megoldások egyszerű példarendszereken is implementálásra kerülnek Arduino fejlesztőkártyák felhasználásával.

3. A hatékonyabb feladatmegoldás lehetővé teszi egymásra épülő elemeket tartalmazó feladatláncok feldolgozását is (elsősorban a félév második felében), ahol az IMSc hallgatók a teljes adatgyűjtés, modellezés, szabályozótervezés, implementálás és verifikálás munkafolyamatot végrehajthatják. 

IMSc pontozás

A tárgyból IMSc pontok csak jeles eredmény elérése esetén járnak. A tárgyból mindösszesen 25 IMSc pont szerezhető az alábbiak szerint:

1. Az 5 darab kisZH esetében kisZH-nként legfeljebb 1 IMSc pont az ún. "IMSc többletfeladat" helyes megoldása esetén.

2. A ZH esetében legfeljebb 9 IMSc pont az ott szereplő két, ún. "IMSc többletfeladat" helyes megoldása esetén.

3. A Vizsga esetében legfeljebb 11 IMSc pont a Matlab segítségével megoldandó ún. "IMSc többletfeladat" helyes megoldása esetén.

Az IMSc pontok megszerzése a programban nem résztvevő hallgatók számára is biztosított.