The port-Hamiltonian framework as a comprehensive approach to model and simulate complex systems

This thesis describes modelling tools and methods suited for complex systems (systems that typically are represented by a plurality of models). The basic idea is that all models representing the system should be linked by well-defined model operations in order to build a structured repository of information, a hierarchy of models. The port-Hamiltonian framework is a good candidate to solve this kind of problems as it supports the most important model operations natively. The thesis in particular addresses the problem of integrating distributed parameter systems in a model hierarchy, and shows two possible mechanisms to do that: a finite-element discretization in port-Hamiltonian form, and a structure-preserving model order reduction for discretized models obtainable from commercial finite-element packages.

Model predictive flight control systems for rotorcraft UAS

Constraints are widely present in the flight control problems: actuators saturations or flight envelope limitations are only some examples of that. The ability of Model Predictive Control (MPC) of dealing with the constraints joined with the increased computational power of modern calculators makes this approach attractive also for fast dynamics systems such as agile air vehicles. This PhD thesis presents the results, achieved at the Aerospace Engineering Department of the University of Bologna in collaboration with the Dutch National Aerospace Laboratories (NLR), concerning the development of a model predictive control system for small scale rotorcraft UAS. Several different predictive architectures have been evaluated and tested by means of simulation, as a result of this analysis the most promising one has been used to implement three different control systems: a Stability and Control Augmentation System, a trajectory tracking and a path following system. The systems have been compared with a corresponding baseline controller and showed several advantages in terms of performance, stability and robustness.

Model predictive control in thermal management of multiprocessor systems-on-chip

MultiProcessor Systems-on-Chip (MPSoC) are the core of nowadays and next generation computing platforms. Their relevance in the global market continuously increase, occupying an important role both in everydaylife products (e.g. smartphones, tablets, laptops, cars) and in strategical market sectors as aviation, defense, robotics, medicine. Despite of the incredible performance improvements in the recent years processors manufacturers have had to deal with issues, commonly called “Walls”, that have hindered the processors development. After the famous “Power Wall”, that limited the maximum frequency of a single core and marked the birth of the modern multiprocessors system-on-chip, the “Thermal Wall” and the “Utilization Wall” are the actual key limiter for performance improvements. The former concerns the damaging effects of the high temperature on the chip caused by the large power densities dissipation, whereas the second refers to the impossibility of fully exploiting the computing power of the processor due to the limitations on power and temperature budgets. In this thesis we faced these challenges by developing efficient and reliable solutions able to maximize performance while limiting the maximum temperature below a fixed critical threshold and saving energy. This has been possible by exploiting the Model Predictive Controller (MPC) paradigm that solves an optimization problem subject to constraints in order to find the optimal control decisions for the future interval. A fully-distributedMPC-based thermal controller with a far lower complexity respect to a centralized one has been developed. The control feasibility and interesting properties for the simplification of the control design has been proved by studying a partial differential equation thermal model. Finally, the controller has been efficiently included in more complex control schemes able to minimize energy consumption and deal with mixed-criticalities tasks

Model driven design for embedded systems

Questo lavoro di tesi si focalizza sulla modellazione di sistemi software in grado far interagire piattaforme elettroniche differenti tra loro.

Il modello green office come nicchia strategica per la transizione sostenibile del sistema universita the green office model as strategic niche for sustainability transition of hei systems

Nella prima parte di questo progetto di tesi, ho analizzato tutte le nozioni teoriche rilevanti in merito alla teoria della transizione. Il primo concetto condiviso in questa trattazione è quello di transizione. Nella parte finale del capitolo, il focus si sposta sul ruolo, in una generica transizione, delle nicchie. Lo strumento centrale in questa struttura sono gli esperimenti di transizione, i quali forniscono un approccio alternativo ai progetti di innovazione classica che sono incentrati nell'ottenimento di soluzioni a breve termine. Vi è dunque una forte relazione tra nicchia e sperimentazione. Infine la trattazione si concentra sul tema dello Strategic Niche Management. Nel secondo capitolo, analizzo il tema della sostenibilità inserita in un contesto universitario. Questa sezione si focalizza sulle strategie di alto livello richieste per dare avvio alla transizione universitaria verso la sostenibilità, identificando gli ostacoli e gli elementi portanti, e definendo una vision al fine di concretizzarla. Il capitolo guida, passo per passo, le università che tentano di mettere in pratica il proprio obiettivo e la vision di sviluppo sostenibile. Una delle problematiche principali per stimare gli sforzi verso la sostenibilità nelle università è costituita in modo particolare dagli strumenti di valutazione. Per questo motivo, è stata sviluppata la valutazione grafica della sostenibilità nell'università (GASU). Al fine di riassumere quanto detto fin qui ed avere un quadro generale più chiaro dell'organizzazione di un campus universitario che mira a diventare sostenibile, ho utilizzato lo strumento gestionale della SWOT Analysis. Negli ultimi due capitoli, infine, analizzo nel dettaglio il modello Green Office. La teorizzazione di questo modello e l'elaborazione dei 6 principi del Green Office sono state effettuate da rootAbility. Le seguenti pagine presentano 3 casi studio di come i 6 principi dei Green Office sono stati adattati alle 3 unità di sostenibilità guidate da studenti e supportate da staff qualificato. L'oggetto della trattazione sono i principali GO affermatisi nei Paesi Bassi. A seguito dell'introduzione del modello relativo al Green Office e dell'illustrazione degli esempi presi in esame, è stato sfruttato lo strumento della feasibility analysis al fine di giudicare se l'idea di business sia praticabile. Il mezzo con cui ho condotto l'analisi sotto riportata è un questionario relativo al modello di Green Office implementato, nel quale viene chiesto di valutare gli aspetti relativi alla organizational feasibility e alla financial feasibility. Infine nella sezione finale ho considerato i Green Office come fossero un unico movimento. L'analisi mira a considerare l'impatto globale del Green Office Movement nei sistemi universitari e come, a seguito del loro consolidarsi nella struttura accademica, possano divenire prassi comune. La struttura proposta contiene elementi sia da il SNM (Strategic Niche Management) che dal TE (Transition Experiment).