A Real-Time Sliding Mode Control for a Wind Energy System Based on a Doubly Fed Induction Generator

In this paper, a real time sliding mode control scheme for a variable speed wind turbine that incorporates a doubly feed induction generator is described. In this design, the so-called vector control theory is applied, in order to simplify the system electrical equations. The proposed control scheme involves a low computational cost and therefore can be implemented in real-time applications using a low cost Digital Signal Processor (DSP). The stability analysis of the proposed sliding mode controller under disturbances and parameter uncertainties is provided using the Lyapunov stability theory. A new experimental platform has been designed and constructed in order to analyze the real-time performance of the proposed controller in a real system. Finally, the experimental validation carried out in the experimental platform shows; on the one hand that the proposed controller provides high-performance dynamic characteristics, and on the other hand that this scheme is robust with respect to the uncertainties that usually appear in the real systems.

Uso de neuro-fuzzy na avaliação da suscetibilidade de escorregamento de taludes.

A Presente dissertação apresenta uma aplicação de Inteligência Computacional na área de Geotecnia, com a utilização da Técnica de Neuro-Fuzzy para indicar a suscetibilidade de escorregamento de taludes no município do Rio de Janeiro, a partir de inspeção visual. Neste trabalho, a suscetibilidade corresponde à possibilidade de ocorrência de escorregamento sem considerar os danos relacionados ao evento. Adotou-se como variável de saída a Previsão de Escorregamento (PE) com três adjetivos que correspondem a Suscetibilidades Alta, Média e Baixa. A metodologia utilizada consistiu em, inicialmente, montar um banco de dados com informações preliminares de análise de estabilidade, com a indicação dos condicionantes de escorregamento relacionados à geomorfologia, pluviosidade, capacidade de drenagem, vegetação e ocupação com seus respectivos graus de suscetibilidades de escorregamento obtidos em um conjunto de Laudos de Vistoria da Geo Rio. O banco de dados foi aplicado em um algoritmo de Neuro-Fuzzy. Diversos testes foram realizados com as alterações dos parâmetros do modelo Neuro-Fuzzy para uma combinação de fatores condicionantes de escorregamento e refinamento do banco de dados. Os testes apresentaram diminuição do erro fornecido pelo programa com o aumento de tipos de condicionantes utilizados no treinamento, o que permite inferir que o escorregamento ocorre por uma complexa relação entre diversos fatores condicionantes. O banco de dados utilizado nos testes apresenta descontinuidades nas relações entre os diversos condicionantes, ou seja, para uma mesma faixa de valores de Altura do talude, não é possível obter uma relação para todas as faixas de outro condicionante e, até mesmo, para todas as faixas da Previsão de Escorregamento. As PEs obtidas na validação do modelo tiveram seus valores próximos aos desejados somente nos conjuntos de variáveis utilizadas para o treinamento. O modelo não foi capaz de apresentar valores de suscetibilidades dentro da faixa de valores utilizados no treinamento para combinação de variáveis com pequenos ruídos, o que indica a necessidade de ampliação do banco de dados tanto quantitativamente quanto qualitativamente de modo a cobrir as descontinuidades apresentadas nas relações entre as variáveis.

Formulação teórica dos fundamentos da otimização global topográfica com análise de desempenho e aplicações à estabilidade de fases de misturas termodinâmicas

Métodos de otimização que utilizam condições de otimalidade de primeira e/ou segunda ordem são conhecidos por serem eficientes. Comumente, esses métodos iterativos são desenvolvidos e analisados à luz da análise matemática do espaço euclidiano n-dimensional, cuja natureza é de caráter local. Consequentemente, esses métodos levam a algoritmos iterativos que executam apenas as buscas locais. Assim, a aplicação de tais algoritmos para o cálculo de minimizadores globais de uma função não linear,especialmente não-convexas e multimodais, depende fortemente da localização dos pontos de partida. O método de Otimização Global Topográfico é um algoritmo de agrupamento, que utiliza uma abordagem baseada em conceitos elementares da teoria dos grafos, a fim de gerar bons pontos de partida para os métodos de busca local, a partir de pontos distribuídos de modo uniforme no interior da região viável. Este trabalho tem dois objetivos. O primeiro é realizar uma nova abordagem sobre método de Otimização Global Topográfica, onde, pela primeira vez, seus fundamentos são formalmente descritos e suas propriedades básicas são matematicamente comprovadas. Neste contexto, propõe-se uma fórmula semi-empírica para calcular o parâmetro chave deste algoritmo de agrupamento, e, usando um método robusto e eficiente de direções viáveis por pontos-interiores, estendemos o uso do método de Otimização Global Topográfica a problemas com restrições de desigualdade. O segundo objetivo é a aplicação deste método para a análise de estabilidade de fase em misturas termodinâmicas,o qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. A solução deste problema de otimização global é necessária para o cálculo do equilíbrio de fases, que é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Além disso, afim de ter uma avaliação inicial do potencial dessa técnica, primeiro vamos resolver 70 problemas testes, e então comparar o desempenho do método proposto aqui com o solver MIDACO, um poderoso software recentemente introduzido no campo da otimização global.

Inflação em sistemas com fluidos de radiação com viscosidade e dissipação e análise de estabilidade

Este trabalho apresenta um estudo da estabilidade das equações da inflação morna com um fluido de radiação viscoso. A viscosidade do fluido é proveniente do constante decaimento de partículas neste, devido à dissipação do campo escalar da inflação, o ínflaton.Esta viscosidade, que pode ser volumar ou laminar, é tratada em termos de teorias termodinâmicas fora do equilíbrio. Este estudo se limita às equações de fundo da inflação morna, de modo que somente a viscosidade volumar tem um efeito significativo, sendo a viscosidade laminar importante somente no contexto de perturbações cosmológicas. A descrição da viscosidade em termos de uma termodinâmica fora do equilíbrio, porém, não pode ser realizada univocamente, pois a única informação que temos sobre processos irreversíveis é a segunda lei da termodinâmica. Portanto, parte-se em busca de teorias que estejam de acordo com esta lei e que, por argumentos plausíveis, sejam capazes de descrever o comportamento dos fluxos dissipativos próximo ao equilíbrio. O objetivo deste trabalho é estudar a estabilidade da inflação morna viscosa para teorias causais e não causais para o fluido de radiação com viscosidade, de forma que se possa observar o impacto da viscosidade no regime inflacionário e a relevância de se passar a considerar a causalidade. Para o fluido de radiação, as teorias consideradas são a teoria não causal de Eckart e as teorias causais de Israel-Stewart e de Denicol et al (hidrodinâmica dissipativa causal não linear). Obtém-se que as teorias causais, como era de se esperar, além de serem, por definição, consistentes no tocante à finitude da velocidade de propagação dos fluxos dissipativos, tornam o sistema dinâmico estável para valores de viscosidade mais distantes do equilíbrio. Observa-se também, nitidamente, que a teoria de Denicol et al é a mais robusta nesse sentido. Este trabalho, portanto, visa dar continuidade ao estudo dos efeitos não-isentrópicos na inflação, já que, além da dissipação do ínflaton na inflação morna, o impacto da viscosidade tem despertado bastante interesse.

Calculations and predications of combustion oscillations

The combustion oscillations are the phenomena which we may meet in developing the clean, safe and efficient power and propulsion systems. This paper summarizes authors' systematic work on fuel spray combustion oscillations in the recent years. Combining CFD calculations and stability analysis, a new approach of predicting combustion stabilities was developed. With this approach, detailed flow information and unstable modes can be obtained by CFD and solving perturbation equations, respectively. The results provide the guidance on understanding combustion instability mechanisms and developing the control strategies.

Stabilizing effect of surrounding gas flow on a plane liquid sheet

The stability of a plane liquid sheet is studied experimentally and theoretically, with an emphasis on the effect of the surrounding gas. Co-blowing with a gas velocity of the same order of magnitude as the liquid velocity is studied, in order to quantify its effect on the stability of the sheet. Experimental results are obtained for a water sheet in air at Reynolds number Rel = 3000 and Weber number W e = 300, based on the half-thickness of the sheet at the inlet, water mean velocity at the inlet, the surface tension between water and air and water density and viscosity. The sheet is excited with different frequencies at the inlet and the growth of the waves in the streamwise direction is measured. The growth rate curves of the disturbances for all air flow velocities under study are found to be within 20 % of the values obtained from a local spatial stability analysis, where water and air viscosities are taken into account, while previous results from literature assuming inviscid air overpredict the most unstable wavelength with a factor 3 and the growth rate with a factor 2. The effect of the air flow on the stability of the sheet is scrutinized numerically and it is concluded that the predicted disturbance growth scales with (i) the absolute velocity difference between water and air (inviscid effect) and (ii) the square root of the shear from air on the water surface (viscous effect).

Stabilizing effect of surrounding gas flow on a plane liquid sheet

The stability of a plane liquid sheet is studied experimentally and theoretically, with an emphasis on the effect of the surrounding gas. Co-blowing with a gas velocity of the same order of magnitude as the liquid velocity is studied, in order to quantify its effect on the stability of the sheet. Experimental results are obtained for a water sheet in air at Reynolds number Rel = 3000 and Weber number We = 300, based on the half-thickness of the sheet at the inlet, water mean velocity at the inlet, the surface tension between water and air and water density and viscosity. The sheet is excited with different frequencies at the inlet and the growth of the waves in the streamwise direction is measured. The growth rate curves of the disturbances for all air flow velocities under study are found to be within 20% of the values obtained from a local spatial stability analysis, where water and air viscosities are taken into account, while previous results from literature assuming inviscid air overpredict the most unstable wavelength with a factor 3 and the growth rate with a factor 2. The effect of the air flow on the stability of the sheet is scrutinized numerically and it is concluded that the predicted disturbance growth scales with (i) the absolute velocity difference between water and air (inviscid effect) and (ii) the square root of the shear from air on the water surface (viscous effect).

Effects of shear band propagation on submarine landslide

Interbedded layers of glacial deposits and marine or glacimarine clay layers are a common feature of offshore sediment. Typically, offshore marine clays are lightly overconsolidated sensitive clay. Some case histories on submarine landslides show that the slip surface passes through these marine clay layers. In this paper a model is proposed for post-peak strain softening behavior of marine sensitive clay. The slope failure mechanism is examined using the concept of shear band propagation. It is shown that shear band propagation and post-peak stress-strain behavior of clay layers are two major factors in submarine slope stability analysis. Copyright © 2012 by the International Society of Offshore and Polar Engineers (ISOPE).

Combustion rumble prediction with integrated computational-fluid-dynamics/ low-order-model methods

The pressure oscillation within combustion chambers of aeroengines and industrial gas turbines is a major technical challenge to the development of high-performance and low-emission propulsion systems. In this paper, an approach integrating computational fluid dynamics and one-dimensional linear stability analysis is developed to predict the modes of oscillation in a combustor and their frequencies and growth rates. Linear acoustic theory was used to describe the acoustic waves propagating upstream and downstream of the combustion zone, which enables the computational fluid dynamics calculation to be efficiently concentrated on the combustion zone. A combustion oscillation was found to occur with its predicted frequency in agreement with experimental measurements. Furthermore, results from the computational fluid dynamics calculation provide the flame transfer function to describe unsteady heat release rate. Departures from ideal one-dimensional flows are described by shape factors. Combined with this information, low-order models can work out the possible oscillation modes and their initial growth rates. The approach developed here can be used in more general situations for the analysis of combustion oscillations. Copyright © 2012 by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. All rights reserved.

Structural sensitivity of spiral vortex breakdown

Previous numerical simulations have shown that vortex breakdown starts with the formation of a steady axisymmetric bubble and that an unsteady spiralling mode then develops on top of this. We investigate this spiral mode with a linear global stability analysis around the steady bubble and its wake. We obtain the linear direct and adjoint global modes of the linearized Navier-Stokes equations and overlap these to obtain the structural sensitivity of the spiral mode, which identifies the wavemaker region. We also identify regions of absolute instability with a local stability analysis. At moderate swirls, we find that the m=-1 azimuthal mode is the most unstable and that the wavemaker regions of the m=-1 mode lie around the bubble, which is absolutely unstable. The mode is most sensitive to feedback involving the radial and azimuthal components of momentum in the region just upstream of the bubble. To a lesser extent, the mode is also sensitive to feedback involving the axial component of momentum in regions of high shear around the bubble. At an intermediate swirl, in which the bubble and wake have similar absolute growth rates, other researchers have found that the wavemaker of the nonlinear global mode lies in the wake. We agree with their analysis but find that the regions around the bubble are more influential than the wake in determining the growth rate and frequency of the linear global mode. The results from this paper provide the first steps towards passive control strategies for spiral vortex breakdown. © 2013 Cambridge University Press.

Antiwindup design for induction motor control in the field weakening domain

Operation of induction machines in the high-speed and/or high-torque range requires field-weakening to comply with voltage and current physical limitations. This paper presents an anti-windup approach to this problem: rather than developing an ad-hoc field weakening strategy in the high-speed region, we equip an unconstrained vector-control design with an anti-windup module that automatically adjusts the current and flux set-points so that voltage and current constraints are satisfied at every operating point. The anti-windup module includes a feedforward modification of the set point aimed at maximizing the available torque in steady-state and a feedback modification of the controller based on an internal model-based antiwindup scheme. This paper includes a complete stability analysis of the proposed solution and presents encouraging experimental results on an industrial drive. © 2012 IEEE.

Adaptive regulation of vector-controlled induction motors

This paper addresses the speed and flux regulation of induction motors under the assumption that the motor parameters are poorly known. An adaptive passivity-based control is proposed that guarantees robust regulation as well as accurate estimation of the electrical parameters that govern the motor performance. This paper provides a local stability analysis of the adaptive scheme, which is illustrated by simulations and supported by a successful experimental validation on an industrial product. © 2009 IEEE.

Rhythmic feedback control of a blind planar juggler

The paper considers the feedback stabilization of periodic orbits in a planar juggler. The juggler is "blind," i.e, he has no other sensing capabilities than the detection of impact times. The robustness analysis of the proposed control suggests that the arms acceleration at impact is a crucial design parameter even though it plays no role in the stability analysis. Analytical results and convergence proofs are provided for a simplified model of the juggler. The control law is then adapted to a more accurate model and validated in an experimental setup. © 2007 IEEE.

Feedback control of impact dynamics: The bouncing ball revisited

We study the the design of a tracking controller for the popular bouncing ball model: the continuous-time actuation of a table is used to control the impacts of the table with a bouncing ball. The proposed control law uses the impact times as the sole feedback information. We show that the acceleration of the table at impact plays no role in the stability analysis but is an important parameter for the robustness of the feedback system to model uncertainty, in particular to the uncertainty on the coefficient of restitution. © 2006 IEEE.

Feedback mechanisms for global oscillations in Lure systems

The paper presents two mechanisms for global oscillations in feedback systems, based on bifurcations in absolutely stable systems. The external characterization of the oscillators provides the basis for a (energy-based) dissipativity theory for oscillators, thereby opening new possibilities for rigorous stability analysis of high-dimensional systems and interconnected oscillators. © 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.