Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου Ι

ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος οι φοιτητές/ήτριες θα είναι σε θέση να:

• Κατανοούν τη βασική δομή των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου συνεχούς χρόνου και τις θεμελιώδεις αρχές που διέπουν τη δυναμική συμπεριφορά τους.
• Εφαρμόσουν μαθηματικά εργαλεία και τεχνικές ελέγχου που χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση και τη δυναμική ανάλυση της λειτουργίας γραμμικών συστημάτων αυτομάτου ελέγχου συνεχούς χρόνου στο πεδίο της συχνότητας.
• Σχεδιάσουν και να ρυθμίσουν τις παραμέτρους ελεγκτών συνεχούς χρόνου με στόχο τη βελτίωση της λειτουργίας των συστημάτων στα οποία εφαρμόζονται.

 

Γενικές Ικανότητες

• Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
• Λήψη αποφάσεων
• Αυτόνομη εργασία
• Ομαδική εργασία
• Σχεδιασμός και διαχείριση έργων
• Παραγωγή νέων ερευνητικών ιδεών

 

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

1. Ενότητα 1:Εισαγωγή στα συστήματα αυτομάτου ελέγχου – η έννοια της ανατροφοδότησης (1η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή γίνεται μια εισαγωγή στις βασικές έννοιες των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Στη συνέχεια παρουσιάζονται οι διάφοροι τύποι φυσικών συστημάτων αυτομάτου ελέγχου, και αναπτύσσεται η ταξινόμηση τους, οι βασικές αρχές της παράστασης, σχεδίασης και εκτίμησης της απόδοσης τους. Αναλύονται τα πλεονεκτήματα των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου και γίνεται ιστορική αναδρομή. Τέλος, οι φοιτητές εισάγονται στις έννοιες της ανατροφοδότησης και στις διαφορές των συστημάτων ελέγχου ανοιχτού και κλειστού βρόχου.
2. Ενότητα 2: Μαθηματική μοντελοποίηση συστημάτων αυτομάτου ελέγχου / Μετασχηματισμός Laplace (2η και 3η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή οι φοιτητές εισάγονται στην έννοια του δυναμικού μαθηματικού μοντέλου. Επίσης γίνεται επανάληψη στον ορισμό και στις ιδιότητες του μετασχηματισμού Laplace δίνοντας έμφαση στα σημεία που χρειάζονται για την ανάλυση συστημάτων αυτομάτου ελέγχου στο πεδίο της συχνότητας. Αναλύονται επίσης τα στοιχειώδη ομαλά και ανώμαλα σήματα, καθώς και οι τεχνικές γραμμικοποίησης μη γραμμικών συστημάτων.
3. Ενότητα 3:Συναρτήσεις μεταφοράς –Διαγράμματα βαθμίδων –Διαγράμματα ροής σημάτων (4η και 5η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή ορίζεται η έννοια της συνάρτησης μεταφοράς και μελετάται η επίδραση των πόλων στην ευστάθεια και δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Στη συνέχεια εισάγεται η έννοια του διαγράμματος βαθμίδων και του διαγράμματος ροής σήματος. Τέλος, αναλύονται μεθοδολογίες εύρεσης της συνάρτησης μεταφοράς σύνθετων συστημάτων με βάση τα διαγράμματα βαθμίδων ή τα διαγράμματα ροής σημάτων τους.
4. Ενότητα 4: Δυναμική απόκριση συστημάτων πρώτης και δεύτερης τάξης (6η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή ορίζονται τα συστήματα πρώτης και δεύτερης τάξης και δίνονται παραδείγματα τέτοιων συστημάτων. Στη συνέχεια παρουσιάζονται βασικές έννοιες που συνδέονται με τα συστήματα πρώτης και δεύτερης τάξης (ενίσχυση, σταθερά χρόνου, απόσβεση, φυσική ιδιοσυχνότητα), μελετάται η δυναμική απόκριση βάσει αυτών των παραμέτρων και παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά της μεταβατικής απόκρισης (χρόνος ανόδου, χρόνος αποκατάστασης, μέγιστη υπερύψωση).
5. Ενότητα 5: Σφάλματα σε μόνιμη κατάσταση (7η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού σφάλματος σε μόνιμη κατάσταση με χρήση του θεωρήματος τελικής τιμής και γίνεται αναφορά στα σφάλματα θέσης, ταχύτητας και επιτάχυνσης, καθώς επίσης και σε σφάλματα για εισόδους τυχαίας μορφής.
6. Ενότητα 6: Ευστάθεια γραμμικών συστημάτων με το κριτήριο Routh–Hurwitz (8η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή γίνεται εμβάθυνση στις έννοιες της ευστάθειας γραμμικών συστημάτων και παρουσιάζεται το κριτήριο ευστάθειας Routh-Hurwitz. Μελετάται επίσης η χρήση του κριτηρίου Routh–Hurwitz για τον προσδιορισμό των περιοχών ευστάθειας του συστήματος.
7. Ενότητα 7: Ελεγκτές P, PI, PD, PID (9η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται οι βασικές αρχές του αναλογικού, του ολοκληρωτικού και του διαφορικού ελεγκτή και ο συνδυασμός τους για τη δημιουργία ελεγκτών PI, PD και PID. Επίσης, γίνεται αναφορά στο πρόβλημα της ρύθμισης παραμέτρων (tuning) ενός PID ελεγκτή και παρουσιάζεται η μέθοδος Ziegler-Nichols.
8. Ενότητα 8: Γεωμετρικός τόπος ριζών (10η και 11η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή παρουσιάζεται η έννοια του γεωμετρικού τόπου ριζών, αναπτύσσεται η μεθοδολογία συστηματικής κατασκευής του και αναλύεται η συσχέτιση του με τη δυναμική συμπεριφορά και την ευστάθεια των συστημάτων.
9. Ενότητα 9: Διαγράμματα Bode και Nyquist – Σχετική ευστάθεια (12η και 13η Εβδομάδα)
   Στην ενότητα αυτή παρουσιάζονται οι έννοιες της ημιτονοειδούς συνάρτησης μεταφοράς και της απόκρισης στο πεδίο της συχνότητας. Αναλύονται οι γενικοί κανόνες χάραξης των διαγραμμάτων Bode και Nyquist. Παρουσιάζεται το κριτήριο ευστάθειας Nyquist, γίνεται αναφορά στην έννοια της σχετικής ευστάθειας, και παρουσιάζονται οι έννοιες και ο υπολογισμός των περιθωρίων ενίσχυσης και φάσης.

 

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ

Ι. Γραπτή τελική εξέταση
ΙΙ. Εργασίες στο σπίτι (προαιρετικά)

 

ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Ελληνική:

1. Π. Μαλατέστας “Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου”, 2η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2017.
2. Α. Βελώνη, Δ. Κανδρής, “Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου”, Εκδόσεις Τζιόλα, 2017.
3. Π. Μαλατέστας, “Ασκήσεις Συστημάτων Αυτόματου Ελέγχου, 2η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2014.
4. K. Ogata, “Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου”, Εκδόσεις Φούντας, 2011.
5. R. Dorf, R. Bishop, “Σύγχρονα συστήματα αυτόματου ελέγχου”, 13η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2017
6. B. Kuo, F. Golnaraghi, “Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου”, Εκδόσεις Ίων, 2010.
7. J. DiStefano, Α. Stubberud, Ι. Williams, “Θεωρία και προβλήματα στα συστήματα αυτομάτου ελέγχου αναλογικών και ψηφιακών συστημάτων”, 2η Έκδοση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2004.
8. R. Stefani, B. Shahian, C. Savant, G. Hostetter, “Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου”, Εκδόσεις Επίκεντρο, 2012.
9. Π. Παρασκευόπουλος, Εισαγωγή στον Αυτόματο Έλεγχο, Τόμοι Α και Β, αυτοέκδοση, 2007.

 

Ξενόγλωσση:

1. K. Ogata, “Modern Control Engineering”, 5th Prentice Hall.
2. R. Dorf, R. Bishop, “Modern Control Systems”, 13th Edition, Prentice Hall.
3. B. Kuo, F. Golnaraghi, “Automatic Control Systems”, 9th Edition, Wiley.
4. N. Nis., “Control Systems Engineering”, 7th Edition, Wiley.
5. J. D’Azzo, C. Houpis, “Linear Control System Analysis and Design: Conventional and Modern”, 4th Edition, McGraw-Hill.
6. J. Distefano, Α. Stubberud, Ι. Williams, “Schaum’s Outline of Feedback and Control Systems”, 2nd Edition, McGraw-Hill.

 

Συναφή επιστημονικά περιοδικά:

1. IEEE Transactions on Automatic Control
2. IEEE Transactions on Control Systems Technology
3. Automatica
4. Control Engineering Practice
5. Journal of Process Control
6. Systems and Control Letters