Szabályozástechnika

A tantárgy angol neve: Control Engineering

Adatlap utolsó módosítása: 2024. január 26.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Alapképzés (BSc), villamosmérnöki szak
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIIIAB10 4 2/1/1/v 5  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Kiss Bálint,
4. A tantárgy előadója

Dr. Kiss Bálint, docens, Irányítástechnika és Informatika Tsz.

Dr. Harmati István, habilitált docens, Irányítástechnika és Informatika Tsz.

5. A tantárgy az alábbi témakörök ismeretére épít
Matematika: lineáris algebra és mátrixszámítás alapjai, komplex számok, differenciál- és integrálszámítás, elsőrendű differenciálegyenletek
Jelek és rendszerek: folytonos idejű lineáris rendszerek leírása az idő- frekvencia- és komplex frekvencia tartományban (Fourier és Laplace transzformáltak), diszkrét idejű lineáris rendszerek leírása az idő- és Z-tartományban
6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
(NEM TárgyTeljesítve_Képzésen("BMEVIIIAB05") )

ÉS

(( (EgyenCsoportTagja("VILL - 2022 - MINTATANTERV HALLGATÓI") VAGY
EgyenCsoportTagja("VILL - 2022ENG - MINTATANTERV HALLGATÓI"))
ÉS
TárgyEredmény( "BMEVIHVAB02" , "aláírás" , _ ) = -1 )

VAGY

( (EgyenCsoportTagja("2014_tanterv_hallgatoi_vill") VAGY

EgyenCsoportTagja("2014_tanterv_hallgatoi_vill_eng"))
ÉS
(TárgyEredmény( "BMEVIHVAB01" , "aláírás" , _ ) = -1 VAGY
TárgyEredmény( "BMEVIHVAB02" , "aláírás" , _ ) = -1 )) )

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

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

7. A tantárgy célkitűzése

A technológiai, élettani, gazdasági és környezeti folyamatok megbízható és energiatakarékos irányítása a villamosmérnök absztrakciós és alkalmazói képességeket egyaránt igénylő feladatai közé tartozik. A tárgy az irányítástechnika alapjaival, az érzékelés-döntés-beavatkozás paradigmát alkalmazó szabályozási rendszerek működési elveivel, a lineáris elemekből felépített szabályozási körök analízisével, szintézisével és az ehhez támogatást nyújtó számítógépes fejlesztőkörnyezet kapcsolódó szolgáltatásaival ismerteti meg a hallgatókat. A tárgy követelményeit sikeresen teljesítő hallgató képes lesz:

  • elmagyarázni a szabályozástechnika alapfogalmait, a szabályozási kör szabványos elemeit és jeleit, azonosítani azokat egy valós rendszer esetében, ismertetni és összehasonlító módon értékelni egy szabályozási kör minőségi jellemzőit,
  • alkalmazni az analóg és digitális szabályozási körök stabilitásának vizsgálatára megismert módszereket egyváltozós, lineáris esetben, továbbá kvalitatív módon meghatározni a stabilitási tartalékokat,
  • bemutatni és értelmezni a szabályozók méretezéséhez használt specifikációk elemeit, a méretezéskor figyelembe vett elméleti és gyakorlati korlátozásokat,
  • modellalapú szabályozótervezési paradigmákat és eljárásokat alkalmazni folytonos és diszkrét idejű, egyváltozós lineáris rendszerek esetében a szabályozandó szakasz különböző reprezentációiból kiindulva, továbbá ezek közül kiválasztani a használandó eljárást az adott szabályozási feladathoz,
  • alkalmazni a Matlab/Simulink fejlesztőkörnyezet szabályozási körök analízisét és szabályozók méretezését támogató szolgáltatásait,
  • elmagyarázni az egyváltozós, stabil átviteli függvények paramétereinek azonosításának menetét,
  • későbbi tanulmányok során speciális irányításelméleti kurzusok (optimális és robusztus irányítás, identifikáció, nemlineáris rendszerek irányítása stb.), illetve irányítástechnikai ismeretekre épülő specializációk (irányítórendszerek, beágyazott rendszerek, intelligens robotok és járművek) és tantárgyak felvételére, valamint laborgyakorlatok elvégzésére.
8. A tantárgy részletes tematikája

Az előadások részletes tematikája:

1. Irányítástechnikai és szabályozástechnikai alapfogalmak (2 óra előadás): Az irányítás fogalma, irányítási struktúrák, az érzékelés-döntés-beavatkozási hurok. Szabályozás és vezérlés elve, összehasonlításuk. Működési vázlat, hatásvázlat, a szabályozási körök elemei, külső és belső jelei. Az alapjelkövetési és a zavar-, valamint zajelnyomási feladat. Szabályozási körök statikus és dinamikus minőségi jellemzői, hibaintegrálok. Szabályozások osztályozása. Egyes rendszerek, folyamatok modellezése a fizikai törvényszerűségek alkalmazásával (példákon keresztül). Folytonosidejű nemlineáris rendszer állapotegyenletének munkaponti linearizálása.

2. Folytonosidejű lineáris szabályozások analízise frekvenciatartományban (4 óra előadás): Alapkapcsolások, felnyitott kör, visszacsatolt rendszer, a szabályozási kör külső és belső változói közötti átvitelek. A körerősítés és típusszám, a szabályozási kör állandósult állapota. Tranziensek közelítése domináns póluspárral. Felnyitott kör aszimptotikus amplitúdó-jelleggörbéjének felrajzolása, a vágási frekvencia meghatározása, az alapjelkövetés sávszélessége. A szabályozási kör stabilitása, zérus állapot és zérus bemenet stabilitás. Stabilitás kritériumok: Nyquist-kritérium, Bode-kritérium, fázistöbblet, erősítéstöbblet, vágási frekvenciák. A stabilitási tartalék jellemzése.

3. Folytonosidejű lineáris szabályozások tervezése frekvenciatartományban (4 óra előadás): PID típusú szabályozók: az arányos, integráló és ideális/közelítő deriváló hatások és kombinációik. Integrátor telítődésének megelőzésére alkalmazható antiwindup megoldások. A P/PI/PD/PID szabályozók jellemzői. PID szabályozók hangolása előírt statikus pontosság és fázistöbblet esetén a sávszélességet maximalizáló pólus-zérus kiejtési stratégiák alkalmazásával, illetve a beavatkozó jel korlátosságának figyelembe vételével. Holtidős tagot tartalmazó rendszer irányítása: az ideális holtidős tag jellemzői és integráló szabályozása.

4. Diszkrétidejű lineáris szabályozások analízise (2 óra előadás): A Shannon-féle mintavételezési törvény. Tartószervek alkalmazása az ideális aluláteresztő szűrő helyett, következmények a szabályozási kör stabilitására. Folytonosidejű szakasz és szabályozó diszkrétidejű megfelelője nulladrendű tartószerv esetén. Analóg kompenzáló tagok (PID szabályozók) mintavételes implementálása: differenciáló és integráló operátorok mintavételes közelítése, egységugrás ekvivalencia.

5. Diszkrétidejű lineáris szabályozások tervezése (4 óra előadás): A mintavételes PID-szabályozó hardver/szoftver megvalósítása. Nagy késleltetést tartalmazó rendszer szabályozása Smith-prediktorral. Véges beállású (deadbeat) szabályozás elve, a zárt kör átviteli függvényeinek tulajdonságai, a szabályozó tervezésének visszavezetése korrekciós polinom meghatározásra. Kétszabadságfokú szabályozás tervezése: az alapjelkövetés és a zavarelnyomás tranziensenek szétválasztása a kétszabadságfokú struktúrával, a referencia modell és a megfigyelő polinom megválasztása, a tervezés visszavezetése lineáris egyenletrendszer megoldására, a kauzalitási feltételek betartása, a paraméterváltozások hatása.

6. Folytonosidejű 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. Az állapotvisszacsatolás dinamikus kiterjesztései: terhelésbecslő és integráló szabályozás méretezése.

7. Diszkrétidejű szabályozási körök analízise és szintézise állapottérben (4 óra előadás): Diszkrétidejű rendszerek elérhetősége, irányíthatósága, megfigyelhetősége és rekonstruálhatósága. Algebrai hasonlóságok és különbségek a folytonos idejű esethez képest. Pólusáthelyezés és aktuális megfigyelő tervezése diszkrétidejű rendszerek esetén, integráló szabályozás és terhelésbecslés a diszkrét idejű esetben. Az aktuális megfigyelő számításainak felbontása valós idejű implementáció esetében (predikciós és korrekciós fázisokra).

8. Állásos szabályozások (2 óra előadás): az állásos szabályozások működési elve, kapcsolási stratégiák, határciklus, az állásos szabályozás és lineáris szabályozók között átkapcsolások kezelése. 

9. Összefoglalás és kitekintés (2 óra előadás): a félév során ismertetett fogalmak, tervezési módszerek és azok összefüggéseinek rendszerezett áttekintése. A szabályozástechnika egyes modern irányzatai és újabb eredményei (példák alapján, évről évre változó illusztrációkkal). 

A gyakorlatok és számítógépes laborok részletes tematikája (minden elemhez két alkalom tartozik):

1. Jelek és rendszerek fogalmainak ismétlése, SISO LTI rendszerek megadása (állapotegyenlet és átviteli függvény), az egytárolós tag és a kéttárolós lengőtag jellemzői. Frekvencia és időtartománybeli válaszok (Nyquist-görbe, Bode-diagram, ugrásválasz, impulzusválasz). Matlab fejlesztői környezet alapfunkciói és használatuk, SISO LTI rendszerek vizsgálatának eszközei a Control System Toolbox szolgáltatásaival, az LTI böngésző (LTI viewer) használata. Hatásvázlat felépítése Simulink segítségével. Munkaponti linearizálás.

2. Szabályozási kör átviteli függvényei és analízise frekvencia tartományban. Átviteli függvények felírása a külső és a belső jelek között zárt körben. A felnyitott kör átviteli függvényének paraméterezése, körerősítés és típusszám meghatározása, állandósult állapotok számítása. Stabilitás kritériumok alkalmazása, vágási frekvencia és fázistöbblet meghatározása. (Opció: Hurwitz-kritérium bemutatása példákkal.)

3. PID szabályozók méretezése adott fázistartalékra, folytonos időben. Kézi (papír alapon elvégezhető) méretezés egyszerű (kéttárolós) szakaszokhoz. Előírt fázistartalék beállítása a felnyitott kör Bode-diagramja segítségével. A szabályozó paramétereinek számítása egyenletrendszer numerikus (Matlab által támogatott) megoldásával, hogy adott a beavatkozó jel maximális értéke. 

4. Diszkrét idejű szabályozók méretezése. Folytonos időben méretezett PID szabályozók mintavételi idejének meghatározása és differenciaegyenletük meghatározása. Kétszabadságfokú szabályozó méretezése (integrátorral és integrátor nélkül), a differenciaegyenletek meghatározása, a zárt kör szimulálása.

5. Irányíthatósági és megfigyelhetőségi kritériumok használata folytonosidejű rendszerekhez. Állapoteres szabályozók méretezése folytonos időben. A zárt kör sajátértékeinek specifikációja a szakasz sajátértékei alapján. Erősítések számítása a szabályozó komponenseihez: állapotvisszacsatolás, állapotmegfigyelő, alapjel, terhelésbecslő és integráló hatás. Labilis szakasz állapotteres szabályozása, a sajátértékek és beavatkozó jelek nagysága közötti összefüggések vizsgálata.

6. Irányíthatósági és megfigyelhetőségi kritériumok használata diszkrétidejű rendszerekhez Állapotteres szabályozók méretezése diszkrét időben. Erősítések számítása a szabályozó komponenseihez: állapotvisszacsatolás, aktuális állapotmegfigyelő, alapjel, terhelésbecslő és integráló hatás. 

7. A szakasz átviteli függvényének meghatározása mérésekből (Matlab támogatással), majd egy kiválasztott szabályozó méretezésének elvégzése. A Matlab méretezést támogató szolgáltatásinak rendszerezett összefoglalása és kitekintés a fejlesztőkörnyezet aktuális verziójában igénybe vehető további szolgáltatásira. Az elektronikus vizsgafelület kezelésének összefoglalása.

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

Heti két óra előadás, továbbá hetente 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. Az előadások elején a korábban szerepelt anyagrészek összefoglaló ismertetésére is sor kerül, ahol esetenként a fontosabb fogalmak helyes megérésének önellenőrzésére is lehetőséget biztosítunk elektronikus interaktív eszközökkel (Socrative, Kahoot, stb.). A gyakorlatokon használt fejlesztőkörnyezeti szolgáltatások folyamatosan igazodnak a felhasznált programcsomag verzióváltozásaihoz.

10. Követelmények
A szorgalmi időszakban az aláírás megszerzésének feltételei (mindegyik teljesítendő):
1. Jelenlét: az aláírás feltétele a gyakorlatokon történő rendszeres és felkészült megjelenés. A gyakorlatokon a hiányzások száma nem haladhatja meg a négy alkalmat.
2. Részteljesítmény értékelés (kisZH): a felkészültséget a 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 (bónusz pontokat) 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 vizsga pontszámába 10%-kal beszámít. A ZH-n számonkért anyagrész a teljes féléves tananyag körülbelül 50%-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.
11. Pótlási lehetőségek A ZH a szorgalmi időszakban egy alkalommal pótolható. A ZH a pótlási héten nem pótolható. A 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. Az oktatók fenntartják maguknak a jogot, hogy ne válaszoljanak olyan hallgatói levelekre/üzenetekre, ahol a szükséges információ a tárgy adatlapja vagy honlapja alapján egyértelmű.
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 tárgy honlapján, magyar és angol nyelven).
14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra56
Félévközi készülés órákra42
Felkészülés zárthelyire12
Házi feladat elkészítése
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása
Vizsgafelkészülés40
Összesen150
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta
Dr. Lantos Béla, professzor emeritus, Irányítástechnika és Informatika Tsz.
Dr. Kiss Bálint, docens, Irányítástechnika és Informatika Tsz.
Dr. Harmati István, docens, Irányítástechnika és Informatika Tsz.
IMSc tematika és módszer
Az IMSc hallgatók számára a tananyaghoz kapcsolódó készségek és kompetenciák mélyebb elsajátítását segítjük az érintett tanköröknek tartott emelt szintű gyakorlatok során az alábbiak szerint:
1. Egyes szabályozó megoldások egyszerű példarendszereken is implementálásra kerülnek.
2. 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.
3. Az IMSc gyakorlatokra kidolgozott, emelt szintű, további ismereteket és eszközöket illusztráló példák megoldásával.
IMSc pontozás
A tárgyból IMSc pontok csak jeles eredmény elérése esetén járnak. A tárgyból mindösszesen 25 IMSc pont szerezhető az alábbiak szerint:
1. Egyes kisZH-k esetében az ún. "IMSc többletfeladat" helyes megoldása esetén (összesen 5 pont).
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.
Idegen nyelvi részteljesítés követelményei
Szorgalmi időszakban: egy darab zárthelyi dolgozat (ZH - összegző teljesítményértékelés) angol nyelven történő eredményes (legalább elégséges érdemjegyű) megírása.

Vizsgaidőszakban: a vizsga írásbeli teljesítményértékelés részének angol nyelven történő megoldása.