Master's Thesis

Digital shadow of a thermal system

Final Thesis 14.89 MB Appendix 9.02 MB

Author of thesis: Ing. Radim Vancl

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ondrej Mihálik

Reviewer: doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on the design of a heat exchanger station model, the identification of its parameters, and its operational deployment in the form of a digital shadow. The theoretical part describes the methods and possibilities for modeling industrial systems and the physical model of a heat exchanger station. The practical part includes a description of the control, data acquisition, and the design of the model, which was implemented using two different approaches: analytical modeling (Grey-box) and data-driven modeling (Black-box) utilizing LSTM-type recurrent neural networks. The key contribution of the thesis is a comparison of both approaches based on the RMSE and Model Efficiency (R^2) metrics. The results demonstrate a significant dominance of data-driven modeling (LSTM), which, compared to analytical methods, was able to effectively compensate for systematic errors arising from the fixed structure of Grey-box modeling. The final part of the thesis is devoted to the implementation of the resulting models into a Programmable Logic Controller (PLC) environment and their subsequent verification on new scenarios.

Keywords:

PLC, HMI, heat exchanger, simulation, modeling, identification, LSTM, MATLAB, model, heat exchanger station, thermal system, digital shadow

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svou práci a odpověděl na otázky oponenta. Student odpověděl na otázky komise ohledně implementace v PLC, nastavení hyperparametrů neuronových sítí a použití optimalizační metody fminsearch. Student rovněž diskutoval možné vylepšení použitých algoritmů a význam diplomové práce.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Cybernetics, Control and Measurements (MPC-KAM)

Composition of Committee

prof. Ing. Michal Prauzek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Beneš, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Čala, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Lepka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Radomil Matoušek, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Pohl, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondrej Mihálik

Bc. Radim Vancl samostatně nastudoval a pochopil relevantní odbornou literaturu z oblasti nelineární identifikace, numerických simulací a rekurentních neuronových sítí. V teoretické části práce přehledně zpracoval problematiku úrovní digitalizace, popsal fyzikální model výměníkové stanice, způsob jejího řízení, sběr dat i možnosti matematického modelování.

V praktické části student navrhl měřicí scénáře, realizoval sběr dat a provedl identifikaci parametrů modelů soustavy několika odlišnými metodami. Vedle klasických metod zpracoval také model založený na síti LSTM. Tyto přístupy objektivně porovnal pomocí střední kvadratické chyby a efektivnosti modelu s využitím křížové validace.

Student oba přístupy implementoval do prostředí PLC a ověřil jejich funkčnost na nových scénářích. Právě toto propojení experimentálního sběru dat, matematického modelování, metod strojového učení a praktického nasazení v průmyslově relevantním prostředí považuji za hlavní přednost předložené diplomové práce.

Z práce vyplývá, že datově orientovaný přístup s využitím LSTM dosáhl výrazně lepších výsledků než analytické grey-box modelování, a to jak při validaci, tak i při samotné realizaci digitálního stínu v PLC.

Ke zpracování práce student přistupoval svědomitě, systematicky a s plným nasazením. Prokázal schopnost propojit znalosti modelování tepelných soustav, programování v MATLABu a implementace algoritmů do PLC. Výsledky prezentoval na konferenci Student EEICT a umístil se mezi oceněnými příspěvky.

Předložená práce jednoznačně splňuje zadání, a proto ji doporučuji k obhajobě. Navrhuji hodnocení A, 94 bodů. Points proposed by supervisor: 94

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Jakub Arm, Ph.D.

Zadání práce bylo splněno ve všech hlavních bodech. Autor popsal výměníkovou stanici, navrhl identifikační scénáře, provedl měření, vytvořil grey-box model, realizoval jeho identifikaci, provedl validaci několika přístupů a implementoval digitální stín do PLC. Součástí práce je rovněž porovnání dosažených výsledků a jejich experimentální ověření.
Ačkoliv to ze zadání nevyplývá, výběr LSTM namísto uvedeného grey-box modelu vykazuje menší odchylky modelu. Autor avšak mohl uvést vice typů modelů s jejich variantami, mezi kterými vybíral, a případně je srovnat. Při implementaci autor naráží na problém s velikostí pamětí PLC, přičemž se hodí uvést potřebnou a aktuální velikost. Slabší stránkou je také nedostatečná diskuze některých modelových předpokladů, omezení použitého datasetu a omezené srovnání s literaturou.
Práce je formálně zpracována na velmi dobré úrovni. Obsahuje přehlednou strukturu, dostatečné množství obrázků, tabulek a příloh.
Autor čerpal z firemní literatury, několika akademických článků i několika knih zabývajících se modelováním a systémy s přenosem tepla. Topics for thesis defence:
  1. Grey-box model dosáhl výrazně horších výsledků než LSTM síť. Do jaké míry jsou tyto rozdíly způsobeny samotnou zvolenou strukturou grey-box modelu a jeho zjednodušujícími předpoklady (např. odhady průtoků a zjednodušený fyzikální popis), a jaké úpravy modelu by podle Vás mohly vést ke zlepšení jeho přesnosti?
  2. Na základě jakých předpokladů byla určena perioda vzorkování 5 s?
Points proposed by reviewer: 90

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová