Detail předmětu

Počítačové modelování a simulace

FEKT-BPMSAk. rok: 2013/2014

Předmět se zabývá problematikou počítačového modelování a simulací s důrazem na využití v energetice. Cílem je zvládnutí hlavních počítačových programů pro podporu simulací. V rámci výuky se studenti postupně dozví hlavní metody tvorby počítačových modelů a způsoby provádění simulací s těmito modely. Důraz je kladen za vysvětlení obecně platných teorií jako jsou např. fyzikální domény, vztahy mezi rozdílovými a průtokovými veličinami, zevšeobecněné zákony elektrotechniky. Výuka probíhá prakticky na počítačích a studenti se přímo učí danou teorii aplikovat v praktických příkladech.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav elektroenergetiky (UEEN)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu bude schopen:
- provést rozbor reálného fyzikálního systému a identifikovat vstupy, výstupy a stavové veličiny
- vysvětlit rozdíl mezi statickým a dynamickým systémem
- popsat význam fyzikálních domén a jejich hlavní veličiny
- vytvořit jednoduchý simulační program v prostředí MATLAB/SIMULINK
- vytvořit simulační program v prostřědí DYNAST
- vybrat vhodný počítačový program pro danou úlohu v energetice

Prerekvizity

Student, který si předmět zapíše, by měl být schopen vysvětlit základní zákony elektrotechniky. Obecně jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia, ale je vhodné mít vyšší znalost práce na PC v prostředí operačního systému Windows.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a cvičení na počítači. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává jeden samostatný projekt.

Způsob a kritéria hodnocení

až 80 bodů za samostatný projekt vytvoření a prezentace simulační úlohy
až 20 bodů za doplňkovou aktivitu v rámci počítačových cvičení.

Osnovy výuky

1. Úvod do počítačového modelování, obecné vysvětlení problematiky počítačových simulací
2. Opakování a rozšíření znalostí o programu MATLAB, základy programovacího jazyka, zápis čísel, práce s maticemi a komplexními čísly
3. Využití MATLABu pro řešení elementárních úloh, stejnosměrné a střídavé obvody, třífázová soustava, harmonické funkce a veličiny, komplexní čísla
4. Výpočty přechodových dějů, jednoduché obvody s akumulačními prvky, numerická derivace a integrál
5. Seznámení s programem DYNAST, podstata fyzikálních domén, rozdílové, průtokové veličiny, výkonové a energetické veličiny, jejich multidisciplinární vztah, význam pro energetiku
6. Nelineární obvody a jejich numerické řešení s využitím počítače, iterační algoritmy, řešení soustav nelineárních rovnic, tvorba modelů v DYNASTu, knihovny prvků, tvorba simulačních schémat
7. Matematické modely elektrických, mechanických, tepelných, magnetických, pneumatických prvků, identifikace systémů a jejich počítačové reprezentace pomocí základních funkčních bloků
8. SIMULINK jako simulační nádstavba MATLABu, základy ovládání, tvorby modelů, vstupy, stavy, výstupy, propojení s MATLABem, export a import dat
9. Příklady využití SIMULINKu pro modelování třífázových soustav, vyčíslení efektivních hodnot obvodových veličin, vyhodnocení výkonu, převod časových veličin na komplexní čísla
10. Tvorba komplexnějších systémů, práce se subsystémy, ovládací prvky pro řízení simulace.

Učební cíle

Cílem předmětu je především zlepšení praktických dovedností studentů v oblasti práce s počítačem při řešení jednoduchých fyzikálních úloh souvisejících s elektrotechnikou a energetikou. Studenti by měli získat dovednosti, které jim umožní mnohem lépe řešit řadu úloh, které se později vyskytují v rámci celého studia energetiky. Důraz je kladen na pochopení principů a podstaty matematických modelů a procesu simulace. Díky výhradně praktické výuce na počítačích získají rutinní návyky, které využijí jak ve studiu tak praxi. Budou schopni se kvalifikovaně rozhodnout, jaký postup a počítačový program zvolit pro řešení konkrétního problému, což se ukazuje jako klíčový prvek.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Počítačová cvičení jsou nepovinná, ale studenti během cvičení získávají body za aktivitu a řešení krátkých úkolů. Semestrální projekt je povinný a jeho odevzdání je podmínkou získání klasifikovaného zápočtu.

Základní literatura

Klaus Tkotz a kol.: Příručka pro elektrotechnika, EUROPA - SOBOTÁLES cz, Praha 2002, ISBN 80-86706-00-1
Noskievič, P.: Modelování a identifikace systémů, Montanex 1999, Ostrava, ISBN 80-7225-030-2
Schindler, J.: Simulace a optimalizace systémů, Ostrava 1983
Simulink - Documentation, [online], 1984-2011- The MathWorks, Inc., Available from: http://www.mathworks.com/help/toolbox/simulink/
Using MATLAB, MATLAB 6, The MathWorks, Inc. 2000, Reference Manual

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-SEE , 3 ročník, letní semestr, volitelný oborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1 ročník, letní semestr, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Cvičení na počítači

65 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do počítačového modelování, obecné vysvětlení problematiky počítačových simulací
2. Opakování a rozšíření znalostí o programu MATLAB, základy programovacího jazyka, zápis čísel, práce s maticemi a komplexními čísly
3. Využití MATLABu pro řešení elementárních úloh, stejnosměrné a střídavé obvody, třífázová soustava, harmonické funkce a veličiny, komplexní čísla
4. Výpočty přechodových dějů, jednoduché obvody s akumulačními prvky, numerická derivace a integrál
5. Seznámení s programem DYNAST, podstata fyzikálních domén, rozdílové, průtokové veličiny, výkonové a energetické veličiny, jejich multidisciplinární vztah, význam pro energetiku
6. Nelineární obvody a jejich numerické řešení s využitím počítače, iterační algoritmy, řešení soustav nelineárních rovnic, tvorba modelů v DYNASTu, knihovny prvků, tvorba simulačních schémat
7. Matematické modely elektrických, mechanických, tepelných, magnetických, pneumatických prvků, identifikace systémů a jejich počítačové reprezentace pomocí základních funkčních bloků
8. SIMULINK jako simulační nádstavba MATLABu, základy ovládání, tvorby modelů, vstupy, stavy, výstupy, propojení s MATLABem, export a import dat
9. Příklady využití SIMULINKu pro modelování třífázových soustav, vyčíslení efektivních hodnot obvodových veličin, vyhodnocení výkonu, převod časových veličin na komplexní čísla
10. Tvorba komplexnějších systémů, práce se subsystémy, ovládací prvky pro řízení simulace.
11. Seznámení s programem Mathematica, práce s notebookem, vyhodnocení základních výrazů, možnosti modelování a simulací
12. Využití programu Mathematica pro podporu modelování, ověřování matematického aparátu, tvorba dokumentace
13. Ukázka dalších programů (ATP, PSCAD, NetCALC) a jejich využití pro řešení úloh z energetiky, řechodové děje, ustálených chod sítí.