Státní závěrečné zkoušky oboru Senzorika a kybernetika v chemii

Organizace a průběh

Státní závěrečné zkoušky (dále jen SZZ) magisterského studijního programu Senzorika a kybernetika v chemii se řídí aktuálně platným Studijním a zkušebním řádem VŠCHT Praha a skládají se z obhajoby diplomové práce a ústní části.

Při obhajobě diplomové práce student přednese teze diplomové práce, vyjádří se k posudkům práce a diskutuje o své práci se členy zkušební komise. V ústní části SZZ se prověří znalosti studenta tím, že student odpovídá na otázky členů zkušební komise nejméně ze čtyř tematických okruhů (dvou povinných a dvou volitelných) v souladu se schválenou akreditací magisterského studijního programu:

Povinné okruhy

TO1 Řízení technologických procesů
TO2 Měřicí technika

Volitelné okruhy

TO3 Zpracování signálů a obrazů
TO4 Neuronové sítě a umělá inteligence
TO5 Modelování a identifikace
TO6 Chemické senzory
TO7 Aplikovaná fyzika

Náplň tematických okruhů

TO1 Řízení technologických procesů
(vychází z předmětů M445003 Teorie řízení, M445019 Prediktivní řízení)

Dynamický systém.  Matematické modelování fyzikálních systémů. Základy Laplaceovy transformace. Přenos dynamického systému. Blokové diagramy, algebra blokových diagramů. Klasifikace dynamických systémů, jejich popis. Statické a dynamické charakteristiky. Regulátor PID, popis a charakteristiky základních typů regulátorů. Regulační obvod, základní členy regulačního obvodu, zpětná vazba. Dynamické vlastnosti regulačních obvodů. Stabilita regulačních obvodů, základní kritéria určování stability. Kvalita regulačních obvodů, její kritéria. Metody nastavení regulátoru, srovnání. Popis lineárního systému ve stavovém prostoru, metody návrhu stavových regulátorů. Luenbergerův pozorovatel.

Spojitá a diskrétní oblast, diference, sumace, diferenční rovnice, Z-transformace. Spojitý a diskrétní stavový popis. Metody návrhu diskrétního regulátoru. Adaptivní metody řízení. Standardní forma prediktivního řízení GPC. Formulace predikčního modelu s využitím inverzní matice a stavového popisu. Analytické řešení účelové funkce a výpočet regulačního zákona, standardní a odchylkový tvar. Prediktivní řízení vícerozměrových systémů. Lineární a nelineární systémy a jejich popis. Typy nelinearit a jejich statické charakteristiky. Vyšetřování stability nelineárních systémů: rovnovážný stav, I. a II. Ljapunovova metoda, mezní cykly. Gain schedulling. On-line nastavování parametrů regulátorů.

TO2 Měřicí technika
(vychází z předmětu M444006 Měřicí technika)

Skladba měřicího řetězce. Statické a dynamické vlastnosti měřicích přístrojů. Snímače teploty dotykové (tepelně-expanzní, termoelektrické, odporové (RTD, NTC a PTC termistory). Bezdotykové snímače teploty (IČ-teploměry, termokamery). Snímače tlaku (kapacitní, tenzometrické, piezoelektrické, rezonanční). Vakuometry ionizační a tepelné. Snímače hladiny (hydrostatické, vibrační, vodivostní, kapacitní, ultrazvukové, radarové, ionizační hladinoměry).  Snímače průtoku a proteklého množství (indukční, ultrazvukové a vírové). Hmotnostní průtokoměry (Coriolisovy průtokoměry, tepelné průtokoměry).

Měření množství tepla. Snímače složení kapalin (snímače hustoty, elektrolytické vodivosti, snímače optických vlastností). Snímače složení plynných směsí (pelistory, chemické vodivostní senzory, elektrochemické senzory). Optické absorpční analyzátory. Magnetické analyzátory. Ionizační analyzátory - FID, PID. Odběr a úprava vzorku pro automatické analyzátory. Analogové a číslicové zpracování signálu snímačů (měřicí můstky, operační zesilovače, převodníky). Přenos signálu (proudová smyčka, HART protokol).

TO3 Zpracování signálů a obrazů
(vychází z předmětů M445002 Číslicové zpracování signálů a obrazů, M445010 Pokročilé zpracování obrazů)

Matematický popis systémů a signálů. Z-transformace, základní definice a vlastnosti, řešení diferenčních rovnic. Popisy systémů v časové a frekvenční oblasti. Diskrétní přenos. Stabilita systémů. Analýza signálů. Diskrétní Fourierova transformace, definice, složkové vyjádření, základní vlastnosti, spektrální analýza, frekvenční charakteristiky, výběrová okénka, krátkodobá DFT, interpretace při analýze vícerozměrných dat, princip FFT.

Princip wavelet transformace, Mallatovo pyramidální schéma, dekompozice a rekonstrukce dat, aplikace. Užití WT při analýze obrazu. Číslicová filtrace, základní typy, popis filtrů v časové oblasti, FIR a IIR filtry, stabilita filtrů, metody filtrace ve frekvenční oblasti. Aplikace metod zpracování signálů a obrazů. Registrace obrazů a související problémy. Houghova transformace a její užití při analýze obrazu. Detekce obrazových hran. Analýza hlavních komponent a její aplikace ve zpracování obrazů. Analýza nezávislých komponent. Metody binární a šedotónové matematické morfologie a jejich aplikace. Rozvoďová transformace.

TO4 Neuronové sítě a umělá inteligence
(vychází z předmětů M445004 Neuronové sítě, M445014 Aplikovaná umělá inteligence)

Umělé neuronové sítě (matematický model neuronu, přenosové funkce). Architektura a vnitřní struktura sítí, matematický popis, terminologie. Typy učení, princip učení s učitelem, metody optimalizace vah, gradientní metoda. Adaptivní metody učení (adaptivní lineární element). Samoorganizující se neuronové sítě. Kohonenovo pravidlo učení, klasifikační algoritmy, konstrukce matice vzorů. Rozpoznávání vzorů, shluková analýza, metoda nejbližšího souseda, SVM, rozhodovací strom, Bayesovské metody, vícevrstvé neuronové sítě, hloubkové učení. Specificita, sensitivita, matice záměn. Aplikace umělých neuronových sítí ve zpracování dat, princip potlačování rušivých složek signálů, lineární a nelineární metody predikce časových řad, rekurentní sítě.

Nástroje a metody umělé inteligence. Inteligentní agenty (architektura, dělení, základní pojmy). Reprezentace znalostí, výroková a predikátová logika, odvozování znalostí, neurčitost ve znalostech a odvozování. Expertní a produkční systémy, znalostní řídicí systémy. Fuzzy modely, pravidla usuzování a fuzzy řízení, heuristické metody. Programovací jazyky umělé inteligence.

TO5 Modelování a identifikace
(vychází z předmětů M445005 Matematické modelování procesů, M445 007 Experimentální identifikace)

Zásady vytváření matematických modelů. Aplikace Laplaceovy transformace a Masonovy věty v oblasti modelování. Hydrodynamické modely. Linearizace, přenosová matice, popis ve stavovém prostoru. Hydrodynamické modely s koncentrací (ideální mísič, pístový tok, kaskády bez a se zpětným tokem, mísič s mrtvou zónou, mísič s obtokem). Destilační patrové kolony. Tepelné systémy, výměník se soustředěnými parametry. Reaktory, sériové a paralelní uspořádání PMR, vsádkové reaktory. Pneumatické systémy. Krátké potrubí. Teorie podobnosti. Modely s rozloženými parametry (difuzní model).

Zásady identifikace. Identifikace analytická a experimentální. Integrální kritéria. Základní pojmy statistiky (náhodná veličina, bílý šum, momenty, kumulanty). Identifikace dynamických deterministických modelů z přechodové charakteristiky (Strejcova, dvoubodová, tříbodová metoda, kmitavé systémy). Parametrizace impulsní charakteristiky. Výpočet frekvenční charakteristiky. Metoda nejmenších čtverců (v maticovém tvaru). Identifikace stochastických systémů – druhy modelů.

TO6 Chemické senzory
(vychází z předmětů M444009 Chemické senzory, M444013 Technologie a vlastnosti senzorových vrstev, M444008 Senzory a senzorové systémy)

Klasifikace senzorů, inteligentní senzory, měřicí řetězce (systém centralizovaný a decentralizovaný, vlastnosti). Požadavky na senzory, parametry senzorů. Testování senzorů, spolehlivost a dlouhodobá stabilita. Metody zmenšení chyb senzorů. Kritéria výběru senzorů, 3 generace senzorů. Fyzika polovodičů. Pásový model. Vlastní a nevlastní polovodič. Přechod p-n. Shottkyho přechod. Unipolární tranzistor. Struktura MIS. Povrchové stavy na polovodičích. Využití polovodičových struktur v senzorech.

Základní rozdělení chemických senzorů. Princip a použití polovodičového plynového senzoru. Detekční mechanismy v závislosti na pracovní teplotě. Architektura polovodičového plynového senzoru. Typy vrstev, výběr materiálu. Katalyzátory, dopanty, inhibitory růstu krystalových zrn, selektivní membrány. Technologie přípravy aktivních vrstev. Parametry charakterizující senzor a možnosti jejich zdokonalení - metodiky a režimy měření. Interferující látky, katalytické jedy a inhibitory.

Optické a optovláknové senzory, základní zákony a principy, modulace signálu neelektrickými veličinami. Piezoelektrické (rezonanční) senzory (krystalový rezonátor, SAW), principy a využití. Piezorezistivní senzory, druhy, principy funkce, využití a základní typy el. zapojení. Biosenzory ( biokatalytické a bioafinitní senzory, protilátka, antigen, přímé a nepřímé stanovení).

TO7 Aplikovaná fyzika
(vychází z předmětů M444009 Fyzika III, M444001 Fyzika biosystémů, M444015 Fyzika plazmatu)

Evolučně stabilní strategie; odhad chování jednosložkových dynamických systémů (linearizace diferenciální rovnice, určení stacionárních bodů, vyšetření stability stacionárních bodů); synergický potenciál pro odhad chování jednosložkových dynamických systémů; odhad chování dvousložkových dynamických systémů (nalezení stacionárních bodů, linearizace v okolí stacionárních bodů, vyšetření stability stacionárních bodů, fázový portrét); věty termodynamické, možnost lokálního poklesu entropie v disipativních systémech

Základy akustiky, geometrické a vlnoví optiky; fotonika, spontánní a stimulovaná emise, Einsteinův koeficient spontánní emise; luminiscence; laser, optický rezonátor, generace pulzů, vnitřní modulace

Složení a děje probíhající v plazmatu; termální plazma a jeho diagnostika; netermální plazma a jeho diagnostika; vybrané aplikace nízkoteplotního plazmatu