Radoslav Paulen - PhD theses proposal in 2025/2026

Radoslav Paulen - Témy PhD prác pre 2025/2026

Development of reliable and explainable models for industrial monitoring, optimization, and control

Safe and sustainable process systems, which constitute the backbone of a modern, developed society, require sensing of key process variables, estimation of unmeasured variables, and application of actions that steer the systems towards desired goals. Automation of human decisions in such tasks would make these decisions become fast, reliable, and error-free. A key technology on the rise in this context is the use of combined mathematical modelling and statistical learning to gather information through software (soft) sensors to monitor, assess, and steer the behaviour of dynamic systems (e.g., industrial processing plants, water, gas and energy networks, or manmade machines and vehicles) into desired operating regimes. The delivered tools will exploit domain knowledge – making the designed mathematical models explainable – and assess and improve the information content of the data – making the models reliable and fit for industrial needs.

Vývoj spoľahlivých a vysvetliteľných modelov pre priemyselné monitorovanie, optimalizáciu a riadenie

Bezpečné a udržateľné procesné systémy, ktoré tvoria chrbticu modernej, rozvinutej spoločnosti, vyžadujú snímanie kľúčových procesných premenných, odhad nemeraných premenných a uplatňovanie činností, ktoré smerujú systémy k požadovaným cieľom. Automatizácia ľudských rozhodnutí pri takýchto úlohách umožní, aby sa tieto rozhodnutia stali rýchlymi, spoľahlivými a bezchybnými. Kľúčovou technológiou na vzostupe je v tomto kontexte používanie kombinovaného matematického modelovania a štatistického učenia na zhromažďovanie informácií prostredníctvom softvérových senzorov na monitorovanie, hodnotenie a riadenie správania dynamických systémov (napr. priemyselných spracovateľských závodov, vody, plynu a energetických sietí alebo umelých strojov a vozidiel) do požadovaných prevádzkových režimov. Vyvinuté nástroje budú využívať fyzikálne poznanie – vďaka čomu budú navrhnuté matematické modely vysvetliteľné – a budú schopné posúdiť a zlepšiť informačný obsah údajov – vďaka čomu budú modely spoľahlivé a vhodné pre priemyselné potreby.

Set-based control of nonlinear systems

As the computers and algorithms get generally faster, many new control concepts become tractable and can be developed. Set-based control is one of these, where the primary use of sets is in enveloping a space of possible evolutions of variables of a system over time. If these envelopes can be obtained in reasonable time, many properties of dynamic systems such as stability or robustness can be reasoned about. The first goal of the thesis is to build a novel type of multi-base set arithmetics that combines elements such as interval analysis, convex-set theory, and polynomial-functions theory to achieve the best trade-off between accuracy of representation and the burden associated with the underlying calculations to obtain the envelopes. The second goal of the thesis is to develop methods of synthesis of controllers that can be used for safe and reliable control of nonlinear systems. The project of the thesis will be finished with a successful demonstration of the developed techniques on a laboratory plant.

Množinové riadenie nelineárnych systémov

Ako sa počítače a algoritmy stávajú rýchlejšími, viaceré prelomové koncepty riadenia sa stávajú dostupnými a môžu byť rozvíjané. Množinové patrí k takýmto konceptom, kde hlavným účelom využitia množín je nájdenie všetkých možných scenárov vývoja systému v čase. Ak je takáto informácia dostupná v rozumnom čase, môže byť vyšetrených veľa vlastností systému, ako napríklad stabilita a robustnosť. Prvým cieľom práce je vytvorenie novej multi-bázovej množinovej aritmetiky, ktorá kombinuje intervalovú analýzu, teóriu konvexných množín a teóriu polynomických funkcií, na dosiahnutie najlepšieho pomeru presnosti a výpočtovej sily potrebnej na prácu. Druhou úlohou práce je vytvoriť metódy na návrh riadenia použiteľné pre bezpečné a spoľahlivé riadenie nelineárnych sústav. Práca na predkladanej téme bude ukončená experimentálnym overením vyvinutých metód na laboratórnom zariadení.

Modelling, Optimal Design and Optimal Operation of Membrane Processes

Membrane processes are crucial in various industrial sectors, including water purification, pharmaceuticals, and food processing, due to their efficiency and sustainability. This proposed research aims to develop an integrative framework that combines advanced mathematical modeling techniques with optimization algorithms to achieve optimal design and operation of membrane processes. The study will involve the development of comprehensive mathematical models that capture the complex phenomena involved in membrane processes, considering factors such as mass transfer, fluid dynamics, and membrane fouling. Furthermore, the research will focus on optimizing the design parameters of membrane systems to enhance performance, minimize energy consumption, and reduce environmental impact. Finally, the proposed framework will facilitate real-time optimization strategies for the optimal operation of membrane processes, ensuring efficient and sustainable operation under varying operating conditions. Overall, this research will contribute to the advancement of membrane technology and its widespread adoption in industrial applications.

Modelovanie, optimálny návrh a optimálna prevádzka membránových procesov

Membránové procesy sú kľúčové v rôznych priemyselných odvetviach, vrátane čistenia vody, farmaceutického priemyslu a spracovania potravín, vďaka ich účinnosti a udržateľnosti. Navrhovaný výskum si kladie za cieľ vyvinúť integratívny rámec, ktorý kombinuje pokročilé matematické modelovacie techniky s optimalizačnými algoritmami s cieľom dosiahnuť optimálne navrhovanie a prevádzku membránových procesov. Štúdia bude zahŕňať vývoj komplexných matematických modelov, ktoré zachytávajú zložité fenomény spojené s membránovými procesmi, pričom sa zohľadnia faktory ako prestup látky, hydrodynamika a zanášanie membrány. Ďalej sa výskum bude zameriavať na optimalizáciu návrhových parametrov membránových systémov s cieľom zlepšiť výkon, minimalizovať spotrebu energie a znížiť environmentálny vplyv. Nakoniec, navrhovaný rámec umožní stratégie na real-time optimalizáciu pre optimálnu prevádzku membránových procesov, čo zabezpečí efektívnu a udržateľnú prevádzku pri rôznych prevádzkových podmienkach. Celkovo prispeje tento výskum k rozvoju membránovej technológie a jej rozsiahlemu použitiu v priemyselných aplikáciách.