Státní závěrečné zkoušky oboru Senzorika a kybernetika v chemii

Organizace a průběh

Státní závěrečné zkoušky (dále jen SZZ) magisterského studijního programu Procesní inženýrství a informatika se řídí aktuálně platným Studijním a zkušebním řádem VŠCHT Praha (část třetí, článek 16) a skládají se z obhajoby diplomové práce a ústní části.

Při ústní části se prověřují vybrané znalosti oboru a student odpovídá na otázky členů zkušební komise ze čtyř tématických okruhů, které zahrnují

  • dva povinné okruhy

    1. Technické a programové prostředky pro měření a řízení
    2. Řízení procesů

  • dva volitelné okruhy z okruhů

    3. Modelování a identifikace procesů
    4. Umělá inteligence a neuronové sítě
    5. Senzory a senzorové systémy
    6. Přístrojová technika a metrologie

Volitelné okruhy doporučuje komise pro obhajobu Semestrálního projektu podle návrhu vedoucího diplomové práce.  

Tematické okruhy

1. Technické a programové prostředky pro měření a řízení
(pozn.: okruh zahrnuje studijní předměty Měřicí technika, Technické prostředky měření a řízení, Programové prostředky pro měření a řízení)

  1. Snímače teploty (termoelektrické, odporové kovové a polovodičové); IČ teploměry, termokamery. Snímače tlaku (tenzometrické, kapacitní, piezoelektrické, rezonanční). Snímače hladiny (kapacitní, ultrazvukové, radarové, ionizační). Snímače průtoku (indukční, ultrazvukové a vírové; hmotnostní průtokoměry Coriolisovy a tepelné). Snímače složení kapalin (snímače hustoty, optických vlastností, vodivostní a elektrochemické). Snímače složení plynných směsí (optické, tepelně-vodivostní, magnetické, ionizační).
  2. Analogové a číslicové zpracování signálu (můstek, operační zesilovač, AD a DA převodníky). Přenos signálu (proudová smyčka, HART, bezdrátový). Základní pojmy mikroprocesorové techniky, architektura mikroprocesoru a mikropočítače, periferní obvody mikropočítačů. Spojení řídicího počítače s řízeným procesem, jednotky styku s prostředím.
  3. Prvky regulačních obvodů. Regulátory (pneumatické, elektrické), akční členy (ventil, krokový motor, servomotor, frekvenční měnič).
  4. Programové prostředky pro měření a řízení ( NI LabVIEW, Matlab), základní programové struktury (cykly, podmínky, datové typy) . Definice virtuálního přístroje (základní vlastnosti, aplikační možnosti). Možnosti  připojení a komunikace s měřicími přístroji (VISA, IVI, LLB,USBTMC). Komunikační sběrnice (GPIB, LAN, RS232, RS485).

2. Řízení procesů
(pozn.: okruh zahrnuje studijní předměty Teorie řízení, Prediktivní řízení, Navrhování měřicích a řídicích systémů)

  1. 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.
  2. Spojitá a diskrétní oblast, diference, sumace, diferenční rovnice, Z-transformace. Spojitý a diskrétní stavový popis. 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.
  3. 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.

3. Modelování a identifikace procesů
(pozn.: okruh zahrnuje studijní předměty Matematické modelování procesů, Experimentální identifikace)

  1. Pojem modelu a modelování, postuláty modelování, třídění modelů. Způsoby modelování, základní pojmy mechaniky kontinua. Základní rovnice sdílení hmoty, hybnosti a energie. Hydrodynamické modely toku a jejich třídění. Modely ideálního míchání a pístového toku.  Modely kaskády ideálních mísičů bez a se zpětným promícháváním. Rovnice dispersního modelu, kombinované modely, diskriminace modelů toku. Kinetika přestupu hmoty a tepla. Fázová rovnováha. Chemická kinetika, rychlost chemické reakce, chemická rovnováha. Modely stacionárního a dynamického chování procesů. Bezrozměrné modelové rovnice.  Modely zásobníku kapalin a plynu. Modely tepelných výměníků - soustředěné parametry. Modely tepelných výměníků - rozložené parametry.  Modely patrových a plněných výměníků hmoty. Modely chemických reaktorů, stabilita reaktorů. Modely biochemických reaktorů.
  2. Experimentální identifikace - základní schema, identifikace v širokém a úzkém smyslu. Výběr struktury operátoru modelu dynamiky procesů. Signály a jejich vlastnosti, diskretizace signálů. Vstupní testovací signály, jejich volba. Kritéria adekvátnosti modelu a procesu, metoda nejmenších čtverců (MNČ) a její modifikace. Klasifikace metod identifikace, deterministické metody v časové a frekvenční oblasti. Identifikace systémů ve frekvenční oblasti, metoda Kardašov-Karnjušinova. Statistické metody identifikace, korelační, spektrální analýza, metody statistické dynamiky. Stochastické modely diskrétního typu, modely šumu, popis driftu. Volba metody pro odhad parametrů diskrétního modelu, MNČ - obyčejná a vážená. Zobecněná, rozšířená, opakovaná MNČ, metoda maximální věrohodnosti. Robustní metody identifikace, Bootstrap, Jackknife. Heuristiky pro identifikaci.

4. Umělá inteligence a neuronové sítě
(pozn.: okruh zahrnuje studijní předměty Aplikovaná umělá inteligence, Neuronové sítě)

  1. Nástroje a metody umělé inteligence. Historie a vývoj oboru. Inteligentní agenty (architektura, dělení, základní pojmy). Řešení úloh prohledáváním grafu (neinformované a informované strategie, heuristické algoritmy). Hry dvou osob (dělení, algoritmy). Reprezentace znalostí, výroková a predikátová logika, odvozování znalostí. Expertní a produkční systémy, znalostní řídicí systémy. Fuzzy modely, pravidla usuzování a fuzzy řízení, heuristické metody. Programovací jazyky umělé inteligence.
  2. 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. Samoorganizující se sítě, Kohonenovo pravidlo učení, klasifikační algoritmy. Adaptivní metody učení (adaptivní lineární element). Aplikace umělých neuronových sítí ve zpracování dat, princip potlačování rušivých složek signálů, lineární a nelineární metody predikce časových řad.

5. Senzory a senzorové systémy
(pozn.: okruh zahrnuje studijní předměty Senzory a senzorové systémy, Chemické senzory, Nanomateriály a nanostruktury pro elektroniku)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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).

6. Přístrojová technika a metrologie
(pozn.: okruh zahrnuje studijní předměty Laboratorní a přístrojová technika, Metrologie, Termografie a termodiagnostika)

  1. Podmínky přesné experimentální práce. Chyby a nejistoty měření. Zajištění správnosti měření. Etalony a návaznosti. Metrologie teploty. Organizace a úkoly státní metrologie. Budoucí změna definice základních jednotek soustavy SI (závěry 24. Zasedání CGPM). Veličiny ovlivňující přesnost měření.
  2. Měření intenzity osvětlení, fotometry. Měření vibrací, akcelerometry.  Psychrometry, optické a vibrační hygrometry.  Dilatační, odporové, kapacitní vlhkoměry a rezonanční senzory vlhkosti. Stanovení vlhkosti sušením. Spektrální metody měření vlhkosti v pevných látkách. Tenzometrické, piezoelektrické, magnetoelastické a indukční váhy. Optické a kapacitní snímače vah. Mikrováhy, váhy na bázi křemíkového rezonátoru a senzoru s povrchovou akustickou vlnou. Typy a princip funkce vývěv. Obecné přístroje pro měření elektrického napětí, proudu a odporu. Měření elektrické vodivosti v pevných látkách. Fotodetektory, detektory dlouhovlnného záření. Hallův jev a Hallova sonda. Ionizační detektory. Profilometry, mikroskopie atomárních sil.
  3. Teoretické základy  infračervené termografie. Emisivita objektu a její stanovaní. Detektory tepelného záření.. Termografické měření, vlivy působící při měření, vyhodnocení termogramů.