Doktoraty Wydziału IET

mgr inż. Przemysław Hawro

Promotor: dr hab. inż. Tadeusz Kwater, prof. PWSTE
Promotor pomocniczy: dr inż. Bogusław Twaróg, (UR)
Dyscyplina: Informatyka Techniczna i Telekomunikacja

Rozprawa doktorska podejmuje problematykę dotyczą zaprojektowania i implementacji adaptacyjnych algorytmów estymujących sygnały obiektów opisanych nieliniowymi równaniami różniczkowymi zwyczajnymi na podstawie tylko łatwych w realizacji pomiarów. W pracy przedstawiono autorskie algorytmy adaptacyjne zaprojektowane dla systemów monitorowania online obiektów, w których zachodzi konieczność odtwarzania trudno mierzalnych sygnałów lub występuje brak niektórych pomiarów. Cel zastosowania tych algorytmów w systemie monitorowania polega na odtwarzaniu przebiegu sygnałów niemierzonych na podstawie innych sygnałów.
Zaprezentowane w pracy algorytmy wykorzystują równanie filtru do generowania wszystkich sygnałów obiektu. Jednak współczynnik wzmocnienia w tym równaniu wyznaczany jest metodą przyrostową analogicznie jak obliczane są wagi w procesie uczenia sieci neuronowych. Wartość korekty wzmocnienia bazuje na wprowadzonym mierzalnym sygnale nazwanym błędem adaptacji będącym różnicą między pomiarem, a odpowiadającym mu sygnałem wygenerowanym z równania filtru. Korekt wzmocnienia dokonuje się w każdym kroku pomiarowym przy uwzględnieniu aktualnej i poprzedniej wartości błędu adaptacji.
W pracy doktorskiej zaproponowano pięć algorytmów o odmiennych sposobach wyznaczania korekty wzmocnienia. W algorytmie strefowym (AS) przyjęto, że modyfikacja wartości wzmocnienia przeprowadzana będzie na bazie ustalonych korekt w zależności od przynależności aktualnego błędu adaptacji do wyznaczonych wcześniej stref. Algorytm proporcjonalny (AP) wyznacza korekty wzmocnienia proporcjonalnie do wartości aktualnego błędu adaptacji, natomiast w algorytmie proporcjonalno-różniczkowym (APR) przyjęto że, korekta wzmocnienia oprócz proporcjonalnego składnika będzie dodatkowo uwzględniała różniczkowy składnik zależny od pochodnej błędu adaptacji. Dwa kolejne algorytmy proporcjonalny i proporcjonalno-różniczkowy o zadanych własnościach dynamicznych (APWD) i (APRWD) podczas korekty wzmocnienia dodatkowo kontrolują położenie wartości własnych umożliwiając zachowanie założonych własności dynamicznych systemu monitorującego.
Wspomniane algorytmy zastosowano w symulacji kompleksowego systemu monitorowania funkcjonującego jako system czasu rzeczywistego, generującego informacje dla potrzeb np. nadzoru, diagnostyki czy sterowania. Rozważana problematyka dotyczy obiektów istotnych z punktu widzenia ochrony środowiska jak i innowacji w przemyśle. Tymi obiektami są zanieczyszczona biochemicznie rzeka oraz reaktor chemiczny z systemem ciągłego mieszania.
Zaprezentowane w pracy wyniki badań symulacyjnych obejmują testowanie algorytmów przy różnych wartościach sygnałów wymuszających i zakłóceń oddziałujących na obiekt. Uzyskane wyniki wykazały, że cechą prezentowanych algorytmów jest ich duża uniwersalność i stabilność funkcjonowania pomimo braku informacji o charakterystykach statycznych zakłóceń. Ponadto są one w stanie poprawnie funkcjonować nawet przy zerowej wartości początkowej wzmocnienia filtru. We wszystkich badanych przypadkach uzyskano poprawne rezultaty, a ich jakość mierzona przyjętymi w pracy wskaźnikami jakości przewyższa rozwiązania filtru Kalmana.
Opracowane w trakcie realizacji badań algorytmy adaptacyjne, można zastosować jako elementy składowe w kompleksowych systemach monitorowania online obiektów. Proponowane algorytmy charakteryzują się niewielką złożonością i adaptacyjnym podejściem ukierunkowanym na systemy czasu rzeczywistego wykorzystujące znajomość modelu matematycznego, którego parametry nie muszą być dokładnie określone.

Autoreferat

Rozprawa doktorska

Recenzja - prof. dr hab. inż. Janusz Kacprzyk
Recenzja - prof. dr hab. inż. Waldemar Wójcik

1. P. Hawro, T. Kwater, J. Bartman, D. Mazur: The algorithm of adaptive determination of amplification of the PD filter estimating object state on the basis of signal measurable online,
   Archives of Control Sciences, Volume 31(LXVII), 2021 No. 1, pages 1–15
   
2. P. Hawro, T. Kwater, R. Pękala, B. Twaróg: Soft Sensor with Adaptive Algorithm for Filter Gain Correction in the Online Monitoring System of a Polluted River,
   Applied Science, 9, 2019, doi:10.3390/app9091883
   
3. P. Hawro, T. Kwater, D. Strzęciwilk: The monitoring system based on lookup algorithm for objects described by ordinary differential equations,
   ITM Web of Conferences 21, 00006 (2018), Computing in Science and Technology (CST 2018), doi.org/10.1051/itmconf/20182100006,
   
4. P. Hawro, T. Kwater: Monitorowanie stężenia w reaktorze z ciągłym mieszaniem na podstawie pomiaru temperatury przy użyciu algorytmu o zmiennym wzmocnieniu,
   ELEKTRONIKA - KONSTRUKCJE, TECHNOLOGIE, ZASTOSOWANIA 10/2018, ISSN 0033-2089, e-ISSN 2449-9528, doi:10.15199/13.2018.10.8,
   
5. P. Hawro, T. Kwater: Zastosowanie filtru Kalmana ze strefowym doborem współczynnika wzmocnienia dla obiektu o zmieniającym się wymuszeniu,
   ISSUES OF CONTEMPORARY COMPUTING SCIENCE 2, Praca zbiorowa pod red. Lewandowski T., Hawro P., Wyd. PWSTE, Jarosław 2017 s. 71-89,
   
6. P. Hawro, T. Kwater: Jakość estymacji filtrem sekwencyjnym i klasycznym przy różnych powiązaniach dla obiektów o strukturze szeregowej,
   ISSUES OF CONTEMPORARY COMPUTING SCIENCE, Praca zbiorowa pod red. Lewandowski T., Hawro P., Wyd. PWSTE, Jarosław 2016, s. 33-47,