Дисертації (ТПЗА)
Постійне посилання зібрання
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Автоматизація процесів управління енергоємними технологічними процесами(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Гутовський, Дмитро Васильович; Жученко, Олексій АнатолійовичГутовський Д.В. Автоматизація процесів управління енергоємними технологічними процесами. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології» (галузь знань 15 «Автоматизація та приладобудування»). — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена розв'язанню науково-прикладної задачі підвищення енергоефективності випалу цементного клінкеру за рахунок розроблення інтелектуальної системи автоматизованого керування тепловим режимом комбінованої пічної системи в умовах використання альтернативного палива зі змінними характеристиками. У ролі представницького матеріалу для альтернативного палива в роботі досліджується оптоволоконний кабель від безпілотних літальних апаратів — побічний продукт збройної агресії російської федерації проти України, що накопичився в обсягах десятків тисяч кілометрів і досі не має ефективних шляхів утилізації. Питома енергоємність вітчизняного цементного виробництва на 15–25 % перевищує середньоєвропейські показники, тому навіть незначне зниження питомих витрат теплової енергії в одному технологічному переділі дає суттєвий ефект у масштабах галузі. Перешкодою для масштабного застосування альтернативного палива є виражена стохастична варіативність його теплотехнічних характеристик: коефіцієнт варіації нижчої теплоти згоряння для досліджуваного оптоволоконного кабелю сягає 10–25 %, що значно ускладнює стабілізацію температури зони спікання при використанні класичних ПІДрегуляторів. Існуючі промислові системи керування орієнтовані на стабільне паливо й передбачають корекції за непрямими параметрами; адаптація до змінного складу палива у замкненому контурі реального часу здебільшого відсутня. Саме це обумовило коло задач дисертаційного дослідження. Метою роботи є підвищення енергоефективності випалу цементного клінкеру шляхом розроблення інтелектуальної системи автоматизованого керування тепловим режимом комбінованої пічної системи «декарбонізатор — обертова піч — холодильник», здатної компенсувати збурення від нестабільності характеристик альтернативного палива у режимі реального часу. Об'єктом дослідження є технологічний процес випалу клінкеру в комбінованій пічній системі цементного виробництва за умов застосування альтернативного палива зі змінними теплотехнічними характеристиками. Предметом дослідження є методи й засоби автоматизованого керування тепловим режимом та енергоспоживанням комбінованої пічної системи, побудовані на поєднанні комбінованих регуляторів з випереджувальною компенсацією, нечіткої логіки, спостерігачів стану та нейромережевого прогнозування. Для вирішення поставлених задач використано: методи математичного моделювання та обчислювального експерименту — для побудови моделей тепломасообміну в пічній системі; методи теорії автоматичного керування — для синтезу комбінованих регуляторів та аналізу стійкості; методи нечіткої логіки — для побудови підсистеми оперативного оцінювання теплотехнічних характеристик палива; методи машинного навчання (рекурентні нейронні мережі архітектури LSTM) — для короткострокового прогнозування температурного режиму; методи багатокритеріальної оптимізації — для розв'язання задачі координованого розподілу теплового навантаження; лабораторні методи (бомбова калориметрія, термогравіметричний аналіз) — для характеризації зразків альтернативного палива. Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому. Уперше розроблено математичну модель горіння палива зі стохастично змінною калорійністю, яка враховує мультиплікативний характер збурень і дозволяє кількісно оцінити вплив варіативності теплотехнічних характеристик альтернативного палива на температурний режим пічної системи з похибкою не більш ніж 3 % при варіаціях нижчої теплоти згоряння до ±20 %. Удосконалено метод синтезу комбінованих регуляторів теплового режиму пічної системи через введення каналу випереджувальної компенсації збурень від нестабільності характеристик палива, що, на відміну від традиційних підходів, забезпечує зменшення коливань температури зони спікання на 47–57 % порівняно з базовим ПІД-регулятором. Уперше запропоновано нечітку систему оперативної оцінки енергетичних властивостей альтернативного палива за непрямими показниками (насипна густина, вологість, розмір частинок, тип полімерної оболонки), що, на відміну від лабораторних методів, дозволяє адаптувати параметри керування з затримкою менш ніж 5 с замість години-двох на лабораторний аналіз. Набуло подальшого розвитку застосування рекурентних нейронних мереж архітектури LSTM для короткострокового прогнозування температурного режиму обертової печі: запропоновано архітектуру з двома прихованими шарами (64 та 32 нейрони), що враховує оцінку калорійності альтернативного палива у вхідному векторі ознак та забезпечує середньоквадратичну похибку прогнозу 9,8 °C на горизонті 15 хв. Удосконалено алгоритм координованого керування розподілом теплового навантаження між пальниками печі та декарбонізатора через адаптацію коефіцієнта розподілу до характеристик палива методом оптимізації з ковзним горизонтом, що забезпечує зниження питомої витрати тепла на 5 % і максимальне термічне заміщення до 35–40 % при збереженні якості клінкеру. Практичне значення одержаних результатів. Розроблені алгоритми, нечітка база правил, навчена нейромережева модель та структура комбінованих регуляторів утворюють завершений програмно-алгоритмічний комплекс, придатний до інтеграції з наявними промисловими SCADA/DCS-системами через стандартизовані інтерфейси (OPC UA, Modbus TCP). Запропоновані рішення можуть бути використані на цементних заводах України для зниження питомих витрат теплової енергії, розширення частки альтернативного палива в паливному балансі та утилізації полімервмісних відходів військового походження. Матеріали роботи придатні до використання у навчальному процесі при викладанні дисциплін «Автоматизація технологічних процесів» та «Інтелектуальні системи управління». У першому розділі проаналізовано стан проблеми автоматизації енергоємних технологічних процесів. Показано, що цементне виробництво є одним із найбільш енергоємних промислових процесів (3000–4200 кДж/кг клінкеру), а потенціал енергозбереження української цементної промисловості становить 15–25 %. Обґрунтовано придатність оптоволоконного кабелю від FPVдронів як альтернативного палива: обсяги накопичення оцінено у 50–150 тис. км, калорійність — 18–28 МДж/кг залежно від типу оболонки. Виявлені прогалини в наявних дослідженнях визначили завдання роботи. У другому розділі розроблено комплекс математичних моделей тепломасообміну в комбінованій пічній системі: одновимірну модель теплообміну в обертовій печі, модель декарбонізації з кінетикою за моделлю «стискаючого ядра» та модель горіння палива зі стохастично змінною калорійністю. Параметри ідентифіковано за промисловими даними, адекватність підтверджено за критерієм Фішера. Встановлено динамічні характеристики каналів управління: постійна часу каналу печі становить 1200 с при транспортному запізненні 540 с. У третьому розділі синтезовано комбіновані регулятори теплового режиму, що поєднують ПІД-регулятори зворотного зв'язку з каналом випереджувальної компенсації збурень від змінної калорійності палива (оптимальний коефіцієнт 0,73). Розроблено адаптивний регулятор співвідношення «паливо–повітря» з корекцією за вмістом кисню та алгоритм координованого управління розподілом теплового навантаження на принципі ковзного горизонту. Запаси стійкості становлять 52° за фазою та 8,9 дБ за амплітудою. У четвертому розділі розроблено інтелектуальну підсистему оцінювання та прогнозування: нечітку систему оцінювання калорійності палива типу Мамдані (45 правил), розширений фільтр Калмана та алгоритм об'єднання оцінок за мінімумом дисперсії, що забезпечує похибку оцінювання 6,9 % із затримкою близько 45 с. LSTM-модель прогнозування температури зони спікання (64 та 32 нейрони), навчена на 260 000 промислових записах, дає похибку прогнозу 9,8 °C на горизонті 15 хв. У п'ятому розділі виконано комплексне імітаційне моделювання системи. У номінальному режимі (TSR = 15–35 %) середньоквадратичне відхилення температури зони спікання зменшується на 47–57 %, а частка часу перебування температури в допустимому діапазоні зростає з 52–78 % до 89–96 %. Підтверджено робастність при екстремальних змінах калорійності (±60 %) та в нештатних ситуаціях. Економічний ефект — 86,3 млн грн/рік, скорочення викидів CO₂ — 31 789 т/рік (10,0 %). Структура та обсяг. Дисертація складається з анотацій українською та англійською мовами, переліку умовних позначень і скорочень, вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Повний обсяг — 159 сторінок, з них 142 сторінки основного тексту. Робота містить 8 рисунків, 28 таблиць, список використаних джерел зі 132 найменувань та 3 додатки.Документ Відкритий доступ Система керування мультироторним БПЛА на основі нейромережевої візуально-інерціальної одометрії(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Біганський, Богдан Миколайович; Ковалюк, Дмитро ОлександровичБіганський Б. М. Система керування мультироторним БПЛА на основі нейромережевої візуально-інерціальної одометрії. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2026. Дисертація присвячена розв'язанню актуальної науково-практичної задачі підвищення ефективності керування безпілотними літальними апаратами, які відіграють ключову роль у розвитку сучасних технологій, знаходячи застосування у широкому спектрі задач: від інспекції інженерних споруд та інфраструктури до пошукових або рятувальних робіт у небезпечних зонах. У таких системах необхідна надійна навігація та керування, особливо при відсутності сигналу глобальної супутникової системи. Тому, забезпечення точної оцінки траєкторії руху, пози та орієнтації в конкретний момент часу в невідомому середовищі є критично важливим для безпеки та ефективного виконання місії. Еволюція алгоритмів навігації сьогодні нерозривно пов’язана з злиттям сенсорних даних, серед яких візуально-інерціальна одометрія відіграє роль базового джерела просторової інформації. Дослідження традиційних методів візуальної навігації виявило їхню критичну вразливість: вони ефективні лише за умови високої текстурності середовища. Зокрема, алгоритми, що оперують розрідженими ознаками (такі як ORB-SLAM3, VINS-Mono) різко втрачають надійність під час польотів у тунелях, індустріальних коридорах або приміщеннях з однотонними стінами. Втрата візуального відстеження у таких випадках провокує швидке накопичення навігаційного дрейфу, що неминуче викликає збої в контурі керування БПЛА. Відповідно, створення алгоритмів щільної одометрії постає як актуальне практичне завдання. В дисертаційному дослідженні детально розглянуто специфіку побудови щільних карт місцевості та способи оцінювання глибини за відеопотоком. З’ясовано, що точність і безперебійність навігаційного процесу прямо корелюють із тим, наскільки якісно реконструйовано геометрію сцени. Враховуючи суттєві обмеження класичних стереосистем і традиційних нейромереж для прогнозування глибини, у роботі доведено необхідність переходу до нових архітектур. Зокрема, обґрунтовано застосування сучасних геометрично-орієнтованих нейромереж. Їх головна перевага полягає у здатності генерувати інваріантну просторову структуру навіть за наявності лише одного монокулярного зображення. Встановлено ключову роль етапу геометричної реєстрації як основної стадії формування візуальних обмежень для корекції інерціального дрейфу. Також для підвищення ефективності процесу візуально-інерціальної одометрії необхідна реалізація оптимального алгоритму комплексування даних. Описані вище етапи знайшли своє відображення у розробленні системи монокулярної візуально-інерціальної одометрії, яка поєднує нейромережеві оцінки щільної геометрії сцени та алгоритми прямої геометричної реєстрації у схему оптимізації на основі фактор-графа, що забезпечує низький дрейф навігації в умовах відсутності текстур. У результаті проведеного аналізу сучасних інструментів глибинного навчання визначена модель MoGe (Monocular Geometry) як основа візуального фронтенду. Для математичного моделювання процесу оцінки стану розроблена модель, що включає фактори інерціальної преінтеграції на многовиді 𝑆𝑂(3) та щільні візуальні фактори, отримані в результаті реєстрації хмар точок. Обґрунтовано математичне моделювання системи у вигляді імовірнісного фактор-графа, як найбільш ефективного способу врахування невизначеності вимірювань різнорідних сенсорів. Сформовано методику та порядок проведення обробки даних у реальному часі. Основну увагу при розробці системи приділено: попередній фільтрації кінематичного стану БПЛА за допомогою фільтра ковзного вікна (SWF), який нівелює високочастотні шуми та формує стабільне початкове наближення для подальшої оптимізації; прямій регресії карт точок без використання матриці інтринсиків; адаптивній фільтрації шумів нейромережі за допомогою масок впевненості; використанню алгоритму ICP (Point-to-Point) з адаптивним порогом для швидкої реєстрації кадрів; а також розрахунку коваріації візуальних вимірювань на основі метрики відповідності (fitness score) для їх злиття у фінальному факторграфі. Проте реалізації щільної одометрії вимагають великих обчислювальних ресурсів, що ускладнює їх застосування на бортових комп’ютерах мобільних роботів. Це зумовило подальші дослідження пов’язані з оптимізацією архітектури системи та параметрів алгоритмів. Показано, що класичні підходи до оптимізації (Batch Optimization) потребують значного часу розрахунку при зростанні траєкторії і не можуть бути використані в системах керування реального часу. Обґрунтована необхідність використання інкрементального згладжування та механізму маргіналізації старих станів. Аналізіснуючих алгоритмів виділення ключових кадрів виявив неефективність просторових евристик. Щоб уникнути надмірного зростання графа, у дослідженні застосовано інформаційно-теоретичний підхід, де критерієм відбору слугує ентропія. Завдяки цьому система додає нові змінні не за фактом проходження певної відстані, а виключно тоді, коли вони забезпечують вагомий інформаційний приріст. Спільну роботу камери та інерціального вимірювального модуля (IMU) забезпечує спеціальний модуль преінтеграції. Його завдання полягає у тому, щоб агрегувати масив високочастотних показників IMU, перетворюючи їх на єдине компактне геометричне обмеження. Важливою складовою цього етапу є виведені у роботі аналітичні залежності. Вони необхідні для швидкого перерахунку преінтегрованих величин щоразу, коли система оновлює оцінку зміщень для гіроскопа та акселерометра. Експериментальна перевірка підтвердила дієвість запропонованого способу формування візуальних факторів. Завдяки застосуванню трансформерної моделі MoGe система здатна захоплювати глобальний контекст сцени. Це означає, що алгоритм зберігає стабільність навігації навіть за повної відсутності локальних текстур – у таких умовах він успішно орієнтується за загальною структурною геометрією простору (лінії перетину стін, площини підлоги та стелі). Оцінювання точності та надійності створеної системи MoGe-VIO довело її перевагу над класичними рішеннями. Тестування алгоритму виконувалося на базі загальноприйнятих датасетів EuRoC MAV та TUM-VI, де розрахована траєкторія зіставлялася з істинною за критерієм абсолютної похибки траєкторії. Отримані дані підтверджують: під час польотів у зонах зі слабо вираженою текстурою (наприклад, локації TUM-VI Outdoors або звичайні коридори) запропонований метод генерує значно меншу похибку позиціонування порівняно з ORB-SLAM3 та VINS-Mono. Крім того, система продемонструвала високу стійкість до накопичення дрейфу масштабу. Отримані результати підтверджують, що система здатна працювати на сучасних вбудованих платформах з частотою оновлення одометрії 10–15 Гц. Це дозволяє безпосередньо інтегрувати систему в контур керування БПЛА. Важливою перевагою створеного монокулярного рішення є його апаратна ефективність: на відміну від громіздких LiDAR-сенсорів чи стереокамер, воно потребує значно менше енергії та має компактні габарити, зберігаючи при цьому високу точність щільної реконструкції простору. Крім обчислення самої траєкторії польоту, алгоритм паралельно генерує щільну карту перешкод у режимі реального часу. Саме ця властивість відіграє ключову роль у безпечній навігації, оскільки забезпечує базу для планування шляху та своєчасного уникнення зіткнень. З урахуванням розробленої системи візуально-інерціальної одометрії було розглянуто задачу стабілізації висоти БПЛА під дією зовнішніх збурень, зокрема поривів вітру. Використано стандартну математичну модель такого об’єкту, що базується на жорсткому тілі з шістьма ступенями вільності (6-DOF), описаними рівняннями Ньютона та Ейлера. Розглядаються рівняння динаміки, що описують результуючу силу та момент, а також швидкості та кутові швидкості у відповідній системі координат. Для синтезу контурів керування було обрано три підходи: класичний PIDрегулятор, регулятор на базі нечіткої логіки та лінійно-квадратичний регулятор (LQR). Щоб максимально наблизити експеримент до умов реальної експлуатації, параметри керування розраховувалися з урахуванням апаратних часових затримок надходженню даних від навігаційного модуля. Детально проаналізовано ключові показники: якість перехідних процесів, загальний запас стійкості системи, а також її здатність реагувати на зовнішні збурення та повертатися до стану рівноваги. Результати демонструють відмінності у швидкості реакції, точності стабілізації та адаптивності методів керування, що дозволяє визначити оптимальні підходи для забезпечення надійного утримання висоти БПЛА в умовах змінного середовища. Моделювання систем керування БПЛА здійснено за допомогою MATLAB Simulink. Наукова новизна отриманих результатів дисертаційної роботи полягає в наступному: вперше розроблено систему монокулярної візуально-інерціальної одометрії, що поєднує нейромережеві оцінки щільної геометрії сцени (MoGe) та алгоритми прямої геометричної реєстрації (ICP) у схему оптимізації на основі фактор-графа; удосконалено критерій оптимізації для оцінки траєкторії та станів БПЛА, який комплексно враховує преінтегровані пози, зміщення хмар точок між кадрами та апріорні геометричні знання від нейромережі, що дозволяє в рамках єдиної задачі мінімізації похибки поєднати візуальні обмеження від ICP та інерціальні дані, підвищуючи точність оцінки масштабу; вперше розроблено систему підтримки прийняття рішень для конфігурації параметрів алгоритмів VIO/SLAM на бортових Еdge-платформах, яка на відміну від існуючих підходів використовує виявлені закономірності «точок перегину» часової складності обчислень та результати порівняльного аналізу ефективності бібліотек нелінійної оптимізації (GTSAM, SymForce, Ceres); дістали подальшого розвитку математичні моделі систем керування БПЛА в умовах дії висотних збурень на основі нечіткого (Fuzzy) та лінійно-квадратичного (LQR) регуляторів, параметри яких адаптовано до динамічних характеристик часової затримки, що виникає при роботі VIOалгоритмів; Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному: розроблено робастну систему навігації для автономного інспектування інженерних споруд (промислових об'єктів, фасадів, мостів). У складних індустріальних чи міських середовищах алгоритм гарантує високоточну локалізацію БПЛА, що є критично важливим етапом для подальшої просторової 3D-реконструкції; Забезпечено апаратну оптимізацію та здешевлення комплексу: перехід від масивних LiDARсканерів до монокулярної камери дає змогу ефективно інтегрувати розроблену систему на дрони, обладнані бортовими нейроприскорювачами (Edge GPU); Розроблено методику адаптації обчислювального конвеєра спеціально для Edgeплатформ. Підхід дозволяє динамічно балансувати між деталізацією (щільністю) генерованих хмар точок та швидкістю оновлення навігаційних станів, гарантуючи роботу нейромереж в режиі реального часу; підвищено стабільність контуру керування під час виконання інспекційних польотів. Завдяки врахуванню апаратних часових затримок, притаманних обчисленням у глибоких нейромережах, апарат значно точніше утримує задану траєкторію та висоту навіть під впливом динамічних вітрових збурень.Документ Відкритий доступ Системи автоматичного керування на базі звукової дефектоскопії(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2026) Савула, Андрій Антонович; Жученко, Олексій АнатолійовичСавула А. А. Системи автоматичного керування на базі звукової дефектоскопії. — Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 — Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології. — Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі створення замкненої системи автоматичного керування промисловим обладнанням на базі звукової дефектоскопії, що забезпечує адаптивну оптимізацію режимів експлуатації в реальному часі на основі безперервного акустичного моніторингу технічного стану. Актуальність теми. Розвиток сучасного промислового виробництва безпосередньо залежить від надійності та ефективності експлуатації технологічного обладнання. Незаплановані зупинки виробництва через відмови електродвигунів, насосних агрегатів, компресорів, редукторів та іншого обладнання призводять до значних економічних втрат, які в окремих галузях можуть досягати мільйонів гривень за годину простою. Традиційні підходи до технічного обслуговування, що базуються на планово-попереджувальних ремонтах з фіксованою періодичністю або на фактичному обслуговуванні після виникнення відмови, є неоптимальними з економічної точки зору та не забезпечують максимальної ефективності використання ресурсу обладнання. Звукова дефектоскопія має унікальні переваги перед альтернативними методами діагностики, зокрема безконтактність реєстрації сигналів, низьку вартість мікрофонного обладнання, можливість одночасного моніторингу множинних об'єктів та виявлення широкого спектру механічних дефектів включаючи проблеми підшипників, дисбаланс обертових елементів, дефекти зубчастих передач та порушення умов змащування. Однак потенціал звукової дефектоскопії залишається нереалізованим через фундаментальне обмеження існуючих систем — їх пасивний характер, колисистема лише інформує оператора про виявлені аномалії без автоматичного впливу на режим роботи обладнання. Традиційні підходи передбачають роздільне функціонування діагностичних систем та систем керування, що унеможливлює оперативну реакцію на зміну технічного стану та призводить до експлуатації обладнання в неоптимальних режимах. Рішення про зміну режиму роботи приймається оператором на основі рекомендацій системи, що створює затримку між зміною режиму і реакцію оператора, що не дозволяє реалізувати оптимальне балансування між продуктивністю та збереженням ресурсу в реальному часі. Відтак інтеграція акустичної діагностики безпосередньо в контур автоматичного керування в якості системи визначення стану обладнання є актуальною науковотехнічною задачею, вирішення якої дозволить створити інтелектуальні системи, здатні автоматично адаптувати режими експлуатації відповідно до поточного технічного стану обладнання. Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення відмовостійкості електромеханічних систем шляхом створення замкненої системи автоматичного керування, яка використовує результати акустичної діагностики для адаптивної оптимізації керування, в умовах зміни експлуатаційного стану. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішувались такі завдання: проведення аналізу методів звукової дефектоскопії промислового обладнання та дослідження фізичних механізмів генерації акустичних сигналів різними типами дефектів; розробка та дослідження методів обробки акустичних сигналів для виділення діагностично важливої інформації з зашумлених записів в умовах промислового середовища; розробка методів класифікації технічного стану обладнання на основі акустичних сигналів з використанням алгоритмів машинного навчання; синтез системи автоматичного керування промисловим обладнанням, яка інтегрує результати акустичної діагностики для адаптивної оптимізації режимів експлуатації; розробка алгоритмів екстремального керування для пошуку та підтримки оптимальних режимів роботи обладнання в умовах апріорної невизначеності. Об'єктом дослідження є процес автоматичного керування промисловими об’єктами з використанням звукової діагностики як керуючим сигналом в процесі неперервної експлуатації. Предметом дослідження є адаптивні системи автоматичного керування, що використовують теорію обробки сигналів та підходи машинного навчання для адаптації режиму роботи на базі звукової дефектоскопії. Методи дослідження. У роботі використано методи цифрової обробки сигналів для фільтрації акустичних сигналів, виокремлення особливостей сигналу, аналізу їх спектральних характеристик. Ці методи включають в себе частотні перетворення, такі як, дискретне перетворення Фур'є та віконне перетворення Фур'є, отримання різного роду часових ознак та енергетичних. Застосовано методи машинного навчання для класифікації технічного стану обладнання, зокрема алгоритми Random Forest, Support Vector Machines. Використано методи штучної генерації ознак для створення нових, унікальних характеристик акустичного сигналу через комбінування та трансформування базових ознак. Застосовано методи теорії автоматичного керування для синтезу систем оптимального керування, екстремальне керування та адаптивні алгоритми. Використано методи математичного моделювання та імітаційного моделювання для дослідження ефективності запропонованих систем в умовах, що імітують реальну промислову експлуатацію. Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному. Вперше запропоновано використання підходу штучної генерації ознак, що дозволяє підвищити точність класифікації стану промислового обладнання в процесі його неперервної експлуатації шляхом отримання нових залежностей часових послідовностей сигналів, наприклад, звукових. Набуло подальшого розвитку використання методів автоенкодерів для фільтрації промислових шумів, що розподілені за нормальним законом розподілу, що дозволяє виокремити діагностично важливу інформацію з звукового сигналу роботи промислового обладнання, який відповідає аналогічному закон розподілу. Набуло подальшого розвитку використання методів екстракції діагностично важливих ознак з звукового сигналу роботи промислового обладнання, що дає змогу реалізувати класифікатор на базі нейронних мереж для класифікації стану та режиму роботи такого обладнання. Обґрунтовано вибір екстремального керування як оптимального підходу для систем на базі звукової дефектоскопії на основі порівняльного аналізу адаптивних систем MRAC, STR, Dual Control та ESC, який показав, що екстремальне керування забезпечує стабільну адаптацію без необхідності побудови математичної моделі об'єкта та без генерації небезпечних дослідницьких збурень. Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що розроблена система автоматичного керування на базі звукової дефектоскопії може бути впроваджена на промислових підприємствах для підвищення надійності експлуатації електромеханічного обладнання, зниження витрат на технічне обслуговування через оптимізацію міжремонтних інтервалів та запобігання аварійним відмовам шляхом своєчасної адаптації режимів роботи до поточного технічного стану. Розроблені методи фільтрації акустичних сигналів та алгоритми класифікації несправностей можуть використовуватися як самостійні компоненти систем моніторингу технічного стану промислового обладнання. Результати порівняльного аналізу методів оптимізації та критеріїв якості можуть бути використані при проектуванні адаптивних систем керування для різних типів промислового обладнання. Основні результати роботи. Проведено комплексний аналіз сучасного стану систем діагностики та керування промисловим обладнанням на основі акустичних сигналів, розглянуто методи технічної діагностики включаючи вібраційну, термографічну та електричну діагностику, обґрунтовано переваги звукової дефектоскопії як методу безконтактного моніторингу та проаналізовано існуючі підходи до інтеграції діагностики в системи керування. Розроблено та досліджено методи обробки акустичних сигналів для виділення діагностично важливої інформації. Створено лабораторний стенд на базі електродвигуна з ремінною передачею для збору експериментальних даних, щовключають записи стаціонарного режиму роботи та чотирьох типів несправностей. Проведено порівняльний аналіз методів фільтрації, який показав, що автокодувальник з вузьким шаром у 4 нейрони забезпечує найкраще покращення відношення сигналу до шуму на рівні 15,43 дБ, тоді як спектральне віднімання на основі середнього значення дає 6,6 дБ, а фільтр Вінера — 5,2-5,8 дБ. Сформовано набір інформативних спектральних ознак для класифікації технічного стану, що включає спектральний центроїд, спектральний розкид, енергетичні характеристики в окремих частотних зонах, спектральну щільність потужності, середньоквадратичну енергію та частоту перетину нуля. Розроблено методику штучної генерації додаткових ознак через арифметичні перетворення як одиничних ознак так і груп ознак. Експериментальне дослідження алгоритмів класифікації показало, що Random Forest та SVM забезпечують точність понад 98,5% для всіх типів несправностей, при цьому SVM досягає точності 93,5%. Дослідження показали, що для методів Random Forest та Support Vector Machine штучна генерація ознак якісно підвищую точність класифікації, тоді як для методу K-Means штучні ознаки знижують точність класифікації. Синтезовано екстремальну систему керування на базі звукової дефектоскопії. Порівняльний аналіз ПІД-регулятора, нечітких систем та адаптивних систем керування показав, що адаптивні системи є найбільш придатними для даного застосування. Дослідження систем MRAC, STR, Dual Control та ESC та виявлено, що екстремальні системи керування мають найкращі показники ефективності для вирішення задач керування з використанням звукової дефектоскопії. Аналіз критеріїв оптимізації ITAE, ISE, ITSE та MSE показав, що критерій ISE забезпечує оптимальний баланс між швидкістю згасання похибки та обмеженням перерегулювання. Порівняння методів оптимізації градієнтного спуску, Momentum, Nesterov Accelerated Gradient та RMSProp виявило, що класичний градієнтний метод забезпечує найбільш плавну динаміку керуючих впливів, що є критично важливим для обладнання з механічними дефектами. Синтезовано багаторівневу архітектуру системи з адаптивною цільовою функцією, ваговікоефіцієнти якої динамічно змінюються від пріоритету продуктивності при нормальній роботі до пріоритету надійності при виявленні критичних дефектів.Документ Відкритий доступ Моделювання та керування адсорбційним очищенням олив та мастил(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2024) Тюріна, Євгенія Олександрівна; Ярощук, Людмила Дем’янівнаТюріна Є. О. Моделювання та керування адсорбційним очищенням олив та мастил. − Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 151 «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології» – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2024. Дисертація спрямована на створення таких систем керування процесами неперервного адсорбційного очищення відпрацьованих олив та мастил, які дозволять забезпечити високу якість очищення та принципи ресурсозбереження при переробці різної за властивостями сировини. У дисертації проаналізовано технологію очищення відпрацьованих індустріальних олив і мастил, яка складається з етапів підготовки сировини, адсорбції забруднювальних речовин із сировини та регенерації адсорбенту. Технологія передбачає процес адсорбційного очищення в адсорбері неперервної дії з протитечійною подачею сировини й адсорбенту, а також повернення адсорбенту в технологічний процес після регенерації. Встановлено, що особливостями технології є нестабільність властивостей сировини, як суміші корисних та забруднювальних речовин з різним і, як правило, точно не визначеним складом, що характерно для транспортних і виробничих відходів. Виконано аналіз властивостей забруднених речовин і адсорбенту, вимог до якості очищеної продукції та особливості адсорбера, що дозволив сформулювати головні задачі систем керування очищенням. Аналіз існуючих систем та способів керування показав, що, в умовах відсутності технічних засобів автоматизації для вимірювання концентрацій забруднювальних речовин, якість продукції забезпечують стабілізацією тисків і температури в адсорбері. Визначено, що на перебіг технологічних процесів очисних виробництв впливає перехід від одного типу відходів до іншого, у зв’язку з чим визнано доцільним реалізовувати різні алгоритми керування адсорбційним очищенням при сталій сировині й при переході до іншої сировини. Створено систему керування процесом очищення при зміні сировини. Оскільки функціонування технологічної системи виробництва оцінюють за декількома критеріями, то для усвідомлення переліку задач керування, які дозволять врахувати ці критерії, була виконана систематизація задач керування адсорбційним очищенням. На основі створеного переліку для кожної задачі були визначені методи, якими вона може бути розв’язана, та типи моделей, які при цьому можуть бути використані. Систематизація подана у виді семантичної мережі, що дозволяє краще обґрунтувати та спростити створення систем керування процесом адсорбції. Керування при зміні сировини базується на типових рішеннях автоматизації адсорбера, а саме керування тиском та температурою в адсорбері (режимні параметри) впливом на витрату адсорбенту й охолоджувальної води відповідно. Проблема підтримання якості очищення в режимі зміни сировини полягає в тому, що для нової сировини невідомі необхідні режимні параметри. Для її розв’язання запропоновано спосіб керування, який передбачає в складі програмного забезпечення систем керування підтримувати базу даних, яка міститиме записи з основними характеристиками сировин, які раніше очищували в адсорбері, і відповідними для них режимними параметрами. Запропоновано на початку надходження нової сировини знаходити для неї в цій базі сировини-аналоги, після чого, застосувавши статистичні методи до знайдених варіантів режимних параметрів, знаходити узагальнені значення необхідних тиску та температури. Описано алгоритм пошуку, який передбачає повні та часткові збіги, а також їх відсутність. Алгоритм передбачає присутність особи, яка приймає остаточні рішення стосовно умов пошуку та вибору режимних параметрів. Запропоновано використовувати різні види статистичних оцінок і моделей для визначення актуальних тиску і температури залежно від кількості записів у базі даних. Наведено приклад пошуку засобами MS Access. Створено систему керування для режиму зміни сировини. Обґрунтовано тип та створено відповідну математичну модель процесу адсорбції, призначеної для використання в системі керування в режимі сталої сировини. Розглянуто особливості моделювання як системи нано- і мікропроцесів. Описано процес адсорбції також як об’єкт технології і керування як макросистема і виконано аналіз основних видів моделей таких об’єктів. Враховуючи суттєву багатопараметричність адсорбції як об’єкта моделювання, запропоновано в умовах нестаціонарності властивостей сировини, адсорбенту й адсорбера описувати канали керування і збурення як аперіодичні ланки другого порядку із транспортним запізнюванням. На основі аналізу експериментальних даних було визначено, що коефіцієнти передач цих функцій є нелінійними функціями від тиску і температури в адсорбері. Опрацювання експериментальних даних дозволило визначити типи цих нелінійностей. У системі керування передбачено адаптування моделей при зміні властивостей речовин та адсорбера, наведено схеми застосування адаптивних моделей в системі керування. Виконана реалізація моделі у системі Simulink + MATLAB. Описано систему керування адсорбером у режимі сталої сировини. Для обґрунтування вибору системи керування виконано аналіз джерел нестаціонарності та їх типів. У режимі сталої сировини запропоновано розглядати властивості сировини та адсорбера, як такі, що не мають причин для тренду математичного сподівання, а тренд по дисперсії можливий. У той же час властивості адсорбера можуть мати помітний тренд математичного сподівання у зв’язку з налипанням на елементи конструкцій часток сировини та адсорбенту. Описано систему керування, в якій передбачено адаптування математичних моделей обох каналів керування, а на основі нових моделей виконувати розрахунок нових параметрів пропорційно-інтегральних регуляторів. У режимі сталої сировини передбачено виконувати корегування завдань регуляторам контурів керування шляхом уведення результатів вимірювання якості готової продукції. Оскільки до появи нової продукції на виході адсорбера ці сигнали від’єднані, то завданнями регуляторів були режимні параметри, визначені на основі алгоритму пошуку аналогів нової сировини. Корегування завдань за показниками якості дозволяє перейти від відносно потрібних до дійсно потрібних умов очищення сировини, що заповнює адсорбер. Корегування реалізоване на основі використання нечітких множин для опису показників якості та значень тиску і температури, а також системи правил fuzzy logic. Цей фрагмент алгоритму керування дозволяє сформувати новий запис у базі даних із властивостями нової сировини і найкращими для неї умовами очищення. Таким чином наповнюється база даних, що дає можливість з часом покращувати систему керування в режимі зміни сировини. Створено інтегровану систему керування адсорбційним очищенням олив і мастил. Об’єднання стосується систем керування двох зазначених раніше режимів змінної та сталої сировини, які відповідають нормальному функціонуванню виробництва. Іншою складовою інтегрованої системи є експертна система, яка призначена для пошуку причин аварійного функціонування виробництва. Для експертної системи розроблена база знань з фактами аварій та правилами продукції. Наведено результат роботи цієї системи. Оскільки інтегрована система керування використовує емпіричні знання фахівців у різному їх виді, проведено аналіз типів цих знань та визначено способи їх отримання. Виконана систематизація такої інформації дозволяє організувати підбір і підготовку необхідних експертів для супроводу роботи інтегрованої системи керування. Удосконалено систему керування процесом адсорбції, в якій на відміну від усталених, враховано можливість суттєвих змін властивостей нової забрудненої сировини, для чого передбачено автоматизований пошук у базі даних речовин-аналогів нової сировини, статистичні дослідження знайдених у базі варіантів тиску та температури в адсорбері для аналогів, а також прийняття рішень щодо початкових значень цих режимних параметрів. Удосконалено систему адаптивного керування процесом адсорбції, в якій на відміну від відомих, що базуються на поточній ідентифікації моделей динаміки процесу та на наступному визначенні параметрів налаштування регуляторів тиску та температури в адсорбері, уведено корегування початкових значень цих режимних параметрів за концентраціями ароматичних вуглеводнів, сірки і смол в очищеному продукті, що дозволяє дотримуватися вимог до якості очищення продукції та занести в базу даних значення відповідних властивостей нової сировини і потрібні для її переробки тиск та температуру. Дістала подальшого розвитку система адаптивного керування тиском і температурою в адсорбері з корегуванням початкових значень цих режимних параметрів за концентраціями ароматичних вуглеводнів, сірки і смол у продукції, в якій на відміну від усталених способів, значення корегувальних сигналів визначають на основі нечітких множин і нечіткої логіки, що дозволяє підвищити якість продукції в умовах відсутності обґрунтованих математичних залежностей за допомогою досвіду фахівців. Запропоновано інтегровану систему керування адсорбційним очищенням шляхом поєднання системи керування процесом при суттєвій зміні властивостей нової забрудненої сировини з системою керування процесом при сталих властивостях забрудненої сировини, яке передбачає чергування етапів визначення режимних параметрів адсорбції за сировинамианалогами та за показниками якості очищеного продукту, причому режимні параметри другого етапу запам’ятовуються в базі даних сировин-аналогів першого етапу, це поєднання дозволяє забезпечити якість продукції і ресурсозбереження за рахунок підвищення рівня відповідності між режимними параметрами та поточним властивостям забрудненої сировини. Дістало подальшого розвитку математичне моделювання адсорбційного очищення, що полягає у структурній ідентифікації моделі динаміки процесу адсорбції, призначеної для адаптивної системи керування, а також у статистичних залежностях між властивостями сировини та відповідними режимними параметрами, які об’єднані у базі даних сировин-аналогів. Практичне значення одержаних результатів полягає в систематизації задач керуванням адсорбційним очищенням; отриманні моделей адсорбції, призначених для систем керування адсорбційним очищенням ВОМ; визначенні початкових режимних параметрів адсорбції для нової за властивостями сировини; створенні адаптивної системи керування очищенням; застосуванні нечіткої автоматичної системи керування очищенням, бази знань для діагностувальної експертної системи та інших застосувань експертних знань. Одержані результати використані в навчальному процесі.Документ Відкритий доступ Моделювання та автоматичне керування тепловим режимом скловарної печі ванного типу(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Ситніков, Олексій Володимирович; Жученко, Анатолій ІвановичДисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 – Автоматизація процесів керування. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2023. Дисертацію присвячено питанням підвищення ефективності роботи регенеративної скловарної печі ванного типу шляхом створення системи керування, яка забезпечить режим енергозбереження функціонування процесу при незмінних показниках якості виробництва. Скловаріння – процес, що потребує високої температури для розігрівання компонентів, з яких виготовляється скломаса у варильній частини печі. Всі компоненти після підготовки подаються до варильного басейну, де відбувається виготовлення (варка) скломаси. Процес скловаріння досить енергоємний. В розвинених країнах витрати палива на варку скла в 1,5-2 рази нижче, ніж вітчизняні показники аналогічного виробництва. Україна має обмежені запаси природного газу і практично всі питання постачання пального на промислові підприємства вирішуються за рахунок імпортування. Ціни на пальне зростають згідно тенденціям ринку, тому використання газу необхідно вести з максимальною економією, при цьому не погіршуючи якість виробленої продукції. Для процесу характерні внутрішні збурення, зокрема пов’язані з концентрацією вхідного продукту до варильної зони печі, що можуть призвести до браку готової продукції або небажаних зайвих витрат пального. Для забезпечення означених показників в роботі системи керування тепловим режимом скловарної печі виникла необхідність побудови енергоефективної системи керування, що забезпечить високу якість керування в умовах дії неконтрольованих внутрішніх збурень та зменшення витрат на керування. Розроблена математична модель скловарної печі на основі структурнопараметричної схеми об’єкту. Математичний опис скловарної печі як об’єкту дослідження включає в себе рівняння зовнішнього теплообміну для скломаси, кладки та газу, математичний опис процесу нагрівання. Під зовнішнім теплообміном розуміють теплообмін між об’єктом та його оточенням: теплообмін між скломасою та оточуючим її середовищем – кладкою та газовим простором. Для кожної зі складових розроблено математичний опис, що враховує взаємодію між складовими в моделі об’єкту керування. Скломаса, кладка та газовий простір має по дві контактні поверхні між складовими. Розроблена система рівнянь зовнішнього теплообміну отримується з рівнянь балансу для ефективного та результуючого випромінювання поверхні та середовища у вигляді рівнянь відповідних теплових потоків. Ефективне випромінення поверхні скломаси та кладки підпорядковується закону Ламберта – поглинаючі здібності випромінювачів рівні для всіх променевих потоків та дорівнюють відповідним ступеням чорноти та відповідно складається з власного та відбиваючого випромінення. Аналіз досліджень був проведений для усталеного режиму роботи печі – в першому наближені результуюче випромінення кладки прийнято рівним нулю, температура скломаси та кладки взяті такими, що дорівнюють їх середньоефективним величинам. Користуючись розробленою та дослідженою системою рівнянь для теплових потоків скломаси та кладки розроблена загальна математична модель скловарної печі, яка враховує зв’язки між складовими елементами об’єкта. На основі розробленої моделі отримана передатна функція скловарної печі являє собою складну структуру, що залежить від передатних функцій скломаси, кладки та газового простору за каналами температура газу – вихідна температура скломаси та температура газу – температура кладки у характерних точках. Дана математична модель може бути застосована для аналізу температурного поля скловарної печі в різних перерізах. Досліджена математична модель скломаси, що представляє собою об’єкт з розподіленими параметрами, в роботі описана диференціальним рівнянням теплопровідності Фур’є з граничними умовами 3-го роду на зовнішній поверхні скломаси при контакті «скломаса-газ» та 2-го роду при контакті «скломаса-кладка». Граничні умови назовні обумовлені відсутністю обміну тепла з навколишнім середовищем, тобто розглядається умова ідеальної теплоізоляції. Дослідження показали та виходячи із конструкційних особливостей скловарної печі, скломасу умовно можна вважати прямокутною областю, товщиною h, що дозволяє розглядати скломасу як необмежену пластину товщиною h. Однак на відміну від типового виду необмеженої пластини в моделі процесу нагрівання скломаси у ванні печі враховано ряд її конструкційних особливостей скловарної печі. Результати моделювання показали, що розігрівання внутрішньої сторони кладки відбувається під дією теплових потоків великих значень. Математична модель кладки скловарної печі представлена у вигляді одновимірної задачі теплопровідності, з граничними умовами 2-го роду при контакті «кладкаскломаса». Кладка являє собою напівобмежене тіло товщиною. Представлено перехід від температури скломаси до температури кладки в різних шарах скломаси, з яких видно, що температура скломаси тим вища, чим вищий шар розглядається, та по глибині температура кладки спадає, що підтверджує прийняті граничні умови на правій поверхні кладки. Окремо розглянута кладка дна печі, як та що контактує з останнім шаром скломаси; дана особливість врахована в загальній моделі об’єкту керування. Для використання в системі керування на базі моделі скловарної печі, необхідно перевірити адекватність розробленої математичної моделі. Дослідження показали, що модель динаміки нагрівання скломаси в печі відповідає відповідним критеріям адекватності та може бути використана для синтезу системи керування. Експериментальні дослідження температурних полів скломаси, кладки, газового простору проведені, використовуючи засоби імітаційного моделювання, для кожної із зон печі побудовані у вигляді температурного розподілу в конкретному перерізі. Дослідження дозволили виявити реакцію температурного поля скломаси та кладки на дії збурення. В дисертаційній роботі ставилася задача розробки системи керування процесом виготовлення скломаси, яка мала б зберігати стійкість в роботі системи керування та підтримувати на заданому рівні якість готового (вихідного) продукту, шляхом підтримки заданого температурного режиму в заданих технологічним регламентом межах оптимальній витраті пального. Тому сформульована і розв’язана задача адаптивного керування процесом скловаріння, що полягає у підтримці заданого розподілу температур в об’ємі скломаси. Для розв’язання задачі адаптивного керування розроблений та застосований критерій керування Ji(T*i(t),Ti(t),ui), що залежить від вектору ui, який розглядається в якості керувальної дії (витрати палива) по пальниках печі. Результатом розрахунку критерію керування виступає оптимізація витрати пального та призводить до зміна вектору керуючих дій uі. Синтез системи керування опирається на розроблену математичну модель скловарної печі, що моделює поведінку скломаси в певних точках у вигляді зміни температур. Як результат синтезу системи є вдосконалення існуючої системи керування та формування нових параметрів системи виходячи із поставлених в роботі задач. Послідовності нових вхідних керуючих дій ui для пальників печі є визначальною в питанні оптимізації витрати пального. Проведено дослідження системи керування подачі газу на пальники печі та керування реверсом факелу в парі протилежних пальників з використанням загального регулятора, використовуючи метод системного аналізу. Даний метод дозволяє більш точно вирішити задачу підтримки температурного режиму печі та підтримки параметрів на різних етапах (в різних перерізах) процесу варіння скломаси. При формуванні алгоритму керування спиралися на розроблений критерій керування. Розроблення структури системи керування та алгоритму адаптивного програмного керування відбувалися з використанням мови програмування UML та UML –діаграм, що дало можливість дослідити всі можливі зв’язки в системі. В роботі приведено порівняння результатів роботи розробленої системи з існуючою каскадною системою керування тепловим режимом по кожному перерізу печі, виявлено переваги в роботі розробленої системи, існуюча система керування не дає можливість зменшити перегулювання зони розігріву, що призводить до перевищення та не раціонального використання пального. Розроблена система керування, реалізувала ряд функцій по оптимізації витрати пального, реагування на дію збурення, що діє на об’єкт керування. По даним температур в зонах скловарної печі, для забезпечення оптимального використання газу, відбувається адаптації параметрів налаштування регулятора в залежності від температури у відповідній зони. Для вирішення поставленої в роботі задачі розроблена загальна структура та програмне забезпечення експертної системи керування тепловим режимом скловарної печі, використовуючи бази правил нечіткої логіки та адаптивний нечіткий регулятор. Основна задача, що висувається до адаптивного нечіткого регулятору, є формування нових параметрів налаштування загального ПІДрегулятора. В дисертаційній роботі проведено дослідження шляхом порівнянь результатів роботи розробленої адаптивної система, експертної та загальної системи керування тепловим режимом скловарної печі. З отриманих результатів, видно що адаптивна система показала переваги над звичайною системою та експертною системою, що відображається у зменшенні витрати на керування (раціональне використання витрат пального по пальниках печі) У навчальний процес кафедри технічних та програмних засобів автоматизації Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» впроваджені математичні моделі процесу скловаріння, системи керування процесом виготовлення скломаси.Документ Відкритий доступ Автоматизація процесу керування багатокамерними печами випалювання вуглеграфітових виробів(2020) Коротинський, Антон Петрович; Жученко, Олексій АнатолійовичДокумент Відкритий доступ Моделювання і робастне керування процесу контактної мембранної дистиляції(2019) Дубік, Роман Миколайович; Ладієва, Леся РостиславівнаДокумент Відкритий доступ Автоматизація процесів керування прогріванням паперового полотна у сушильній частині папероробної машини(2017) Черьопкін, Євгеній Сергійович; Жученко, Анатолій Іванович