Efficient Characterisation and Optimal Control of Open Quantum Systems - Mathematical Foundations and Physical Applications

Since no physical system can ever be completely isolated from its environment, the study of open quantum systems is pivotal to reliably and accurately control complex quantum systems. In practice, reliability of the control field needs to be confirmed via certification of the target evolution while accuracy requires the derivation of high-fidelity control schemes in the presence of decoherence. In the first part of this thesis an algebraic framework is presented that allows to determine the minimal requirements on the unique characterisation of arbitrary unitary gates in open quantum systems, independent on the particular physical implementation of the employed quantum device. To this end, a set of theorems is devised that can be used to assess whether a given set of input states on a quantum channel is sufficient to judge whether a desired unitary gate is realised. This allows to determine the minimal input for such a task, which proves to be, quite remarkably, independent of system size. These results allow to elucidate the fundamental limits regarding certification and tomography of open quantum systems. The combination of these insights with state-of-the-art Monte Carlo process certification techniques permits a significant improvement of the scaling when certifying arbitrary unitary gates. This improvement is not only restricted to quantum information devices where the basic information carrier is the qubit but it also extends to systems where the fundamental informational entities can be of arbitary dimensionality, the so-called qudits. The second part of this thesis concerns the impact of these findings from the point of view of Optimal Control Theory (OCT). OCT for quantum systems utilises concepts from engineering such as feedback and optimisation to engineer constructive and destructive interferences in order to steer a physical process in a desired direction. It turns out that the aforementioned mathematical findings allow to deduce novel optimisation functionals that significantly reduce not only the required memory for numerical control algorithms but also the total CPU time required to obtain a certain fidelity for the optimised process. The thesis concludes by discussing two problems of fundamental interest in quantum information processing from the point of view of optimal control - the preparation of pure states and the implementation of unitary gates in open quantum systems. For both cases specific physical examples are considered: for the former the vibrational cooling of molecules via optical pumping and for the latter a superconducting phase qudit implementation. In particular, it is illustrated how features of the environment can be exploited to reach the desired targets.

Modeling Robot Dynamic Performance for Endpoint Force Control

This research aims to understand the fundamental dynamic behavior of servo-controlled machinery in response to various types of sensory feedback. As an example of such a system, we study robot force control, a scheme which promises to greatly expand the capabilities of industrial robots by allowing manipulators to interact with uncertain and dynamic tasks. Dynamic models are developed which allow the effects of actuator dynamics, structural flexibility, and workpiece interaction to be explored in the frequency and time domains. The models are used first to explain the causes of robot force control instability, and then to find methods of improving this performance.

The Control of Human Arm Movement Models and Mechanical Constraints

A serial-link manipulator may form a mobile closed kinematic chain when interacting with the environment, if it is redundant with respect to the task degrees of freedom (DOFs) at the endpoint. If the mobile closed chain assumes a number of configurations, then loop consistency equations permit the manipulator and task kinematics to be calibrated simultaneously using only the joint angle readings; endpoint sensing is not required. Example tasks include a fixed endpoint (0 DOF task), the opening of a door (1 DOF task), and point contact (3 DOF task). Identifiability conditions are derived for these various tasks.

Passive Dynamics in the Control of Gymnastic Maneuvers

The control of aerial gymnastic maneuvers is challenging because these maneuvers frequently involve complex rotational motion and because the performer has limited control of the maneuver during flight. A performer can influence a maneuver using a sequence of limb movements during flight. However, the same sequence may not produce reliable performances in the presence of off-nominal conditions. How do people compensate for variations in performance to reliably produce aerial maneuvers? In this report I explore the role that passive dynamic stability may play in making the performance of aerial maneuvers simple and reliable. I present a control strategy comprised of active and passive components for performing robot front somersaults in the laboratory. I show that passive dynamics can neutrally stabilize the layout somersault which involves an "inherently unstable" rotation about the intermediate principal axis. And I show that a strategy that uses open loop joint torques plus passive dynamics leads to more reliable 1 1/2 twisting front somersaults in simulation than a strategy that uses prescribed limb motion. Results are presented from laboratory experiments on gymnastic robots, from dynamic simulation of humans and robots, and from linear stability analyses of these systems.

Design and Control of an Anthropomorphic Robotic Finger with Multi-point Tactile Sensation

The goal of this research is to develop the prototype of a tactile sensing platform for anthropomorphic manipulation research. We investigate this problem through the fabrication and simple control of a planar 2-DOF robotic finger inspired by anatomic consistency, self-containment, and adaptability. The robot is equipped with a tactile sensor array based on optical transducer technology whereby localized changes in light intensity within an illuminated foam substrate correspond to the distribution and magnitude of forces applied to the sensor surface plane. The integration of tactile perception is a key component in realizing robotic systems which organically interact with the world. Such natural behavior is characterized by compliant performance that can initiate internal, and respond to external, force application in a dynamic environment. However, most of the current manipulators that support some form of haptic feedback either solely derive proprioceptive sensation or only limit tactile sensors to the mechanical fingertips. These constraints are due to the technological challenges involved in high resolution, multi-point tactile perception. In this work, however, we take the opposite approach, emphasizing the role of full-finger tactile feedback in the refinement of manual capabilities. To this end, we propose and implement a control framework for sensorimotor coordination analogous to infant-level grasping and fixturing reflexes. This thesis details the mechanisms used to achieve these sensory, actuation, and control objectives, along with the design philosophies and biological influences behind them. The results of behavioral experiments with a simple tactilely-modulated control scheme are also described. The hope is to integrate the modular finger into an %engineered analog of the human hand with a complete haptic system.

Trajectory and Force Control of a Direct Drive Arm

Using the MIT Serial Link Direct Drive Arm as the main experimental device, various issues in trajectory and force control of manipulators were studied in this thesis. Since accurate modeling is important for any controller, issues of estimating the dynamic model of a manipulator and its load were addressed first. Practical and effective algorithms were developed fro the Newton-Euler equations to estimate the inertial parameters of manipulator rigid-body loads and links. Load estimation was implemented both on PUMA 600 robot and on the MIT Serial Link Direct Drive Arm. With the link estimation algorithm, the inertial parameters of the direct drive arm were obtained. For both load and link estimation results, the estimated parameters are good models of the actual system for control purposes since torques and forces can be predicted accurately from these estimated parameters. The estimated model of the direct drive arm was them used to evaluate trajectory following performance by feedforward and computed torque control algorithms. The experimental evaluations showed that the dynamic compensation can greatly improve trajectory following accuracy. Various stability issues of force control were studied next. It was determined that there are two types of instability in force control. Dynamic instability, present in all of the previous force control algorithms discussed in this thesis, is caused by the interaction of a manipulator with a stiff environment. Kinematics instability is present only in the hybrid control algorithm of Raibert and Craig, and is caused by the interaction of the inertia matrix with the Jacobian inverse coordinate transformation in the feedback path. Several methods were suggested and demonstrated experimentally to solve these stability problems. The result of the stability analyses were then incorporated in implementing a stable force/position controller on the direct drive arm by the modified resolved acceleration method using both joint torque and wrist force sensor feedbacks.

A Gain Scheduling Model Predictive Controller for Blood Glucose Control in Type 1 Diabetes

This paper presents a control strategy for blood glucose(BG) level regulation in type 1 diabetic patients. To design the controller, model-based predictive control scheme has been applied to a newly developed diabetic patient model. The controller is provided with a feedforward loop to improve meal compensation, a gain-scheduling scheme to account for different BG levels, and an asymmetric cost function to reduce hypoglycemic risk. A simulation environment that has been approved for testing of artificial pancreas control algorithms has been used to test the controller. The simulation results show a good controller performance in fasting conditions and meal disturbance rejection, and robustness against model–patient mismatch and errors in meal estimation

Active control of structures with uncertain coupled subsystems and actuator dynamics

This paper deals with the problem of stabilizing a class of structures subject to an uncertain excitation due to the temporary coupling of the main system with another uncertain dynamical subsystem. A Lyapunov function based control scheme is proposed to attenuate the structural vibration. In the control design, the actuator dynamics is taken into account. The control scheme is implemented by using only feedback information of the main system. The effectiveness of the control scheme is shown for a bridge platform with crossing vehicle

Predictive motion control of a mirosot mobile robot

This paper discusses predictive motion control of a MiRoSoT robot. The dynamic model of the robot is deduced by taking into account the whole process - robot, vision, control and transmission systems. Based on the obtained dynamic model, an integrated predictive control algorithm is proposed to position precisely with either stationary or moving obstacle avoidance. This objective is achieved automatically by introducing distant constraints into the open-loop optimization of control inputs. Simulation results demonstrate the feasibility of such control strategy for the deduced dynamic model

QFT control for vibration reduction in structures equipped with MR dampers

This short paper addresses the problem of designing a QFT (quantitative feedback theory) based controllers for the vibration reduction in a 6-story building structure equipped with shear-mode magnetorheological dampers. A new methodology is proposed for characterizing the nonlinear hysteretic behavior of the MR damper through the uncertainty template in the Nichols chart. The design procedure for QFT control design is briefly presented

Relación entre entrenamiento en habilidades sociales, locus de control y rendimiento académico.

Se pretende comprobar si el entrenamiento en habilidades sociales afecta al locus de control. Si se disminuye el malestar y se incrementa la probabilidad de respuesta (asertividad) con el entrenamiento en habilidades sociales. Si el entrenamiento en habilidades sociales. Si el entrenamiento en habilidades sociales repercute positivamente en las calificaciones académicas. 48 alumnos de segundo de BUP, con una media de edad de 16,2 años. Variable independiente: a nivel molar la variable independiente fue el programa complejo de entrenamiento en habilidades sociales con dos niveles, uno experimental, de entrenamiento y otro de control, sin entrenamiento. Las técnicas que se incluyen en el entrenamiento fueron: a) instrucciones, modelado, ensayo comportamental, feedback informativo y reforzamiento, así como tareas para casa; b) variables criteriales, locus de control, con tres grupos, locus interno, grupo intermedio y locus externo. c) variables dependientes: calificaciones escolares de las asignaturas de Matemáticas y Lengua, obtenidas durante el curso. Puntuaciones obtenidas en el inventario de aserción de Gambril. Mide el grado de malestar y la probabilidad de realizar cierta conducta. Puntuaciones obtenidas en el locus de control. d) variables controladas: edad, nivel escolar, locus de control, control de doble ciego, efecto de los instructores. Cuestionario de locus de control. Inventario de aserción. Fichas y autorregistros de habilidad social. Aparatos y material audiovisual. Nuestro entrenamiento en habilidades sociales modifica el locus de control en la dirección esperada, es decir, las personas ganan en internalidad y pierden en externalidad. Este efecto, no obstante, está modulado por el mismo locus: es más pronunciado en las personas externas que en las medias e internas. Nuestro entrenamiento en habilidades sociales incrementa la asertividad, de manera significativa. Este entrenamiento disminuye la ansiedad (malestar en la respuesta), en concordancia con lo postulado y encontrado por los distintos autores e investigaciones. Nuestro entrenamiento en habilidades sociales no modifica el rendimiento académico, ni para la calificación en Lengua, ni para la calificación en Matemáticas, en contradicción con nuestras expectativas apoyadas en la literatura experimental sobre el tema. Este resultado no se debe atribuir a que nuestro entrenamiento sea inocuo a este respecto; a nuestro juicio, la causa de este resultado se encuentra en la forma en que hemos medido el rendimiento académico: a través de calificaciones e inmediatamente despues del entrenamiento en habilidades sociales. Se sugiere la importancia de estudiar las bases de los cambios que genera en entrenamiento las habilidades sociales. Para ello, se debería tener en cuenta factores como la autoestima, la ansiedad, el locus de control, la inteligencia social y el ajuste personal, entre otros. Se propone el estudio de la relación entre todos los factores mencionados y sus interacciones.

Impacto del sistema de control de gestión en el aprendizaje de las empresas multidomésticas del sector automotriz de Colombia

Las empresas multidomesticas en su direccionamiento estratégico necesitan de un sistema de control de gestión que les permita entender cómo se está desarrollando su estrategia en los diferentes mercados, frente a los objetivos planteados, de esta forma la implementación de estos sistemas de gestión generan la posibilidad de poder medir, valorar e informar sobre el cumplimiento y la evolución de los resultados previstos y ser un apoyo para la estrategia de mercados multidomesticos. Frente al contexto actual colombiano, se encontro que el mercado del sector automotriz, conformado por empresas multinacionales con una administración estratégica multidomestica, está cada vez más competitivos.Mediante la utilización de los sistemas de control de gestión es posible establecer e identificar variables que fomenten el aprendizaje organizacional, un campo de investigación académica y de práctica profesional el cual permite desarrollar variables claves dentro de la organización como lo son la innovación, la estrategia, la productividad y la toma de decisiones. Variables que favorecen el dinamismo y sostenibilidad del sector automotriz y las organizaciones que la conforman. Así garantizan un mayor aprendizaje creciente en el tiempo, por medio del cual se garantiza la perfecta armonía entre todos los empleados sin jerarquizacion y filtros para la información, dando paso al aprendizaje. Por medio de encuestas a directivos de las empresas mencionadas fue posible obtener conclusiones y encontrar similitudes entre el panorama actual contado por ellos mismos y lo que previamente se formulaba basados en fuentes teóricas, demostrando el real impacto de los sistemas de control de gestión en el aprendizaje de las empresas multidomesticas del sector automotriz en Colombia.

Desarrollo de un estado de la cuestión acerca de las interacciones entre el control de gestión y el aprendizaje organizacional.

Las organizaciones en la actualidad deben encontrar diferentes maneras de sobrevivir en un tiempo de rápida transformación. Uno de los mecanismos usados por las empresas para adaptarse a los cambios organizacionales son los sistemas de control de gestión, que a su vez permiten a las organizaciones hacer un seguimiento a sus procesos, para que la adaptabilidad sea efectiva. Otra variable importante para la adaptación es el aprendizaje organizacional siendo el proceso mediante el cual las organizaciones se adaptan a los cambios del entorno, tanto interno como externo de la compañía. Dado lo anterior, este proyecto se basa en la extracción de documentación soporte valido, que permita explorar las interacciones entre estos dos campos, los sistemas de control de gestión y el aprendizaje organizacional, además, analizar el impacto de estas interacciones en la perdurabilidad organizacional. ​

Relación entre el desarrollo de sistemas de control de gestión y los recursos y capacidades caso : Teleperformance Colombia

Siguiendo un marco teórico integrado por varios autores entorno a los sistemas de control de gestión a lo largo de varias décadas, este trabajo pretende estudiar y contrastar la relación entre el desarrollo de dichos sistemas y los recursos y capacidades. Para tal fin, se desarrolló un estudio de caso en Teleperformance Colombia (TC), una empresa dedicada a prestación de servicio de tercerización de procesos o business process outsourcing. En el estudio se establecieron dos variables para evaluar el desarrollo de sistema de control de gestión: el diseño y el uso. A su vez, para cada uno de ellos, se definieron los indicadores y preguntas que permitieran realizar la observación y posterior análisis. De igual manera, se seleccionaron los recursos y capacidades más importantes para el desarrollo del negocio: innovación, aprendizaje organizacional y capital humano. Sobre estos se validó la existencia de relación con el SCG implementado en TC. La información obtenida fue analizada y contrastada a través de pruebas estadísticas ampliamente utilizadas en este tipo de estudios en las ciencias sociales. Finalmente, se analizaron seis posibles relaciones de las cuales, solamente se ratificó el relacionamiento positivo entre uso de sistema de control gestión y el recurso y capacidad capital humano. El resto de relacionamientos, refutaron los planteamientos teóricos que establecían cierta influencia de los sistemas de control de gestión sobre recursos y capacidades de innovación y aprendizaje organizacional.

Gestión de la cadena de suministros desde la dinámica de sistemas. Aproximación al mejoramiento de la toma de decisiones

El objetivo de este trabajo es hacer un estudio sobre la cadena de suministros en organizaciones empresariales desde la Dinámica de Sistemas y como esta puede aportar al desempeño y el control de las cadenas de suministros. Se buscará Abordar el cocimiento sobre tres perspectivas de Supply Chain y su relación con la dinámica de sistemas. También se buscará identificar los tipos de integración en las actividades de la gestión en la cadena de suministros y sus horizontes de planeación. Por último, se pretende analizar las aplicaciones de Supply Chain Management que se han basado en el uso de la metodología de dinámica de sistemas. Para esto, la investigación empezará por definir la problemática alrededor de unir estas dos áreas y definirá el marco teórico que fundan estas dos disciplinas. Luego se abordará la metodología usada por la Dinámica de Sistemas y los diferentes aspectos de la cadena de suministros. Se Ahondará en el acercamiento de las dos disciplinas y como convergen ayudando la SD a la SCM (Supply Chain Management). En este punto también se describirán los trabajos en los diferentes enfoques que se han hecho a partir de uso de la dinámica de sistemas. Por último, presentaremos las correspondientes conclusiones y comentarios acerca de este campo de investigación y su pertinencia en el campo de la Supply Chain. Esta investigación abarca dos grandes corrientes de pensamiento, una sistémica, a través de la metodología de dinámica de sistemas y la otra, lógico analítica la cual es usada en Supply Chain. Se realizó una revisión de la literatura sobre las aplicaciones de dinámica de sistemas (SD) en el área de Supply Chain, sus puntos en común y se documentaron importantes empleos de esta metodología que se han hecho en la gestión de la cadena de suministros.