Práce je věnována sestavení matematického modelu vícerozměrového laboratorního systému a jeho řízení. Jako vhodný systém byl vybrán dvourotorový aerodynamický systém. Jde o systém, podobný helikoptéře. Akčními zásahy, kterými jsou změny rychlosti otáčení rotorů, lze ovlivňovat jeho pohyb po omezené kulové ploše. Z pohledu řízení jde o systém se dvěma vstupy a dvěma výstupy, s možností měření rychlostí otáčení hřídelí elektromotorů. Vstupem do systému jsou napájecí napětí elektromotorů. Výstupními veličinami jsou úhlové rychlosti otáčení hřídelí elektromotorů a úhly náklonu hřídele systému. Matematický model byl sestaven matematicko-fyzikální analýzou, aplikací tzv. Newtonova modelu. Základem Newtonova modelu jsou bilanční rovnice, popisující rovnováhy působení momentů gravitačních, odstředivých a setrvačných sil. Chování systému se v celém pracovním rozsahu nelineárně mění, což je nutné zohlednit při návrhu regulátoru. První část práce se zabývá návrhem laboratorního systému a sestavení jeho matematického modelu. Druhá část práce se zabývá simulací matematického modelu v prostředí Matlab-Simulink a návrhu decentralizovaného řízení vícerozměrovým adaptivním IMC regulátorem.
Anotace v angličtině
Presented thesis is concerned to mathematical model creation of multivariable laboratory system and its control. Two-rotor aerodynamic system was selected as a suitable system. It is a system similar to a helicopter. Control actions are rotation speeds of the rotors and they influence its movement limited by a spherical surface. From the control point of view it is a system with two inputs and two outputs, with the speed measuring possibility of rotation of electric motors. Inputs into the system are supply voltages of electric motors. Output variables are the angular velocities of rotation of electric motors and tilt angles of the shaft system. First principle mathematical model was created by mathematical and physical analysis, by application called Newton's model. The base of Newton's model is the balance equations, describing the moment equilibrium effects of gravitational, centrifugal and inertial forces. System behaviour changes nonlinearly in the working range which must be taken into account when designing the controller. The first part of the thesis describes the laboratory system and creation of the mathematical model. The second part deals with the mathematical simulation model in Matlab-Simulink and design of decentralized multivariable adaptive IMC controller.
Klíčová slova
Nelineární matematický model, laboratorní systém, MIMO systém, IMC regulátor
Klíčová slova v angličtině
Nonlinear mathematical model, laboratory MIMO system, IMC controller
Rozsah průvodní práce
-
Jazyk
CZ
Anotace
Práce je věnována sestavení matematického modelu vícerozměrového laboratorního systému a jeho řízení. Jako vhodný systém byl vybrán dvourotorový aerodynamický systém. Jde o systém, podobný helikoptéře. Akčními zásahy, kterými jsou změny rychlosti otáčení rotorů, lze ovlivňovat jeho pohyb po omezené kulové ploše. Z pohledu řízení jde o systém se dvěma vstupy a dvěma výstupy, s možností měření rychlostí otáčení hřídelí elektromotorů. Vstupem do systému jsou napájecí napětí elektromotorů. Výstupními veličinami jsou úhlové rychlosti otáčení hřídelí elektromotorů a úhly náklonu hřídele systému. Matematický model byl sestaven matematicko-fyzikální analýzou, aplikací tzv. Newtonova modelu. Základem Newtonova modelu jsou bilanční rovnice, popisující rovnováhy působení momentů gravitačních, odstředivých a setrvačných sil. Chování systému se v celém pracovním rozsahu nelineárně mění, což je nutné zohlednit při návrhu regulátoru. První část práce se zabývá návrhem laboratorního systému a sestavení jeho matematického modelu. Druhá část práce se zabývá simulací matematického modelu v prostředí Matlab-Simulink a návrhu decentralizovaného řízení vícerozměrovým adaptivním IMC regulátorem.
Anotace v angličtině
Presented thesis is concerned to mathematical model creation of multivariable laboratory system and its control. Two-rotor aerodynamic system was selected as a suitable system. It is a system similar to a helicopter. Control actions are rotation speeds of the rotors and they influence its movement limited by a spherical surface. From the control point of view it is a system with two inputs and two outputs, with the speed measuring possibility of rotation of electric motors. Inputs into the system are supply voltages of electric motors. Output variables are the angular velocities of rotation of electric motors and tilt angles of the shaft system. First principle mathematical model was created by mathematical and physical analysis, by application called Newton's model. The base of Newton's model is the balance equations, describing the moment equilibrium effects of gravitational, centrifugal and inertial forces. System behaviour changes nonlinearly in the working range which must be taken into account when designing the controller. The first part of the thesis describes the laboratory system and creation of the mathematical model. The second part deals with the mathematical simulation model in Matlab-Simulink and design of decentralized multivariable adaptive IMC controller.
Klíčová slova
Nelineární matematický model, laboratorní systém, MIMO systém, IMC regulátor
Klíčová slova v angličtině
Nonlinear mathematical model, laboratory MIMO system, IMC controller
Zásady pro vypracování
-
Zásady pro vypracování
-
Seznam doporučené literatury
[1] MUSTAFA, C. Blade Element Theory, Anadolu University, School of Civil Aviation Eskisehir, Turkey
[2] SEDDON, J. Basic Helicopter Aerodynamics, 2nd Edition, AIAA, Washington, DC, 2001.
[3] MURRAY-SMITH, D.J. Modelling limitations for helicopter flight control system design, in EUROSIM'95, pp. 397-402, 1995.
[4] PADFIELD, G.D. Helicopter Flight Dynamics: The Theory and Application of Flying Qualities and Simulation Modelling. Education Series, Reston, VA, USA: AIAA, 1996.
[5] WAN, E.A., BOGDANOV, A.A. Model predictive neural control with applications to a 6 DOF helicopter model, in American Control Conference, (Arlington, VA), pp. 488-493, IEEE, June 25-27 2001.
[6] KOO, T.J., SASTRY, S. Output tracking control design of a helicopter model based on approximation linearization, in 37th Conference on Decision and Control, (Tampa, Florida, USA), pp. 3635-3640, IEEE, Dec. 1998.
[7] WEILENMANN, M.F., CHRISTEN, U., GEERING, H.P. Robust helicopter position control at hover, in American Control Conference, (Baltimore, Maryland, USA), pp. 2491-2495, IEEE, June 1994.
[8] D. J. WALKER, M. C. TURNER, A. J. SMERLAS, M. E. STRANGE, AND A. W. GUBBELS, Robust control of the longitudinal and lateral dynamics of the BELL 205 helicopter, in American Control Conference, (San Diego, California, USA), pp. 2742-2746, IEEE, June 1999.
[9] CORBAN, J.E., CALISE, A. J., PRASAD, J. V. R. Implementation of adaptive nonlinear kontrol for flight test on an unmanned helicopter, in 37th Conference on Decision and Control, (Tampa, Florida, USA), pp. 3641-3646, IEEE, Dec. 1998.
[10] BINK, J.J., SHARF, I., GOOL, P.C.A., MULDER, J.A., Design of stability augmentation systém for a model helicopter, in American Helicopter Society Annual Forum, (Washington, D.C.), AHS, May 20-22 1998.
[11] MAMMAR, S., DUC, G. Loop shaping H1 design applied to the robust stabilization of a helicopter, in Conference on Control Applications, vol. 2, pp. 806-811, IEEE, Sept. 13-16 1992.
[12] ROCK, S.M., FREW, E.W., JONES, H., LEMASTER, E.A., WOODLEY, B.R., Combined CDGPS and vision-based control of a small autonomous helicopter, in American Control Conference, (Philadelphia, Pennsylvania), pp. 694-698, IEEE, June 1998.
[13] SANDERS, C.P., DEBITETTO, P.A., FERON, E., VUONG, H.F., LEVESON, N. Hierarchical control of small autonomous helicopters, in Conference on Decision and Control, (Tampa, Florida, USA), pp. 3629-3634, IEEE, Dec. 1998.
[14] LAI, G., FREGENE, K., WANG, D., A control structure for autonomous model helicopter, in Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, (Halifax, Nova Scotia, Canada), pp. 103-107, IEEE, May 2000.
[15] KOO, T.J., HOFFMANN, F., SHIM, H., SINOPOLI, B., SASTRY, S. Hybrid control of an autonomous helicopter, in IFAC Workshop on Motion Control, pp. 265-270, IEEE, Sept. 1998.
[16] BRAMWELL, A. Helicopter Dynamics. London, U.K.: Edward Arnold, 1976.
[17] FRAZZOLI, E., DAHLEH, M.A., FERON, E., A hybrid control architecture for aggressive manoeuvring of autonomous helicopters, in Conference on Decision and Control, (Phoenix, Arizona, USA), pp. 2471-2476, IEEE, Dec. 1999.
[18] FRAZZOLI, E., DAHLEH, M.A., FERON, E., Robust hybrid control for autonomous vehicle motion planning, tech. rep., Massachusetts Institute of Technology, 1999.
[19] MAHONY, R., LOZANO, R. (Almost) exact path tracking control for an autonomous helicopter in hover manoeuvres, in International Conference on Robotics and Autonomous, (San Francisco, CA, USA), pp. 1245-1250, IEEE, Apr. 2000.
[20] MORRIS, J.C., NIEUWSTADT, M., BENDOTTI, P., Identification and control of a model helicopter in hover, in American Control Conference, (Baltimore, Maryland), pp. 1238-1242, IEEE, June 1994.
[21] MAHONY, R., HAMEL, T., DZUL, A., Hover control via lyapunov control for an autonomous model helicopter in 38th Conference on Decision and Control, (Phoenix, Arizona, USA), pp. 3490-3495, IEEE, Dec. 1999.
[22] www.feedback-group.com 4.3.2009
[23] http://www.humusoft.cz/produkty/models/ce150/ 2.8.2
Seznam doporučené literatury
[1] MUSTAFA, C. Blade Element Theory, Anadolu University, School of Civil Aviation Eskisehir, Turkey
[2] SEDDON, J. Basic Helicopter Aerodynamics, 2nd Edition, AIAA, Washington, DC, 2001.
[3] MURRAY-SMITH, D.J. Modelling limitations for helicopter flight control system design, in EUROSIM'95, pp. 397-402, 1995.
[4] PADFIELD, G.D. Helicopter Flight Dynamics: The Theory and Application of Flying Qualities and Simulation Modelling. Education Series, Reston, VA, USA: AIAA, 1996.
[5] WAN, E.A., BOGDANOV, A.A. Model predictive neural control with applications to a 6 DOF helicopter model, in American Control Conference, (Arlington, VA), pp. 488-493, IEEE, June 25-27 2001.
[6] KOO, T.J., SASTRY, S. Output tracking control design of a helicopter model based on approximation linearization, in 37th Conference on Decision and Control, (Tampa, Florida, USA), pp. 3635-3640, IEEE, Dec. 1998.
[7] WEILENMANN, M.F., CHRISTEN, U., GEERING, H.P. Robust helicopter position control at hover, in American Control Conference, (Baltimore, Maryland, USA), pp. 2491-2495, IEEE, June 1994.
[8] D. J. WALKER, M. C. TURNER, A. J. SMERLAS, M. E. STRANGE, AND A. W. GUBBELS, Robust control of the longitudinal and lateral dynamics of the BELL 205 helicopter, in American Control Conference, (San Diego, California, USA), pp. 2742-2746, IEEE, June 1999.
[9] CORBAN, J.E., CALISE, A. J., PRASAD, J. V. R. Implementation of adaptive nonlinear kontrol for flight test on an unmanned helicopter, in 37th Conference on Decision and Control, (Tampa, Florida, USA), pp. 3641-3646, IEEE, Dec. 1998.
[10] BINK, J.J., SHARF, I., GOOL, P.C.A., MULDER, J.A., Design of stability augmentation systém for a model helicopter, in American Helicopter Society Annual Forum, (Washington, D.C.), AHS, May 20-22 1998.
[11] MAMMAR, S., DUC, G. Loop shaping H1 design applied to the robust stabilization of a helicopter, in Conference on Control Applications, vol. 2, pp. 806-811, IEEE, Sept. 13-16 1992.
[12] ROCK, S.M., FREW, E.W., JONES, H., LEMASTER, E.A., WOODLEY, B.R., Combined CDGPS and vision-based control of a small autonomous helicopter, in American Control Conference, (Philadelphia, Pennsylvania), pp. 694-698, IEEE, June 1998.
[13] SANDERS, C.P., DEBITETTO, P.A., FERON, E., VUONG, H.F., LEVESON, N. Hierarchical control of small autonomous helicopters, in Conference on Decision and Control, (Tampa, Florida, USA), pp. 3629-3634, IEEE, Dec. 1998.
[14] LAI, G., FREGENE, K., WANG, D., A control structure for autonomous model helicopter, in Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, (Halifax, Nova Scotia, Canada), pp. 103-107, IEEE, May 2000.
[15] KOO, T.J., HOFFMANN, F., SHIM, H., SINOPOLI, B., SASTRY, S. Hybrid control of an autonomous helicopter, in IFAC Workshop on Motion Control, pp. 265-270, IEEE, Sept. 1998.
[16] BRAMWELL, A. Helicopter Dynamics. London, U.K.: Edward Arnold, 1976.
[17] FRAZZOLI, E., DAHLEH, M.A., FERON, E., A hybrid control architecture for aggressive manoeuvring of autonomous helicopters, in Conference on Decision and Control, (Phoenix, Arizona, USA), pp. 2471-2476, IEEE, Dec. 1999.
[18] FRAZZOLI, E., DAHLEH, M.A., FERON, E., Robust hybrid control for autonomous vehicle motion planning, tech. rep., Massachusetts Institute of Technology, 1999.
[19] MAHONY, R., LOZANO, R. (Almost) exact path tracking control for an autonomous helicopter in hover manoeuvres, in International Conference on Robotics and Autonomous, (San Francisco, CA, USA), pp. 1245-1250, IEEE, Apr. 2000.
[20] MORRIS, J.C., NIEUWSTADT, M., BENDOTTI, P., Identification and control of a model helicopter in hover, in American Control Conference, (Baltimore, Maryland), pp. 1238-1242, IEEE, June 1994.
[21] MAHONY, R., HAMEL, T., DZUL, A., Hover control via lyapunov control for an autonomous model helicopter in 38th Conference on Decision and Control, (Phoenix, Arizona, USA), pp. 3490-3495, IEEE, Dec. 1999.
[22] www.feedback-group.com 4.3.2009
[23] http://www.humusoft.cz/produkty/models/ce150/ 2.8.2
Přílohy volně vložené
-
Přílohy vázané v práci
-
Převzato z knihovny
Ne
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Obhajobu zahájil předseda komise v 13:05 hod. představením disertanta Ing. Havlíčka. Vedoucí školícího pracoviště doc. Dušek seznámil komisi se stanoviskem školícího pracoviště a školitel doc. Macháček doporučením školitele.
Disertant ve 25 minutovém vystoupení seznámil komisi s obsahem své disertační práce, cílem disertace, metodami řešení a dosaženými výsledky.
Oponenti v pořadí prof. Bobál, prof. Olehla a doc. Kmínek přednesli své oponentské posudky. Všichni práci hodnotili kladně a doporučili k obhajobě. Disertant na položené otázky odpověděl souhrnně podle připravených podkladů. Oponenti odpovědi a stanoviska disertanta v plném rozsahu akceptovali.
Ve veřejné rozpravě položili disertantovi otázky
prof. Bobál - práci hodnotil velice kladně včetně vlastnoručně vyrobeného přístroje,
na kterém předváděl svou praktickou část disertační práce. Prokázal velké znalosti z technické matematiky.Měl drobné připomínky k teoretické části.
Doporučil práci k obhajobě
Vysvětlení charakteristik - nelineárního systému
prof. Olehla - Práce byla hodnocena velice kladně. Práce byla doporučena k obhajobě
Naměřená data, je tam nějaké omezení pro použití této metody nejmenších čtverců?
Jakou metodu používáte pro parametrické řešení?
Jak silně ovlivňuje rozdíl mezi teorií a praxí?
Jak jste určil uvedené hodnoty?
Co by se stalo při použití metody přechodové charakteristiky?
doc. Kmínek - pozastavení u otázky zavedení modelu do výuky, připomínky ke slohu práce a větné stavbě. Práce byla hodnocena velice kladně. Práce byla doporučena k obhajobě
Vysvětlení velikostí vrtulí.
Co je to moment pružiny?
Co by měly studenti řešit na tomto modelu? Které konkrétní parametry budou studenti nastavovat?
Je možné změnit protisílu? Je možné odstranit kabely a řídit model neupoutaný?
Zkoušel jste také reakce ke změně poruchy?
doc. Bakošová
Jak byste vysvětlil změny průběhu upoutaného modelu?
doc. Dušek
Řízení běží z PC?
Jak často je to vzorkované?
Jaké je doba ustálení?
Jsou problémy s adaptibilitou při častém vzorkování?
Relé ve zpětné vazbě bylo 7Hz?
prof. Dostál
Plánujete vyzkoušet do budoucna ještě jiné metody?
Disertant na všechny otázky zevrubně odpověděl, členové komise odpovědi akceptovali.
Na neveřejném zasedání komise zhodnotila průběh obhajoby.
Proběhla volba skrutátorů (prof. Dostál a doc. Kmínek) a následně tajné hlasování. Školitel doc. Macháček se hlasování nezúčastnil. O výsledku hlasování byl vyplněn a podepsán protokol. Rovněž byl podepsán zápis o obhajobě.
Komise ukončila svojí práci v 15:00 veřejným vyhlášením kladného výsledku obhajoby disertační práce.
prof. Taufer, předseda komise
prof. Bobál, člen komise + oponent
prof. Olehla, člen komise + oponent
prof. Dostál, člen komise
prof. Schmidt, člen komise
doc. Dušek, člen komise
doc. Kmínek, člen komise + oponent
doc. Bakošová, členka komise
doc. Macháček, člen komise + školitel