Holinko I. Mathematical models and artificial microclimate systems optimization for critical infrastructure cyber-physical facilities

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Science (DSc)

State registration number

0526U000179

Applicant for

Specialization

  • 01.05.02 - Математичне моделювання та обчислювальні методи

24-06-2026

Specialized Academic Board

Д 64.051.09

Karazin University

Essay

The dissertation research is aimed at developing a comprehensive scientific and applied approach to mathematical modeling and numerical analysis of the artificial microclimate system of cyberphysical objects (CPO) of critical infrastructure (CI). The relevance of the topic stems from the need of CI enterprises and institutions to ensure artificial microclimate parameters for the sustainable operation of human, technical, and information components of CI facilities under conditions of conceptual uncertainty. The dissertation analyzes the functioning of the artificial microclimate of CI CPO. The results of the study showed that the formation of an artificial microclimate has a technical and social direction. The functioning of important technical equipment, as well as the physical health, psycho-emotional stability, and work capacity of personnel located in CI facilities, depend on the parameters of the artificial microclimate. A review of international standards regulating the requirements for the artificial microclimate of CI CPO is conducted. The paper proposes a systematic approach to the management of air conditioning systems (ACS), which consists of three main stages and encompasses: in-depth analysis of the technological process of air preparation; the construction of a multidimensional mathematical model of the air conditioner for existing air conditioning technologies; the development of a multidimensional optimal air conditioner management system and implementation of an information decision support system (IDSS) that ensures the systematic integration of air conditioners into CI CPO. To implement the first stage of the system approach, the dissertation analyzes the current state of the technological process of air preparation as a complex technical system. Based on the systematization of typical technological solutions, several dozen variants of air conditioning technologies have been identified, which allows considering the ACS as a separate class of objects with a high degree of structural variability. Within the second stage of the system approach, mathematical models of climate equipment are proposed. Seven analytical models are developed in the work: electric and water heaters; water cooler; nozzle and steam humidifiers; air mixing chamber; room. These models allow for quantitative and qualitative analysis of the dynamic characteristics of air conditioner equipment. Mathematical models are given in the standard form of state space and matrix transfer functions. The parameters of climate equipment analytical models are classified. It is established that the numerical values of the heat and mass transfer coefficients of air conditioner equipment models depend on a number of factors that constitute a single complex of interdependent quantities and have an ambiguous effect on dynamic properties. To address the uncertainty of climate equipment analytical models, a passive identification algorithm is proposed, which is implemented by digital twin tools and ensures the adaptability of models to the real air conditioning process. A method for aggregating climate equipment models into a single multidimensional ACS model is developed. Four comprehensive models were obtained for the most common central air conditioning technologies. To implement the third stage of the system approach, an IDSS for artificial microclimate management of CI CPO was proposed, which uses the principles of: hierarchical organization of functioning system components; optimization of management decisions taking into account multi-criteria analysis; adaptability of mathematical models to changes in the external environment; identification of analytical models and minimization of the impact of uncertainty. Based on the results of the research, a multifunctional mathematical and algorithmic support was created for the implementation of an optimal artificial microclimate control system for CI CPO. The proposed mathematical models, methods, and algorithms for controlling air conditioners have been successfully implemented in practice.

Research papers

Голінко І.М. Моделювання та оптимізація систем керування [Текст]: монографія / І.М Голінко, А.І. Кубрак. –Кам.–Под.: ПП Буйницький, 2012. –262 с. URL: http://conislab.net/files/modeling/golinko_2012_262.pdf.

N. Pankratova, I. Golinko, Approach to development of digital twin model for cyber-physical system in conditions of conceptual uncertainty. In Book Chapter 1 M. Zgurovsky & N. Pankratova (Eds.), System Analysis and Artificial Intelligence (Ser. Studies in Computational Intelligence, – 2023, Vol. 1107). Springer, 2023. р. 3–25. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-37450-0_1.

N. Pankratova, I. Golinko, Architecture of an Intelligent Microclimate Control System for an Industrial Enterprise. In Book M. Zgurovsky & N. Pankratova (Eds.), System Analysis and Data Mining (Ser. Studies in Systems, Decision and Control, – 2026, Vol. 609). Springer, 2025. р. 21–36. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-97529-5_2.

Голінко І.М. Динамічна модель теплового режиму калорифера / І.М. Голінко, А.П. Ладанюк, Л.Д. Кошелєва // Інформаційні технології та комп'ютерна інженерія. –2009, № 3(16). –С. 59–63. URL: https://ela.kpi.ua/server/api/core/bitstreams/d1de424e-fd0e-482a-8036-e53c42b21cc4/content.

Голінко І.М. Моделювання температурного режиму теплообмінника / І.М. Голінко, А.І Кубрак., A.C. Кравченко // Східно–Європейский журнал передових технологій. –2010, №2/7(44). –С. 24–27. URL: https://journals.uran.ua/eejet/article/view/2696.

Голінко І.М. Синтез цифрової системи керування за інтегральними показниками якості / І.М. Голінко, А.І. Кубрак, В.Г. Трегуб // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. –2011, № 6. –С. 54–59. URL: https://ela.kpi.ua/server/api/core/bitstreams/92939a2b-2e83-48d1-babf-dfa9e1ba242e/content.

Голінко І.М. Аналіз системи керування для штучного мікроклімату за методом “точки роси” / І.М. Голінко, В.Г. Трегуб // Східно–Європейский журнал передових технологій. –2011, № 2/10(50). –С. 53–55. URL: https://journals.uran.ua/eejet/article/view/1870/1765.

Голінко І.М. Оптимізація цифрових систем керування із ПІ–Д та І–ПД регуляторами / І.М. Голінко // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. –2012, № 2. –С. 50–58. URL: https://ela.kpi.ua/server/api/core/bitstreams/96a1222b-80dc-4db3-b2e5-738b9a6ef221/content.

Голінко І.М. Синтез оптимальних систем керування із мінімізацією керуючого впливу / І.М. Голінко // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. –2012. –№ 2(54). –С. 79–88. URL: https://ela.kpi.ua/server/api/core/bitstreams/80b6fbf4-2644-49c8-aff3-0c61f9eacfef/content.

Голінко І.М. Аналіз системи керування для промислового кондиціонера із парозволожувачем / І.М. Голінко, В.Г. Трегуб // Східно–Європейский журнал передових технологій. –2012, Том 6, № 8(60). –С. 14–18. URL: https://journals.uran.ua/eejet/article/view/5754/5186.

Голинко И.М. Инженерный метод оптимизации ПИ регулятора по каналу возмущения / И.М. Голинко, А.И. Кубрак, И.Е. Галицька // Механіка гіроскопічних систем. –2013, № 26. –С. 21–31. URL: https://mgsys.kpi.ua/article/view/30960.

Голінко І.М. Динамічна модель тепломасообміну для водяного охолоджувача промислового кондиціонера / І.М. Голінко // Наукові вісті Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. –2014, № 6. –С. 27–34. URL: https://ela.kpi.ua/server/api/core/bitstreams/cc998caa-710c-44bd-9357-95fdcd8520de/content.

Голінко І.М. Динамічна модель тепломасообмінних процесів у камері форсуночного зволоження / І.М. Голінко, А.І. Кубрак, І.Є. Галицька // Інформаційні системи, механіка та керування. 2014. № 11, –С. 61–71. URL: http://ismc.kpi.ua/article/view/50602.

Голінко І.М. Синтез оптимального лінійно-квадратичного цифрового регулятора для промислового кондиціонера із паровим зволожувачем / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Механіка гіроскопічних систем. – 2014. № 28, –С. 15–26. URL: https://mgsys.kpi.ua/article/view/39008.

Голінко І.М. Принципи синтезу автоматичних систем керування промисловими кондиціонерами / І.М. Голінко // Автоматизація технологічних і бізнес-процесів. – 2016. № 8, –С. 33–42. URL: https://journals.ontu.edu.ua/index.php/atbp/article/view/21.

Голінко І.М. Оптимізація багатовимірних систем керування для комплексів штучного мікроклімату / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Прикарпатський вісник НТШ. Серія Число. –2016, № 1(33). –С. 61–73. URL: https://pvntsh.nung.edu.ua/index.php/number/article/view/101/98.

Голінко І.М. Процедура синтезу багатовимірного регулятора для прецизійного кондиціонера із паровим зволожувачем / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Механіка гіроскопічних систем. – 2017. № 34, –С. 21–31. URL: https://mgsys.kpi.ua/article/view/130225.

Голінко І.М. Промислове приміщення як динамічний елемент системи керування штучним мікрокліматом / І.М. Голінко, І.Є. Галицкая // Інформаційні системи, механіка та керування. –2018. № 18, –С. 104–114. URL: http://ismc.kpi.ua/article/view/124840.

Голінко І.М. Інтегрування систем керування мікрокліматом в автоматизовану систему керування підприємством / І. Голінко, І. Галицька // Інформаційні системи, механіка та керування. –2019. № 20, –С. 78–87. URL: http://ismc.kpi.ua/article/view/194413.

Панкратова Н.Д. Синтез многомерной системы управления для прецизионного комплекса искусственного микроклимата / Н.Д. Панкратова, П.И. Бидюк, И.М. Голинко // Системні дослідження та інформаційні технології. –2020. № 1, –С. 7–20. URL: http://journal.iasa.kpi.ua/article/view/209080.

Pankratova N. Electric heater mathematical model for cyber-physical systems / N. Pankratova, I. Golinko // System research and information technologies. –2021, № 2. p. 7–17. URL: http://journal.iasa.kpi.ua/article/view/239826.

Pankratova N.D. Reliable operation of cyber-physical system with accompanied by a digital twin / N.D. Pankratova, I.M. Golinko, V.A Pankratov // Problems of applied mathematics and mathematical modelling. – 2023, Vol. 23. p. 212–223. URL: https://pm-mm.dp.ua/index.php/pmmm/article/view/391.

Голінко І.М. Розробка цифрового двійника процесу теплообміну в умовах концептуальної невизначеності / І.М. Голінко // Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна, серія Математичне моделювання. Інформаційні технології. Автоматизовані системи управління. – 2025. вип. 68. –С. 20–29. URL: https://periodicals.karazin.ua/mia/article/view/28472/24863.

Golinko I.М. An optimization of a digital controller for a stochastic control system / I. Golinko, V. Drevetskiy // Informatics, Control, Measurement in Economy and Environmental Protection, 2019, Vol. 9(3). p. 74–77. URL: https://ph.pollub.pl/index.php/iapgos/article/view/240.

Golinko I.М. Time-variant model of heat-and-mass exchange for steam humidifier / I. Golinko, V. Drevetskiy // Informatics, Control, Measurement in Economy and Environmental Protection, 2020, Vol. 10(2). p. 24–27. URL: https://ph.pollub.pl/index.php/iapgos/article/view/924.

Pankratova N. Development of Digital Twins to Support the Functioning of Cyber-physical Systems / N. Pankratova, I. Golinko // Computer Science Journal of Moldova. – 2023, vol.31, № 3(93). p. 299–320. URL: https://www.math.md/publications/csjm/issues/v31-n3/13843.

Golinko I.M. An Express Method for Optimally Tuning an Analog Controller with Respect to Integral Quality Criteria / I.M. Golinko, Yu.M. Kovrigo, A.I. Kubrak // Thermal Engineering, 2014, Vol. 61, No. 3, p. 189–197. URL: https://link.springer.com/article/10.1134/S0040601513110049.

Golinko I.M. Engineering Method of Optimization of Digital Control Systems / I.M. Golinko, A.P. Ladanyuk, A.I. Kubrak //Journal of Automation and Information Sciences, 2014, Vol. 46, No. 2, p. 67–75. URL: https://www.dl.begellhouse.com/journals/2b6239406278e43e,1205699d1da1aef7,2527d2e965512460.html.

Golinko I.M. Optimal Tuning of a Control System for a Second–Order Plant with Time Delay / I.M. Golinko // Thermal Engineering, 2014, Vol. 61, No. 7, p. 524–532. URL: https://link.springer.com/article/10.1134/S0040601514070039#citeas.

Пат. № 44799 Україна, Регулюючий мікропроцесорний контролер / Ковриго Ю.М., Коновалов М.А., Голінко І.М., Бунке С.А.; Заявник та власник НТУУ “КПІ”. – № u200905450; заявл. 29.05.2009; опубл. 12.10.2009, Бюл. № 19. – 8 с.: іл.

Пат. 54042 Україна, Універсальний мікропроцесорний контролер / Ковриго Ю.М., Коновалов М.А., Голінко І.М., Бунке О.С.; Заявник та власник НТУУ “КПІ”. – № u201004874; заявл. 23.04.2010; опубл. 25.10.2010, Бюл. № 20. – 8 с.: іл.

Л.Д. Кошелєва, І.М. Голінко // Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики: тези доповідей VII міжнародної науково–практичної конференції, 21 –25 квітня 2009 р. – Київ, 2009. – С. 215.

Сиротинський С.О. Настройка систем керування за інтегральними показниками якості / С.О. Сиротинський, І.М. Голінко // Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики: тези доповідей IX міжнародної науково–практичної конференції, 18 –22 квітня 2011 р. – Київ, 2011. – С. 303.

Голінко І.М. Аналіз та забезпечення ефективного керування системами штучного мікроклімату / І.М. Голінко, С.Г. Степаненко, І.Є. Галицька, В.Ю. Степаненко // Гіротехнології, навігація, керування рухом і конструювання авіаційно–космічної техніки: збірка доповідей ІХ Міжнародної науково–практичної конференції, 17 – 18 квітня 2013 р., – Київ, 2013. С. 172–175. URL: http://conference.gyro.kpi.ua/proc/article/view/73569.

Голінко І.М. Нестаціонарна модель тепло- та масообміну для водяного охолоджувача / І.М. Голінко // Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики: тези доповідей ХII Міжнародної науково-практичної конференції, 22 – 25 квітня 2014 р. – Київ, 2014. – С. 138.

Голінко І.М. Нестаціонарна модель тепло- та масообміну для камери парового зволоження / І.М. Голінко // Автоматика – 2014: тези доповідей XXІ Міжнародної конференції з автоматичного управління, 23 – 27 вересня 2014 р. – Київ, 2014. – С. 104–105.

Голінко І.М. Моделювання динаміки режиму тепломасообміну для камери форсуночного зволоження / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Математика в сучасному технічному університеті: матеріали ІІІ Міжнародної науково-практичної конференції, 25 – 26 грудня 2014 р. , –К.: НТУУ “КПІ”, 2015. –С. 22–27. URL: https://matan.kpi.ua/public/files/mvstu3/mvstu3-abstracts.pdf.

Голінко І.М. Комплексна динамічна модель промислового кондиціонера із форсуночним зволожувачем у просторі станів / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Гіротехнології, навігація, керування рухом і конструювання авіаційно-космічної техніки: збірка доповідей Х Міжнародної науково-практичної конференції, 16 - 17 квітня 2015 р., –Київ, 2015. –С. 201-206. URL: http://conference.gyro.kpi.ua/proc/article/view/62484.

Голінко І.М. Процедура синтезу оптимальної системи керування для промислових комплексів штучного мікроклімату / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Математика в сучасному технічному університеті: матеріали ІV Міжнародної науково-практичної конференції, 24–25 грудня 2015 р. , –К.: НТУУ “КПІ”, 2016. –С. 31–34. URL: https://matan.kpi.ua/public/files/2016/mvstu4-abstracts.pdf.

Голінко І.М. Динамічна модель прецизійного кондиціонера із паровим зволожувачем / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Матеріали V Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених з автоматичного управління, 11 – 13 квітня 2017 р. – Херсон: ХНТУ, 2017. – С. 43–46.

Голінко І.М. Математична модель електричного калорифера у просторі станів / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Математика в сучасному технічному університеті: матеріали V Міжнародної науково-практичної конференції, 29–30 грудня 2016 р. –К.: НТУУ “КПІ”, 2017. –С. 41-44. URL: https://matan.kpi.ua/public/files/2016/mvstu5/MSTU5.pdf.

Голінко І.М. Динамічна модель мікроклімату для промислового приміщення, що кондиціонуються / І.М. Голінко, І.Є. Галицька // Математика в сучасному технічному університеті: матеріали VІ Міжнародної науково-практичної конференції, 28–29 грудня 2017 р. , – К.: НТУУ “КПІ”, 2018. – С. 32-35. URL: https://matan.kpi.ua/public/files/2017/mvstu6/MSTU6_1.pdf.

Голінко І.М. Математичне моделювання та керування промисловими системами штучного мікроклімату / І.М. Голінко // Матеріали Міжнародної наукової конференції: Мікро- та нанонеоднорідні матеріали: моделі та експеримент, 17 – 18 вересня 2018 р. – Львів, 2018. – С. 23–25. URL: http://www.cmm.lviv.ua/files/Conference-2018.pdf

Golinko I. Mathematical Model of Heat-and-Mass Transfer for Steam Humidifier / I. Golinko, V. Drevetskiy // Proceedings of the International Scientific Conference: Modeling, Control and Information Technologies – 2019, pp. 35-36.

Golinko I. Mathematical Model of Heat Exchange for Non-stationary Mode of Water Heater / I. Golinko, I. Galytska. // Advances in Computer Science for Engineering and Education. – 2020, pp. 58–67. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-030-16621-2_6.

Pankratova N.D. Decision support system for microclimate control at large industrial enterprises / N.D. Pankratova, P.I. Bidyuk, I.M. Golinko // CEUR Workshop Proceedings. – 2020. pp. 489–498. URL: https://ceur-ws.org/Vol-2608/paper37.pdf.

Golinko I. Mathematical Modeling of Dynamic Heat-Mass Exchange Processes for a Spray-Type Humidifier / I. Golinko, I. Galytska. // Advances in Intelligent Systems and Computing. – 2021, pp. 63–74. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-16621-2_6.

Golinko I. Parametric Optimization of Time-Domain Digital Control System / I. Golinko, I. Galytska. // Lecture Notes on Data Engineering and Communications Technologies. – 2022, pp. 47–60. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-04812-8_5.

Pankratova N. Digital Twin Simulation for Cyber-Physical Systems on Electric Heater Example / N. Pankratova, I. Golinko // IEEE 3rd International Conference on System Analysis and Intelligent Computing, – 2022, pp. 22–27. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/9922971.

Pankratova N. Development of digital twin based on a model with fractional-rational uncertainty / N. Pankratova, I. Golinko // International Workshop on Computer Modeling and Intelligent Systems (CMIS-2023). – 2023, 3392, pp. 11–22. URL: https://ceur-ws.org/Vol-3392/paper2.pdf.

Pankratova N. Mathematical models development of digital twin under conceptual uncertainty conditions / N. Pankratova, I. Golinko // Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем (МПЗІС-2023): Тези доповідей XХІ Міжнародної науково-практичної конференції. – Дніпро: ДНУ, 2023. С. 33–34. URL: http://mpzis.dnu.dp.ua/wp-content/uploads/2023/11/mpzis-2023.pdf.

Pankratova N. Architecture of intelligent microclimate control system within enterprise cyber-physical system / N. Pankratova, I. Golinko // Математичне та програмне забезпечення інтелектуальних систем (МПЗІС-2024): Тези доповідей XХІІ Міжнародної науково-практичної конференції. – Дніпро: ДНУ, 2024. C. 38–39. URL: http://mpzis.dnu.dp.ua/wp-content/uploads/2024/11/МПЗІС-2024-1.pdf.

Files

Similar theses