Spis treści zeszytu Elektronika nr 4/2023

PODWÓJNA FUNKCJA TRANZYSTORA MOCY MOSFET.................5

XIII FORUM GOSPODARCZE – GOSPODARKA EU 2030.................6

GENERAL PURPOSE VOLTAGE REGULATOR – VALIDATION OF CONSTRUCTION
(Regulator napięcia ogólnego przeznaczenia – walidacja konstrukcji )
A. SMOLARSKI, M. WESOŁOWSKI . . . . . . . . . . .7

ABSTRACT
The developed converter, described in [1], was subjected to a series of tests, based on which, many defects and negative factors requiring improvement were detected. This paper describes the basic operational problems of the prototype and solutions to overcome them. Additional measurements were made to confirm the effectiveness of the adopted solutions and the actual efficiency of the proposed structure was determined.
KEYWORDS: converter, design, tests

Streszczenie
Opracowana przetwornica podwyższająco-obniżająca, opisana w pracy [1], poddana została serii testów, na podstawie których wykryto wiele wad oraz czynników wymagających poprawy. W niniejszej pracy opisano podstawowe problemy eksploatacyjne prototypu oraz rozwiązania pozwalające na ich przezwyciężenie. Wykonano dodatkowo pomiary potwierdzające skuteczność przyjętych rozwiązań oraz wyznaczono rzeczywiste sprawności proponowanej konstrukcji.
SŁOWA KLUCZOWE: przetwornica, konstrukcja, badania

BIOFOTONIKA KLASYCZNA I KWANTOWA CZĘŚĆ 2 – MATERIAŁY, BIOSUBSTANCJE, OBIEKTY
(Classical and Quantum Biophotonics – substances, phenomena, instruments Part 2 – materials, biosubstances, objects )
R. ROMANIUK . . . . . . . . . . . .13

Streszczenie
Biofotonika jest obszarem na skrzyżowaniu nauk o życiu i świetle. W porównaniu z innymi obszarami jest dyscypliną relatywnie nową. Obejmuje zastosowania światła jako źródło energii umożliwiające badania podstawowe i rozwój zastosowań w naukach biologicznych, farmaceutycznych, środowiskowych, rolniczych, oraz medycznych. Termin biofotonika i jej obecnie tak szerokie ujęcie tematyczne funkcjonuje relatywnie od niedawna, ale jednak już od kilkudziesięciu lat. Połączenie światła i wymienionych nauk funkcjonowało znacznie wcześniej. Można wymienić wiele znacznych kamieni milowych na drodze jej wczesnego i późniejszego rozwoju, poczynając od najprostszych technik mikroskopowych, fototerapie początkowo skupioną wiązką światła a potem wiązką laserową, i następnie odkrycie i rozwój białka zielonej fluorescencji, rozwój super-rozdzielczej mikroskopii fluorescencyjnej, szczypce optyczne i ich zastosowania w biologii, szerokopasmowe techniki spektroskopowe w pasmie UV-VIS-IR-MIR, pulsoksymetrię i inne optyczne techniki diagnostyczne, różne metody obrazowania a w tym optyczną tomografię koherencyjną. Biofotonika to rozwój technik diagnostycznych ale i terapeutycznych w dermatologii, okulistyce – leczenie retinopatii cukrzycowej, terapia fotodynamiczna i jej rozwój w obszarze fotoimmunoterapii. Techniki neuromodulacji i nanomanipulacji optycznej obejmują optogenetykę i niegenetyczne metody fotostymulacji. Biofotonika to zasilane i sterowane światłem nanomaszyny/nanoroboty molekularne. Biofotonika jest skorelowana z fotobiologią, fizyką i inżynierią biomedyczną, foto-elektro-biochemią, a także z kwantowymi technikami informacyjnymi, np. poprzez takie techniki jak ghost-imaging czy drug discovery. Biofotonika to złożony sprzęt laboratoryjny, biomedyczny i przemysłowy.
SŁOWA KLUCZOWE: biofizyka, biofotonika, biochemia, fotobiologia, optyka, mikroelektronika, czujniki, nanotechnologie, technologie kwantowe

ABSTRACT
Biophotonics is an area at the intersection of life and light sciences. Compared to other areas, it is a relatively new discipline. It covers the use of light as an energy source enabling basic research and development of applications in biological, pharmaceutical, environmental, agricultural and medical sciences. The term biophotonics and its currently broad thematic approach has been used relatively recently, but still for several decades. The combination of the light and the biology is much older. Many significant milestones in its early and recent developments can be listed, starting with the simplest microscopy techniques, focused beam phototherapy, and then the discovery and development of the green fluorescent protein, the development of super-resolution fluorescence microscopy, optical tweezers and their applications in biology, broadband spectroscopic techniques in the UV-VIS-IR-MIR spectrum, pulse oximetry and other optical diagnostic techniques, various imaging methods, including optical coherence tomography. Biophotonics is the development of diagnostic and therapeutic techniques in dermatology, ophthalmology - treatment of diabetic retinopathy, photodynamic therapy and its development in the field of photoimmunotherapy. Techniques of neuromodulation and optical nanomanipulation include optogenetics and non-genetic methods of photostimulation. Biophotonics includes nanomachines/molecular nanorobots powered and controlled by light. Biophotonics is correlated with photobiology, biomedical physics and engineering, photo-electro- -biochemistry, as well as with quantum information techniques, e.g. through techniques such as ghost-imaging or drug discovery. Biophotonics to complex laboratory, biomedical but also industrial equipment.
KEYWORDS: biophysics, biophotonics, biochemistry, photobiology, optics, microelectronics, sensors, nanotechnologies, quantum technologies

SIECI NEURONOWE I METODY UCZENIA MASZYNOWEGO W MODELOWANIU I STEROWANIU AKCELERATORÓW CZĄSTEK PRZYKŁAD WDROŻENIA KONTROLERA NN W SYSTEMIE CHŁODZENIA FOTOINŻEKTORA W INSTALACJI FAST
(Neural Networks and Machine Learning for Modeling and Control of Particle Accelerators - implementation example on the cooling system of photoinjector at FAST installation multiparameter performance evaluation)
S. BUŁKA . . . . . . . . . . . .28

Streszczenie
Głównym celem opisanych prac badawczych i wdrożeniowych, było opracowanie kontrolera opartego na sieciach neuronowych, dostosowującego ustawienia częstotliwości fali zasilającej wnękę działa elektronowego i mocy ogrzewacza HP tak, aby uzyskiwać żądaną częstotliwość rezonansową. Dodatkowo, jego zadaniem powinno być kontrolowanie szybkości, z jaką moc RF jest doprowadzana do wartości operacyjnej podczas włączania. Dla każdej kandydującej architektury modelu i zestawu danych wejściowych przeszkolono kilka indywidualnych sieci, a następnie przetestowano na zestawach wyselekcjonowanych danych. Ze względu na długie stałe czasowe przepływu wody powrotnej z działa i obecność dwóch zmiennych kontrolowanych, został wybrany schemat modelu sterowania predykcyjnego (Model Predictive Control – MPC), w którym model systemu i algorytmy optymalizacji są używane w celu określenia optymalnej sekwencji przyszłych działań kontrolera takich, że docelowy stan wyjścia zostanie osiągnięty w jakimś przyszłym horyzoncie czasowym, Taki schemat jest przydatny do kompensacji opóźnionego zachowania systemu. Ponadto, jeśli seria przyszłych nastaw jest znana z góry, sterownik może działać wyprzedzająco. Zaprezentowane zostały wyniki zarejestrowane w procesie regulacji. Rozważono możliwości modyfikacji i rozszerzeń sterownika tak, aby żądana operacyjna moc RF osiągana była bez znaczącego wzrostu mocy fali odbitej.
SŁOWA KLUCZOWE: akceleratory cząstek, sterowanie, sieci neuronowe, system chłodzenia

ABSTRACT
The main goal of described research and implementation work was to develop a controller based on neural networks, adjusting frequency of RF power to the cavity of electron gun and the power of the heater to obtain the desired resonant frequency. In addition, its function should be to control the rate at which RF power is brought to operational value during power-up. For each candidate model architecture and input data set, several individual networks were trained and then tested on selected data sets. Due to the long time constants of the return water flow from the gun and the presence of two controlled variables, a Model Predictive Control (MPC) scheme was chosen, where the system model and optimization algorithms are used to determine the optimal sequence of future controller actions such as the target output state will be reached in determined time horizon. Such a scheme is useful for compensation of delayed systems performance. In addition, if a series of future settings are known in advance, the controller can act with prediction. The results recorded during regulation process were presented. Possibilities of modifications and extensions of the controller were considered so that the required operational RF power was achieved without a significant increase in the reflected wave power.
KEYWORDS: particle accelerators, control, neural networks, cooling system

WYKORZYSTANIE ESTYMATORÓW I OBSERWATORÓW STANU JAKO SOFTWAROWYCH CZUJNIKÓW POMIAROWYCH DLA NIEDOSTĘPNYCH POMIAROWO-ZMIENNYCH PROCESOWYCH
(The use of estimators and state observers as soft-sensors measuring process variables that are inaccessible to measurement)
J. BYRSKI . . . . . . . . . . . .35

Streszczenie
Artykuł przedstawia przegląd różniczkowych asymptotycznych obserwatorów (estymatorów) stanu typu Luenbergera lub Kalmana oraz całkowych obserwatorów odtwarzających stan dokładnie, stosowanych w liniowych układach dynamicznych. Estymatory i obserwatory mogą pracować jako softwarowe czujniki niedostępnych do pomiaru zmiennych wektora stanu układu. Takie soft-sensory, dostarczające wirtualnej informacji mogą być wykorzystane dla celów sterowania, do diagnostyki i wykrywania błędów w procesach technicznych oraz do monitoringu procesu, pod warunkiem, że znany jest model tego procesu. Obserwatory różniczkowe gwarantują jedynie asymptotyczne nadążanie za stanem rzeczywistym tzn. nieznany początkowy błąd odtwarzania z biegiem czasu maleje do zera, ale nie ma możliwości obliczenia jego bieżącej wartości, czyli rzeczywistego stanu. W drugiej części artykułu przedstawiono innego typu obserwator stanu, który ma strukturę opartą o operatory całkowe. Na podstawie pomiarów sygnałów wyjściowych i wejściowych układu na pewnym z góry określonym skończonym przedziale czasu T, zwanym oknem pomiarowym, może on po tym przedziale dokładnie odtworzyć stan z początku okna (stan początkowy) lub z końca okna (stan bieżący). W wersji on-line dokładna rekonstrukcja stanu x(t) jest wykonywana w sposób ciągły dla każdego t, na podstawie specjalnej procedury wykonywanej w dwóch równolegle i płynnie przesuwanych oknach o przyjętej szerokości T, na przedziale czasowym [t – T,t]. W jednym oknie przetwarzany jest sygnał sterowania, a w drugim sygnał z wyjścia systemu. Pokazano zasadnicze różnice tych obserwatorów
SŁOWA KLUCZOWE: estymatory stanu, obserwator Luenbergera, czujniki softwarowe (soft-sensors), obserwatory całkowe, dokładne obserwatory stanu

ABSTRACT
The paper presents an overview of differential, asymptotic state observers (estimators) like Luenberger or Kalman type as well as the integral exact state observers, both used in linear dynamical systems. Estimators and observers can work as soft-sensors for the measurement of the state vector variables which are not available for measurement. Such soft-sensors, providing virtual information, can be used for control purposes, for diagnostics and error detection in technical processes and for process monitoring, provided that the process model is known. Differential observers guarantee only asymptotic tracking of the real state, i.e. the unknown initial state reconstruction error decreases to zero over time, but it is not possible to calculate its current value, and thus the value of the real state. The second part of the paper presents a different type of state observer, which has a structure based on two integral operators. On the basis of measurements of the output and input signals of the system over a certain predetermined finite period of time T, called the measurement window, after this interval, the observer can reproduce the state exactly at the beginning of the window (initial state) or at the end of the window (current state). In the on-line version, the exact reconstruction of the state x(t) is performed continuously for each t, based on a special procedure performed in two parallel and smoothly sliding windows of the assumed width T, on a time interval [t – T,t]. In one window the control signal is processed, and in the second the signal from the system output. The main differences of these observers are shown.
KEYWORDS: state estimators, Luenberger observer, software sensors (soft-sensors), integral observers, exact state observers