Contributions to trajectory prediction theory and its application to arrival management for air traffic control

La gestión del tráfico aéreo (Air Traffic Management, ATM) está experimentando un cambio de paradigma hacia las denominadas operaciones basadas trayectoria. Bajo dicho paradigma se modifica el papel de los controladores de tráfico aéreo desde una operativa basada su intervención táctica continuada hacia una labor de supervisión a más largo plazo. Esto se apoya en la creciente confianza en las soluciones aportadas por las herramientas automatizadas de soporte a la decisión más modernas. Para dar soporte a este concepto, se precisa una importante inversión para el desarrollo, junto con la adquisición de nuevos equipos en tierra y embarcados, que permitan la sincronización precisa de la visión de la trayectoria, basada en el intercambio de información entre ambos actores. Durante los últimos 30 a 40 años las aerolíneas han generado uno de los menores retornos de la inversión de entre todas las industrias. Sin beneficios tangibles, la industria aérea tiene dificultades para atraer el capital requerido para su modernización, lo que retrasa la implantación de dichas mejoras. Esta tesis tiene como objetivo responder a la pregunta de si las capacidades actualmente instaladas en las aeronaves comerciales se pueden aplicar para lograr la sincronización de la trayectoria con el nivel de calidad requerido. Además, se analiza en ella si, conjuntamente con mejoras en las herramientas de predicción trayectorias instaladas en tierra en para facilitar la gestión de las arribadas, dichas capacidades permiten obtener los beneficios esperados en el marco de las operaciones basadas en trayectoria. Esto podría proporcionar un incentivo para futuras actualizaciones de la aviónica que podrían llevar a mejoras adicionales. El concepto operacional propuesto en esta tesis tiene como objetivo permitir que los aviones sean pilotados de una manera consistente con las técnicas actuales de vuelo optimizado. Se permite a las aeronaves que desciendan en el denominado “modo de ángulo de descenso gestionado” (path-managed mode), que es el preferido por la mayoría de las compañías aéreas, debido a que conlleva un reducido consumo de combustible. El problema de este modo es que en él no se controla de forma activa el tiempo de llegada al punto de interés. En nuestro concepto operacional, la incertidumbre temporal se gestiona en mediante de la medición del tiempo en puntos estratégicamente escogidos a lo largo de la trayectoria de la aeronave, y permitiendo la modificación por el control de tierra de la velocidad de la aeronave. Aunque la base del concepto es la gestión de las ordenes de velocidad que se proporcionan al piloto, para ser capaces de operar con los niveles de equipamiento típicos actualmente, dicho concepto también constituye un marco en el que la aviónica más avanzada (por ejemplo, que permita el control por el FMS del tiempo de llegada) puede integrarse de forma natural, una vez que esta tecnología este instalada. Además de gestionar la incertidumbre temporal a través de la medición en múltiples puntos, se intenta reducir dicha incertidumbre al mínimo mediante la mejora de las herramienta de predicción de la trayectoria en tierra. En esta tesis se presenta una novedosa descomposición del proceso de predicción de trayectorias en dos etapas. Dicha descomposición permite integrar adecuadamente los datos de la trayectoria de referencia calculada por el Flight Management System (FMS), disponibles usando Futuro Sistema de Navegación Aérea (FANS), en el sistema de predicción de trayectorias en tierra. FANS es un equipo presente en los aviones comerciales de fuselaje ancho actualmente en la producción, e incluso algunos aviones de fuselaje estrecho pueden tener instalada avionica FANS. Además de informar automáticamente de la posición de la aeronave, FANS permite proporcionar (parte de) la trayectoria de referencia en poder de los FMS, pero la explotación de esta capacidad para la mejora de la predicción de trayectorias no se ha estudiado en profundidad en el pasado. La predicción en dos etapas proporciona una solución adecuada al problema de sincronización de trayectorias aire-tierra dado que permite la sincronización de las dimensiones controladas por el sistema de guiado utilizando la información de la trayectoria de referencia proporcionada mediante FANS, y también facilita la mejora en la predicción de las dimensiones abiertas restantes usado un modelo del guiado que explota los modelos meteorológicos mejorados disponibles en tierra. Este proceso de predicción de la trayectoria de dos etapas se aplicó a una muestra de 438 vuelos reales que realizaron un descenso continuo (sin intervención del controlador) con destino Melbourne. Dichos vuelos son de aeronaves del modelo Boeing 737-800, si bien la metodología descrita es extrapolable a otros tipos de aeronave. El método propuesto de predicción de trayectorias permite una mejora en la desviación estándar del error de la estimación del tiempo de llegada al punto de interés, que es un 30% menor que la que obtiene el FMS. Dicha trayectoria prevista mejorada se puede utilizar para establecer la secuencia de arribadas y para la asignación de las franjas horarias para cada aterrizaje (slots). Sobre la base del slot asignado, se determina un perfil de velocidades que permita cumplir con dicho slot con un impacto mínimo en la eficiencia del vuelo. En la tesis se propone un nuevo algoritmo que determina las velocidades requeridas sin necesidad de un proceso iterativo de búsqueda sobre el sistema de predicción de trayectorias. El algoritmo se basa en una parametrización inteligente del proceso de predicción de la trayectoria, que permite relacionar el tiempo estimado de llegada con una función polinómica. Resolviendo dicho polinomio para el tiempo de llegada deseado, se obtiene de forma natural el perfil de velocidades optimo para cumplir con dicho tiempo de llegada sin comprometer la eficiencia. El diseño de los sistemas de gestión de arribadas propuesto en esta tesis aprovecha la aviónica y los sistemas de comunicación instalados de un modo mucho más eficiente, proporcionando valor añadido para la industria. Por tanto, la solución es compatible con la transición hacia los sistemas de aviónica avanzados que están desarrollándose actualmente. Los beneficios que se obtengan a lo largo de dicha transición son un incentivo para inversiones subsiguientes en la aviónica y en los sistemas de control de tráfico en tierra. ABSTRACT Air traffic management (ATM) is undergoing a paradigm shift towards trajectory based operations where the role of an air traffic controller evolves from that of continuous intervention towards supervision, as decision making is improved based on increased confidence in the solutions provided by advanced automation. To support this concept, significant investment for the development and acquisition of new equipment is required on the ground as well as in the air, to facilitate the high degree of trajectory synchronisation and information exchange required. Over the past 30-40 years the airline industry has generated one of the lowest returns on invested capital among all industries. Without tangible benefits realised, the airline industry may find it difficult to attract the required investment capital and delay acquiring equipment needed to realise the concept of trajectory based operations. In response to these challenges facing the modernisation of ATM, this thesis aims to answer the question whether existing aircraft capabilities can be applied to achieve sufficient trajectory synchronisation and improvements to ground-based trajectory prediction in support of the arrival management process, to realise some of the benefits envisioned under trajectory based operations, and to provide an incentive for further avionics upgrades. The proposed operational concept aims to permit aircraft to operate in a manner consistent with current optimal aircraft operating techniques. It allows aircraft to descend in the fuel efficient path managed mode as preferred by a majority of airlines, with arrival time not actively controlled by the airborne automation. The temporal uncertainty is managed through metering at strategically chosen points along the aircraft’s trajectory with primary use of speed advisories. While the focus is on speed advisories to support all aircraft and different levels of equipage, the concept also constitutes a framework in which advanced avionics as airborne time-of-arrival control can be integrated once this technology is widely available. In addition to managing temporal uncertainty through metering at multiple points, this temporal uncertainty is minimised by improving the supporting trajectory prediction capability. A novel two-stage trajectory prediction process is presented to adequately integrate aircraft trajectory data available through Future Air Navigation Systems (FANS) into the ground-based trajectory predictor. FANS is standard equipment on any wide-body aircraft in production today, and some single-aisle aircraft are easily capable of being fitted with FANS. In addition to automatic position reporting, FANS provides the ability to provide (part of) the reference trajectory held by the aircraft’s Flight Management System (FMS), but this capability has yet been widely overlooked. The two-stage process provides a ‘best of both world’s’ solution to the air-ground synchronisation problem by synchronising with the FMS reference trajectory those dimensions controlled by the guidance mode, and improving on the prediction of the remaining open dimensions by exploiting the high resolution meteorological forecast available to a ground-based system. The two-stage trajectory prediction process was applied to a sample of 438 FANS-equipped Boeing 737-800 flights into Melbourne conducting a continuous descent free from ATC intervention, and can be extrapolated to other types of aircraft. Trajectories predicted through the two-stage approach provided estimated time of arrivals with a 30% reduction in standard deviation of the error compared to estimated time of arrival calculated by the FMS. This improved predicted trajectory can subsequently be used to set the sequence and allocate landing slots. Based on the allocated landing slot, the proposed system calculates a speed schedule for the aircraft to meet this landing slot at minimal flight efficiency impact. A novel algorithm is presented that determines this speed schedule without requiring an iterative process in which multiple calls to a trajectory predictor need to be made. The algorithm is based on parameterisation of the trajectory prediction process, allowing the estimate time of arrival to be represented by a polynomial function of the speed schedule, providing an analytical solution to the speed schedule required to meet a set arrival time. The arrival management solution proposed in this thesis leverages the use of existing avionics and communications systems resulting in new value for industry for current investment. The solution therefore supports a transition concept from mixed equipage towards advanced avionics currently under development. Benefits realised under this transition may provide an incentive for ongoing investment in avionics.

Residuos orgánicos como fuentes de fósforo

En este trabajo, se han llevado a cabo distintos experimentos en laboratorio, con el objetivo de estudiar el efecto de la aplicación de residuos orgánicos como fuentes de P en las pérdidas de este elemento, que se producen en suelo, tanto por escorrentía superficial como por lixiviación. El interés por evaluar las pérdidas de P se debe a la necesidad de conocer mejor los factores que influyen en los procesos de pérdidas de este elemento y así, poder reducir los problemas de eutrofización de aguas, tanto superficiales como subterráneas, provocadas por un exceso de este nutriente, junto con otros como el nitrógeno. Los trabajos experimentales que se han llevado a cabo se detallan a continuación: Se ha realizado el estudio de las formas de P contenidas en una serie de 14 residuos orgánicos, de distinto origen y tratamiento (compost, lodos, purines y digestato), comparando la información aportada por tres protocolos de fraccionamientos de P diferentes, seleccionados entre los principales métodos utilizados: protocolo de fraccionamiento de Ruttemberg (1992), protocolo de Normas, medidas y ensayos (Ruban et al., 2001a) y protocolo de Huang et al. (2008). Todos los métodos de fraccionamiento empleados aportaron información útil para conocer las formas de P de los residuos, a pesar de que alguno de ellos fue descrito para sedimentos o suelos. Sin embargo, resulta difícil comparar los resultados entre unos y otros, ya que cada uno emplea extractantes y tiempos de ensayos diferentes. Las cantidades de P total determinadas por cada método mantienen una relación lineal, aunque el método SMT, por ser más directo, obtiene las cantidades más elevadas para todos los residuos. Los métodos secuenciales (métodos de Huang y Ruttemberg), a pesar de ser más largos y tediosos, aportan información más detallada de la disponibilidad de las formas de P, y con ello, permiten obtener una mejor estimación de las pérdidas potenciales de este elemento tras su aplicación en suelo. Se han encontrado relaciones positivas entre las fracciones determinadas por estos dos métodos. Así mismo, se encuentra una correlación entre las formas solubles de P y la concentración de los iones [Ca + Fe + Al] de los residuos, útiles como indicadores de la disponibilidad de este elemento. Sin embargo, el protocolo SMT, no obtiene información de la solubilidad o disponibilidad de las formas de P contenidas, ni las formas determinadas mantienen relaciones directas con las de los otros métodos, con excepción del P total. Para el estudio del comportamiento de los residuos aplicados en suelos, se pusieron a punto sistemas de lluvia simulada, con el objetivo de caracterizar las pérdidas de P en la escorrentía superficial generada. Por otra parte, se emplearon columnas de suelos enmendados con residuos orgánicos, para el estudio de las pérdidas de P por lixiviación. Los ensayos de simulación de lluvia se llevaron a cabo de acuerdo al “National Phosphorus Research proyect“ (2001), que consigue simular eventos sucesivos de lluvia en unas condiciones semejantes a la realidad, empleando cajas llenas de suelo del horizonte superficial, con residuos aplicados tanto superficialmente como mediante mezcla con el propio suelo. Los ensayos se realizaron con seis residuos de diferente naturaleza y sometidos a distintos tratamientos. Se encontraron diferencias significativas en las pérdidas de las formas de P analizadas, tanto disueltas como particuladas, en las aguas de escorrentía generadas. En general, las pérdidas en el primer evento de lluvia tras la aplicación de los residuos fueron mayores a las generadas en el segundo evento, predominando las formas de P particuladas respecto a las disueltas en ambos. Se encontró una relación positiva entre las pérdidas de P en las aguas de escorrentía generadas en cada ensayo, con los contenidos de P soluble en agua y fácilmente disponible de los residuos empleados, determinados por los protocolos de fraccionamientos secuenciales. Además, se emplearon los modelos matemáticos desarrollados por Vadas et al. (2005, 2007), de evaluación de las pérdidas de P por escorrentía para fertilizantes y estiércoles. La predicción de estos modelos no se cumple en el caso de todos los residuos. Las distintas propiedades físicas de los residuos pueden afectar a las diferencias entre las pérdidas experimentales y las esperadas. Los ensayos de simulación del proceso de lixiviación se llevaron a cabo en columnas de percolación, con suelos enmendados con residuos orgánicos, de acuerdo a la norma “CEN/TS 14405–2004: Caracterización de los residuos – Test de comportamiento de lixiviación – Test de flujo ascendente”. Las pérdidas de P por procesos de lixiviación de agua, han sido despreciadas durante mucho tiempo respecto a las pérdidas por escorrentía. Sin embargo, se ha demostrado que deben tenerse en consideración, principalmente en algunos tipos de suelos o zonas cercanas a acuíferos. Se utilizaron tres suelos de distinta procedencia para los ensayos, de manera que se pudo estudiar la influencia del tipo de suelo en las pérdidas de P para cada tipo de residuo (purín, compost, digestato y lodo de EDAR). Los índices de adsorción de P determinados para cada suelo permiten evaluar aquellos que presentarán más riesgo de producir pérdidas de este elemento al aplicarse fuentes externas de P, encontrando una relación positiva entre ambos. Las pérdidas de P en los lixiviados varían en función tanto del residuo como del suelo empleado. Para el compost, el purín y el lodo, se encontró una relación entre las pérdidas generadas en el agua lixiviada de las columnas y las formas de P soluble contenidas en los residuos. Sin embargo, en el caso del digestato, no existía esta correlación. Las pérdidas para este residuo fueron en todos los casos menores a las estimadas, considerando las formas de P contenido. El estudio de la mojabilidad, propiedad física del residuo que evalúa la capacidad de interacción residuo-agua, permitió explicar el comportamiento anómalo de este residuo, con una mayor resistencia a que el agua entrara en su estructura y por tanto, una mayor dificultad de solubilizar el P contenido en el propio residuo, que en el caso de otros residuos. En general, podemos considerar que el estudio de las formas de P más disponibles o solubles en agua, aporta información útil de las pérdidas potenciales de P. Sin embargo, es necesario estudiar las propiedades físicas de los residuos orgánicos aplicados y la capacidad de adsorción de P de los suelos, para estimar las pérdidas de P y con ello, colaborar a controlar los procesos de eutrofización en aguas. ABSTRACT This dissertation explores the effect of organic wastes application as sources of P in losses of this element that occur by both surface runoff and leaching in soil. To do so, diverse laboratory experiments are conducted and presented here. Evaluating P losses is necessary to better understand the factors that influence the processes behind the loss of this element. Reducing P losses reduces eutrophication problems of both surface water and groundwater caused by an excess of this nutrient, along with other as nitrogen. Details of the experiments are presented below: The first experiment studies the forms of P contained in a series of 14 organic wastes of different origin and treatment (compost, sludge, slurry and digestate), comparing the information provided by three methods of P fractionation. The methods selected were: Ruttemberg protocol (1992); Standards, Measurements and Testing protocol (Ruban et al., 2001a); and Huang protocol (Huang et al., 2008). All fractionation methods employed successfully contribute to our knowledge of P forms in wastes, even though one of them was originally described for sediments or soils information. However, it is difficult to compare results among each other, as each protocol employs different extractants and time in the trials. Total amounts of P obtained by each method show a linear relationship, although the SMT method, which is more direct, obtains the highest amounts for all residues. Sequential methods (Huang and Ruttemberg’s protocols), despite being longer and more tedious, provide more detailed information on the availability of the forms of P. Therefore, allow the estimation of the potential losses of P after application in soil. Furthermore, positive relationships have been found among fractions obtained by these methods. Positive relationship has been found also among soluble forms of P and the concentration of ions Fe + Ca + Al, which is useful as an indicator of the availability of this element. However, the SMT protocol does not collect information about solubility or availability of forms of P contained; neither do certain forms maintain direct relations with the forms from other methods, with the exception of total P methods. To study the behavior of wastes applied to soils two experiments were conducted. Simulated rain systems were prepared to characterize P losses in the surface runoff generated. In addition, columns of soils amended with organic waste were developed for the study of P leaching losses. Simulated rain systems were carried out according to the ’National Phosphorus Research Project’ (2001), which manages to simulate successive rainfall events in conditions resembling reality. The experiment uses boxes filled with soil from the surface horizon amended with residues, both superficially and by mixing with the soil. Tests were conducted with six residues of different type and subjected to diverse treatments. Findings show significant differences in losses of the P forms analyzed in the generated runoff water, in both solution and particulate forms. In general, losses in the first rainfall event after application of waste were higher than the losses generated in the second event, predominating particulate forms of P over dissolved forms in both events. In all trials, a positive relationship was found between various P forms determined by sequential fractionation protocols (water soluble P and readily available P forms) and P losses in runoff. Furthermore, results from Vadas´s mathematical models (Vadas et al., 2005; 2007) to assess P losses by runoff fertilizers and manures indicate that the prediction of this model is not fulfilled in the case of all residues. The diverse physical properties of wastes may affect the differences between experimental and expected losses. Finally, leaching simulation processes were carried out in percolation columns, filled with soils amended with organic wastes, following the ‘CEN/TS 14405-2004 standard: Characterization of waste - Leaching behavior test - Test Flow ascending ’. P losses by leaching have been neglected for a long time with respect to runoff losses. However, findings corroborate previous studies showing that these P losses have to be taken into account, especially in certain types of soils and in zones near aquifers. To study the influence of soil type on P losses, experiments were carried out with three different soils and for each type of waste (manure, compost, digestate and sludge WWTP). Each soil’s P adsorption rates allow assessing which soils imply a higher risk of P losses when external sources of P are applied. P losses in leachate vary according to the type of soil employed and according to the specific residue. In the case of compost, manure and sludge, there is a relationship between leaching losses and residues’ soluble forms of P. The exception being the digestate, where there was no such correlation. Digestate P losses by leaching were lower than expected in all cases considering the forms of P contained. Moreover, examining digestate wettability -- that is, the physical property of the residue that assesses the capacity of waste-water interaction -- allowed explaining the anomalous behavior of this residue. Digestate has a high resistance to water entering its structure and thus higher difficulty to solubilize the P contained. Overall, studying the more available or soluble P forms provides useful information about the potential loss of P. However, this dissertation shows that it is necessary to examine the physical properties of organic residues applied as well as the P adsorption capacity of soils to estimate P losses, and thus to control eutrophication in water.

Control por modos deslizantes como estrategia de navegación en una flota de robots

En esta tesis se presenta el desarrollo de un esquema de cooperación entre vehículos terrestres (UGV) y aéreos (UAV) no tripulados, que sirve de base para conformar dos flotas de robots autónomos (denominadas FRACTAL y RoMA). Con el fin de comprobar, en diferentes escenarios y con diferente tareas, la validez de las estrategias de coordinación y cooperación propuestas en la tesis se utilizan los robots de la flota FRACTAL, que sirven como plataforma de prueba para tareas como el uso de vehículos aéreos y terrestres para apoyar labores de búsqueda y rescate en zonas de emergencia y la cooperación de una flota de robots para labores agrícolas. Se demuestra además, que el uso de la técnica de control no lineal conocida como Control por Modos Deslizantes puede ser aplicada no solo para conseguir la navegación autónoma individual de un robot aéreo o terrestre, sino también en tareas que requieren la navegación coordinada y sin colisiones de varios robots en un ambiente compartido. Para esto, se conceptualiza teóricamente el uso de la técnica de Control por Modos Deslizantes como estrategia de coordinación entre robots, extendiendo su aplicación a robots no-holonómicos en R2 y a robots aéreos en el espacio tridimensional. Después de dicha contextualización teórica, se analizan las condiciones necesarias para determinar la estabilidad del sistema multi-robot controlado y, finalmente, se comprueban las características de estabilidad y robustez ofrecidas por esta técnica de control. Tales comprobaciones se hacen simulando la navegación segura y eficiente de un grupo de UGVs para la detección de posibles riesgos ambientales, aprovechando la información aportada por un UAV. Para estas simulaciones se utilizan los modelos matemáticos de robots de la flota RoMA. Estas tareas coordinadas entre los robots se hacen posibles gracias a la efectividad, estabilidad y robustez de las estrategias de control que se desarrollan como núcleo fundamental de este trabajo de investigación. ABSTRACT This thesis presents the development of a cooperation scheme between unmanned ground (UGV) and aerial (UAV) vehicles. This scheme is the basis for forming two fleets of autonomous robots (called FRACTAL and RoMA). In order to assess, in different settings and on different tasks, the validity of the coordination and cooperation strategies proposed in the thesis, the FRACTAL fleet robots serves as a test bed for tasks like using coordinated aerial and ground vehicles to support search and rescue work in emergency scenarios or cooperation of a fleet of robots for agriculture. It is also shown that using the technique of nonlinear control known as Sliding Modes Control (SMC) can be applied not only for individual autonomous navigation of an aircraft or land robot, but also in tasks requiring the coordinated navigation of several robots, without collisions, in a shared environment. To this purpose, a strategy of coordination between robots using Sliding Mode Control technique is theoretically conceptualized, extending its application to non-holonomic robots in R2 and aerial robots in three-dimensional space. After this theoretical contextualization, the stability conditions of multi-robot system are analyzed, and finally, the stability and robustness characteristics are validated. Such validations are made with simulated experiments about the safe and efficient navigation of a group of UGV for the detection of possible environmental hazards, taking advantage of the information provided by a UAV. This simulations are made using mathematical models of RoMA fleet robots. These coordinated tasks of robots fleet are made possible thanks to the effectiveness, stability and robustness of the control strategies developed as core of this research.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

A contribution on modeling methodologies for multibody systems.

Multibody System Dynamics has been responsible for revolutionizing Mechanical Engineering Design by using mathematical models to simulate and optimize the dynamic behavior of a wide range of mechanical systems. These mathematical models not only can provide valuable informations about a system that could otherwise be obtained only by experiments with prototypes, but also have been responsible for the development of many model-based control systems. This work represents a contribution for dynamic modeling of multibody mechanical systems by developing a novel recursive modular methodology that unifies the main contributions of several Classical Mechanics formalisms. The reason for proposing such a methodology is to motivate the implementation of computational routines for modeling complex multibody mechanical systems without being dependent on closed source software and, consequently, to contribute for the teaching of Multibody System Dynamics in undergraduate and graduate levels. All the theoretical developments are based on and motivated by a critical literature review, leading to a general matrix form of the dynamic equations of motion of a multibody mechanical system (that can be expressed in terms of any set of variables adopted for the description of motions performed by the system, even if such a set includes redundant variables) and to a general recursive methodology for obtaining mathematical models of complex systems given a set of equations describing the dynamics of each of its uncoupled subsystems and another set describing the constraints among these subsystems in the assembled system. This work also includes some discussions on the description of motion (using any possible set of motion variables and admitting any kind of constraint that can be expressed by an invariant), and on the conditions for solving forward and inverse dynamics problems given a mathematical model of a multibody system. Finally, some examples of computational packages based on the novel methodology, along with some case studies, are presented, highlighting the contributions that can be achieved by using the proposed methodology.

Modelo matemático de reconciliación de datos volumétricos en el control de balances y mediciones de hidrocarburos refinados para el sistema de transporte pozos – Galán L14” de la vicepresidencia de transporte de Ecopetrol S.A

Tesis (Maestria en Ingeniería).-- Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería. Maestría en Ingeniería, 2014

Comparação do controle do inversor trifásico conectado à rede com filtro LCL considerando o amortecimento passivo e ativo

Distributed generation systems must fulfill standards specifications of current harmonics injected to the grid. In order to satisfy these grid requirements, passive filters are connected between inverter and grid. This work compares the characteristic response of the traditional inductive (L) filter with the inductive-capacitive-inductive (LCL) filter. It is shown that increasing the inductance L leads to a good ripple current suppression around the inverter switching frequency. The LCL filter provides better harmonic attenuation and reduces the filter size. The main drawback is the LCL filter impedance, which is characterized by a typical resonance peak, which must be damped to avoid instability. Passive or active techniques can be used to damp the LCL resonance. To address this issue, this dissertation presents a comparison of current control for PV grid-tied inverters with L filter and LCL filter and also discuss the use of active and passive damping for different regions of resonance frequency. From the mathematical models, a design methodology of the controllers was developed and the dynamic behavior of the system operating in closed loop was investigated. To validate the studies developed during this work, experimental results are presented using a three-phase 5kW experimental platform. The main components and their functions are discussed in this work. Experimental results are given to support the theoretical analysis and to illustrate the performance of grid-connected PV inverter system. It is shown that the resonant frequency of the system, and sampling frequency can be associated in order to calculate a critical frequency, below which is essential to perform the damping of the LCL filter. Also, the experimental results show that the active buffer per virtual resistor, although with a simple development, is effective to damp the resonance of the LCL filter and allow the system to operate stable within predetermined parameters.

Un nuevo campo en la administración

En el proceso administrativo se encuentra una gran cantidad de problemas complejos, los cuales requieren el desarrollo de soluciones que hagan posible manejar estas dificultades. Dentro de las soluciones que se han planteado a través de la historia de la Administración se encuentran las teorías administrativas, los modelos matemáticos y estadrsticos, los métodos y herramientas para el procesamiento y manejo de la información, al igual que aplicaciones directas de la Ingeniería Industrial. Estas soluciones se desarrollan generalmente para casos particulares de las empresas grandes y con recursos, y se divulgan a través de libros, re· vistas y cursos. De esta manera llegan otras empresas donde son aplicados buscando solucionar problemas similares. Pasando por este ciclo, se va perfeccionando hasta llegar a formar parte de la teoría administrativa. Dentro de estas soluciones ya institucionalizadas se pueden mencionar los sistemas de kárdex, tableros de programación y control, sistemas de códigos de colores,etc.

Análisis y aplicación del modelo coso de control interno en las áreas de recursos humanos de las organizaciones sanitarias públicas en Andalucía

La presente tesis analiza el control interno en las Áreas de Recursos Humanos de las Agencias Públicas Empresariales Sanitarias (APES), como Organizaciones Sanitarias Públicas pertenecientes al Sistema Sanitario Público de Andalucía (SSPA) y su adecuación a las recomendaciones establecidas en el Informe COSO. Para ello, el trabajo se ha dividido en ocho capítulos incluidos en tres grandes bloques. El primer bloque se dedica al análisis teórico en el que se revisan los modelos y sistemas sanitarios con especial referencia al Sistema Sanitario Público de Andalucía. Asimismo, se analizan los recursos humanos en la gestión pública, se define el marco conceptual del Control interno y se profundiza en el modelo COSO. Las tendencias recientes señalan que el control interno (CI) en las organizaciones públicas debe abarcar un campo más amplio que el propio control de legalidad, y que mediante la implantación de sistemas de CI basados en modelos internacionales del tipo COSO, se pueda asegurar el uso correcto de los recursos por parte de los gestores públicos, garantizándose la viabilidad y el futuro de las instituciones. Al igual que muchas organizaciones profesionales han asumido los planteamientos de ese modelo, la Organización Internacional de las Entidades Fiscalizadoras Superiores (INTOSAI) ha desarrollado una guía sobre normas de control interno para el sector público basada en él. En este sentido, los sistemas de control interno de las organizaciones empresariales y/o administraciones públicas españolas se están reformando siguiendo, en gran medida, los elementos de dicho modelo. El segundo bloque abarca, desde el punto de vista teórico, la figura del cuestionario como herramienta de autoevaluación del control interno. Este estudio pretende poner en valor la figura de la autoevaluación a realizar por los propios Directivos de las Organizaciones, mediante cuestionario/encuesta que les permita conocer y monitorizar el grado de adecuación de los sistemas de control interno a las recomendaciones del modelo COSO, obteniendo una visión independiente y anticipada de la valoración formal de las Unidades de Control y/o Auditoría. El tercer bloque aborda el trabajo empírico con la elaboración y aplicación de dos cuestionarios, finalizando con las principales conclusiones, limitaciones y futuras líneas de investigación propuestas. Dada la importancia de la Sanidad Pública en los Presupuestos Públicos de la Junta de Andalucía, y el papel estratégico de los Recursos Humanos en las Organizaciones Sanitarias Públicas, se propone una investigación cuyo objetivo general sea conocer cómo funciona el control interno en las Áreas de Recursos Humanos de las Agencias Públicas Empresariales Sanitarias (APES) del Sistema Sanitario Público de Andalucía (SSPA) y su adecuación a las recomendaciones establecidas en el Informe COSO, como modelo de control interno más reconocido a nivel internacional. El campo de actuación de este trabajo son las APES por su doble vertiente: organización empresarial y su dimensión pública. Actualmente hay cinco Agencias de esta naturaleza en Andalucía, que gestionan más de veinticinco centros sanitarios entre hospitales, centros hospitalarios de alta resolución, centros de alta resolución, y servicios provinciales de emergencias sanitarias. El modelo de autoevaluación creado a través del segundo cuestionario ha sido cumplimentado, mediante entrevista personal, por los Directivos del Área de RRHH de las APES. Para la elaboración de dicho cuestionario se ha utilizado, principalmente, la parte cuarta del informe COSO denominada “Herramientas de evaluación”. Para dar respuesta a la pregunta de investigación de este trabajo, se ha llevado a cabo un estudio observacional, descriptivo, transversal y multicéntrico. Las principales conclusiones obtenidas: 1.- Destacar que en todas las APES analizadas, ninguna de las subhipótesis ha conseguido un valor (ponderación) inferior al 0,6 (60%), 2.- Ningún componente de control ha obtenido una valoración inferior al 60%. 3.- El componente de control mejor autoevaluado, en el conjunto de las APES, ha sido el de Actividades de Control, siendo el peor la Evaluación de Riesgos. 4.- El 80% de las APES han obtenido una valoración global superior al 80% (grado más alto: Adecuado) y sólo una de ellas ha quedado por debajo de dicho porcentaje, concretamente con un 75% (grado: Satisfactorio).5.- El conjunto de las APES obtienen una autoevaluación del 81.77% que la situaría en el grado más alto: Adecuado. No obstante, y dado que dicho grado no se cumple en todos y cada uno de los componentes, se concluye que su autoevaluación merece el grado: Satisfactorio con perspectiva a Adecuado. 6.- El diseño de autoevaluación a través del cuestionario permite que, mediante su evaluación continua, se puedan identificar áreas de mejora en relación con aquellos ítems(preguntas del cuestionario) que hayan obtenido menor valoración y sobre los que cada una de las APES podría actuar para ir subiendo la puntuación global del sistema (mejora continua), todo ello teniendo en cuenta la importancia que los expertos entrevistados, mediante el primer cuestionario, han dado tanto a los distintos componentes del control interno, como a las distintas parcelas dentro del Área de RRHH. 7.- Es obvio que la mejora continua del Modelo propuesto requeriría también que las propias Direcciones de RRHH llevasen a cabo la revisión continua de cada una de las preguntas de la autoevaluación, analizando sus categorías de respuestas y sus correspondientes valoraciones, a fin de que el propio modelo de autoevaluación pueda ir enriqueciéndose y se vaya adaptando a la propia evolución de los sistemas de control interno, a las prioridades que en materia de Recursos Humanos se vayan formulando y a las propias exigencias de los Órganos de Control internos y externos de las organizaciones. Definitivamente, el trabajo basado en modelos de autoevaluación como el propuesto, gracias a la imprescindible implicación de las Direcciones de las Organizaciones públicas, supone mejorar la imagen de éstas ante los Órganos encargados del Control Interno y Externo, los propios empleados y ante la Sociedad y la ciudadanía, al aportar mayores dosis de transparencia a la gestión pública.

Desarrollo de sistema para efectuar aplicación controlada de agroquímico

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Modelos para acontecimentos múltiplos

Ao longo dos u´ltimos anos tem existido um interesse crescente em estudar o tempo at´e `a ocorrˆencia de va´rios acontecimentos, os quais podem ser observados mais do que uma vez para um mesmo indiv´ıduo. Os dados respeitantes a acontecimentos mu´ltiplos tˆem como principal caracter´ıstica o facto de se registar mais do que um tempo de vida para cada indiv´ıduo, o que inviabiliza a aplica¸ca˜o direta do modelo de regress˜ao de Cox. Assim, surgiu a necessidade de desenvolver novas extenso˜es deste modelo, sendo que as mais utilizadas na pra´tica foram sugeridas por: Prentice, Williams e Peterson (PWP); Andersen e Gill (AG); Wei, Lin e Weissfeld (WLW); e Lee, Wei e Amato (LWA). Um dos maiores obst´aculos na aplicac¸˜ao destes modelos ´e a forte possibilidade de existir correla¸c˜ao intraindiv´ıduos. Neste ponto, os quatro modelos referidos anteriormente sa˜o classificados como modelos marginais, uma vez que o vetor de paraˆmetros de regress˜ao ´e estimado com base no ajustamento de um modelo que ignora a correla¸ca˜o entre acontecimentos. Para compensar esse facto, nestes modelos ´e usado um estimador robusto da matriz de covariˆancia, o qual permite efetuar a correc¸˜ao necessa´ria na estimativa da variaˆncia usual. Apo´s realizar uma descric¸˜ao detalhada de cada modelo marginal procedeu-se a` respetiva implementa¸c˜ao atrav´es do software estat´ıstico R. Para o efeito, recorreu-se a` simula¸ca˜o de dados relativos a acontecimentos mu´ltiplos do mesma natureza, isto ´e, a acontecimentos recorrentes. Os resultados obtidos permitiram real¸car e confirmar as caracter´ısticas dos modelos estudados.

Modelos para acontecimentos múltiplos

Ao longo dos últimos anos tem existido um interesse crescente em estudar o tempo até à ocorrência de vários acontecimentos, os quais podem ser observados mais do que uma vez para um mesmo indivíduo. Os dados respeitantes a acontecimentos múltiplos têm como principal característica o facto de se registar mais do que um tempo de vida para cada indivíduo, o que inviabiliza a aplicação direta do modelo de regressão de Cox. Assim, surgiu a necessidade de desenvolver novas extensões deste modelo, sendo que as mais utilizadas na prática foram sugeridas por: Prentice, Williams e Peterson (PWP); Andersen e Gill (AG); Wei, Lin e Weissfeld (WLW); e Lee, Wei e Amato (LWA). Um dos maiores obstáculos na aplicação destes modelos é a forte possibilidade de existir correlação intraindivíduos. Neste ponto, os quatro modelos referidos anteriormente são classificados como modelos marginais, uma vez que o vetor de parâmetros de regressão é estimado com base no ajustamento de um modelo que ignora a correlação entre acontecimentos. Para compensar esse facto, nestes modelos é usado um estimador robusto da matriz de covariância, o qual permite efetuar a correção necessária na estimativa da variância usual. Após realizar uma descrição detalhada de cada modelo marginal procedeu-se à respetiva implementação através do software estatístico R. Para o efeito, recorreu-se à simulação de dados relativos a acontecimentos múltiplos do mesma natureza, isto é, a acontecimentos recorrentes. Os resultados obtidos permitiram realçar e confirmar as características dos modelos estudados.

Condutividade e difusividade térmica do figo (Ficus carica L.) Roxo de Valinhos

The post harvest cooling and/or freezing processes for horticultural products have been carried out with the objective of removing the heat from these products, allowing them a bigger period of conservation. Therefore, the knowledge of the physical properties that involve heat transference in the fig fruit Roxo de Valinhos is useful for calculating projects and systems of food engineering in general, as well as, for using in equations of thermodynamic mathematical models. The values of conductivity and thermal diffusivity of the whole fig fruit-rami index were determined, and from these values it was determined the value of the specific heat. For these determination it was used the transient method of the Line Heat Source. The results shown that the fig fruit has a thermal conductivity of 0.52 W m-1°C, thermal diffusivity of 1.56 x 10-7 m² s-1, pulp density of 815.6 kg m-3 and specific heat of 4.07 kJ kg-1 °C.

Acúmulo de matéria seca e nutrientes em soja, como variável do potencial produtivo

O critério atualmente adotado para a indicação de adubação da soja, embasado no estabelecimento de níveis críticos, tem permitido a obtenção de produtividades médias em torno de 3.600 kg ha-1. Contudo, para a obtenção de produtividades mais elevadas e econômicas, sem prejuízos ao equilíbrio ambiental, deve-se visar à definição de modelos quantitativos que permitam estimar a demanda por nutrientes, em função do potencial de produção almejado. Modelos desta natureza vêm sendo estabelecidos no Departamento de Solos da Universidade Federal de Viçosa, para o desenvolvimento de sistemas de recomendação de corretivos e fertilizantes, denominados genericamente de FERTCALC® e NUTRICALC®. A partir de um banco de dados, formado pelo monitoramento nutricional de lavouras comerciais em Mato Grosso do Sul, foram estabelecidos modelos matemáticos para a estimativa da demanda nutricional, em função da produtividade e do acúmulo de nutrientes no terceiro trifólio com pecíolo, ou, então, do coeficiente de utilização biológica (CUB). Demonstrou-se que, para uma dada produtividade, o produto da matéria seca da folha índice com os teores de nutrientes, considerados como suficientes para a cultura, resulta no conteúdo nutricional desta, que, por sua vez, apresenta relação com o conteúdo nutricional no caule, folhas, vagens e nos grãos. A quantidade de nutrientes imobilizada na planta de soja também pode ser calculada a partir do quociente entre a produção de grãos e de matéria seca de parte aérea e os valores de CUB estabelecidos. Os métodos propostos permitem estimativa de valores próximos da demanda nutricional pela soja.

Modelos epidemiométricos em tuberculose: definição de "estados" e risco de infecção

São definidos "estados" ou delimitados "compartimentos" na história natural da tuberculose. Baseado nas alterações macroscópicas do sistema de compartimentos (copiando raciocínio da termodinâmica) é feita a tentativa de quantificar a dinâmica das mudanças dos "estados": "virgem de infecção", "infectados" e "doentes". Na evidenciação das leis que regem a variação do conteúdo dos compartimentos, é proposto um novo caminho para o cálculo do risco de infecção tuberculosa. São apresentados os esquemas do interrelacionamento entre os "estados", as equações que regem a dinâmica entre os mesmos e a fórmula que permite o cálculo do risco de infecção.