Methodology for Dynamic Stability and Robustness Analysis of Commercial-Power-Module-Based DC-Distributed Systems

El propósito de esta tesis es presentar una metodología para realizar análisis de la dinámica en pequeña señal y el comportamiento de sistemas de alimentación distribuidos de corriente continua (CC), formados por módulos comerciales. Para ello se hace uso de un método sencillo que indica los márgenes de estabilidad menos conservadores posibles mediante un solo número. Este índice es calculado en cada una de las interfaces que componen el sistema y puede usarse para obtener un índice global que indica la estabilidad del sistema global. De esta manera se posibilita la comparación de sistemas de alimentación distribuidos en términos de robustez. La interconexión de convertidores CC-CC entre ellos y con los filtros EMI necesarios puede originar interacciones no deseadas que dan lugar a la degradación del comportamiento de los convertidores, haciendo el sistema más propenso a inestabilidades. Esta diferencia en el comportamiento se debe a interacciones entre las impedancias de los diversos elementos del sistema. En la mayoría de los casos, los sistemas de alimentación distribuida están formados por módulos comerciales cuya estructura interna es desconocida. Por ello los análisis presentados en esta tesis se basan en medidas de la respuesta en frecuencia del convertidor que pueden realizarse desde los terminales de entrada y salida del mismo. Utilizando las medidas de las impedancias de entrada y salida de los elementos del sistema, se puede construir una función de sensibilidad que proporciona los márgenes de estabilidad de las diferentes interfaces. En esta tesis se utiliza el concepto del valor máximo de la función de sensibilidad (MPC por sus siglas en inglés) para indicar los márgenes de estabilidad como un único número. Una vez que la estabilidad de todas las interfaces del sistema se han evaluado individualmente, los índices obtenidos pueden combinarse para obtener un único número con el que comparar la estabilidad de diferentes sistemas. Igualmente se han analizado las posibles interacciones en la entrada y la salida de los convertidores CC-CC, obteniéndose expresiones analíticas con las que describir en detalle los acoplamientos generados en el sistema. Los estudios analíticos realizados se han validado experimentalmente a lo largo de la tesis. El análisis presentado en esta tesis se culmina con la obtención de un índice que condensa los márgenes de estabilidad menos conservativos. También se demuestra que la robustez del sistema está asegurada si las impedancias utilizadas en la función de sensibilidad se obtienen justamente en la entrada o la salida del subsistema que está siendo analizado. Por otra parte, la tesis presenta un conjunto de parámetros internos asimilados a impedancias, junto con sus expresiones analíticas, que permiten una explicación detallada de las interacciones en el sistema. Dichas expresiones analíticas pueden obtenerse bien mediante las funciones de transferencia analíticas si se conoce la estructura interna, o utilizando medidas en frecuencia o identificación de las mismas a través de la respuesta temporal del convertidor. De acuerdo a las metodologías presentadas en esta tesis se puede predecir la estabilidad y el comportamiento de sistemas compuestos básicamente por convertidores CC-CC y filtros, cuya estructura interna es desconocida. La predicción se basa en un índice que condensa la información de los márgenes de estabilidad y que permite la obtención de un indicador de la estabilidad global de todo el sistema, permitiendo la comparación de la estabilidad de diferentes arquitecturas de sistemas de alimentación distribuidos. ABSTRACT The purpose of this thesis is to present dynamic small-signal stability and performance analysis methodology for dc-distributed systems consisting of commercial power modules. Furthermore, the objective is to introduce simple method to state the least conservative margins for robust stability as a single number. In addition, an index characterizing the overall system stability is obtained, based on which different dc-distributed systems can be compared in terms of robustness. The interconnected systems are prone to impedance-based interactions which might lead to transient-performance degradation or even instability. These systems typically are constructed using commercial converters with unknown internal structure. Therefore, the analysis presented throughout this thesis is based on frequency responses measurable from the input and output terminals. The stability margins are stated utilizing a concept of maximum peak criteria, derived from the behavior of impedance-based sensitivity function that provides a single number to state robust stability. Using this concept, the stability information at every system interface is combined to a meaningful number to state the average robustness of the system. In addition, theoretical formulas are extracted to assess source and load side interactions in order to describe detailed couplings within the system. The presented theoretical analysis methodologies are experimentally validated throughout the thesis. In this thesis, according to the presented analysis, the least conservative stability margins are provided as a single number guaranteeing robustness. It is also shown that within the interconnected system the robust stability is ensured only if the impedance-based minor-loop gain is determined at the very input or output of each subsystem. Moreover, a complete set of impedance-type internal parameters as well as the formulas according to which the interaction sensitivity can be fully explained and analyzed, is provided. The given formulation can be utilized equally either based on measured frequency responses, time-domain identified internal parameters or extracted analytic transfer functions. Based on the analysis methodologies presented in this thesis, the stability and performance of interconnected systems consisting of converters with unknown internal structure, can be predicted. Moreover, the provided concept to assess the least conservative stability margins enables to obtain an index to state the overall robust stability of distributed power architecture and thus to compare different systems in terms of stability.

Coalescent estimates of HIV-1 generation time in vivo

The generation time of HIV Type 1 (HIV-1) in vivo has previously been estimated using a mathematical model of viral dynamics and was found to be on the order of one to two days per generation. Here, we describe a new method based on coalescence theory that allows the estimate of generation times to be derived by using nucleotide sequence data and a reconstructed genealogy of sequences obtained over time. The method is applied to sequences obtained from a long-term nonprogressing individual at five sampling occasions. The estimate of viral generation time using the coalescent method is 1.2 days per generation and is close to that obtained by mathematical modeling (1.8 days per generation), thus strengthening confidence in estimates of a short viral generation time. Apart from the estimation of relevant parameters relating to viral dynamics, coalescent modeling also allows us to simulate the evolutionary behavior of samples of sequences obtained over time.

Determining RNA solution structure by segmental isotopic labeling and NMR: application to Caenorhabditis elegans spliced leader RNA 1.

Recent developments in multidimensional heteronuclear NMR spectroscopy and large-scale synthesis of uniformly 13C- and 15N-labeled oligonucleotides have greatly improved the prospects for determination of the solution structure of RNA. However, there are circumstances in which it may be advantageous to label only a segment of the entire RNA chain. For example, in a larger RNA molecule the structural question of interest may reside in a localized domain. Labeling only the corresponding nucleotides simplifies the spectrum and resonance assignments because one can filter proton spectra for coupling to 13C and 15N. Another example is in resolving alternative secondary structure models that are indistinguishable in imino proton connectivities. Here we report a general method for enzymatic synthesis of quantities of segmentally labeled RNA molecules required for NMR spectroscopy. We use the method to distinguish definitively two competing secondary structure models for the 5' half of Caenorhabditis elegans spliced leader RNA by comparison of the two-dimensional [15N] 1H heteronuclear multiple quantum correlation spectrum of the uniformly labeled sample with that of a segmentally labeled sample. The method requires relatively small samples; solutions in the 200-300 microM concentration range, with a total of 30 nmol or approximately 40 micrograms of RNA in approximately 150 microliters, give strong NMR signals in a short accumulation time. The method can be adapted to label an internal segment of a larger RNA chain for study of localized structural problems. This definitive approach provides an alternative to the more common enzymatic and chemical footprinting methods for determination of RNA secondary structure.

Atenuação de vibrações em pás de helicópteros utilizando circuito piezelétrico semi-passivo

O uso de materiais inteligentes em problemas de controle de vibração tem sido investigado em diversas pesquisas ao longo dos últimos anos. Apesar de que diferentes materiais inteligentes estão disponíveis, o piezelétrico tem recebido grande atenção devido à facilidade de uso como sensores, atuadores, ou ambos simultaneamente. As principais técnicas de controle usando materiais piezoelétricos são os ativos e passivos. Circuitos piezelétricos passivos são ajustados para uma frequência específica e, portanto, a largura de banda efetiva é pequena. Embora os sistemas ativos possam apresentar um bom desempenho no controle de vibração, a quantidade de energia externa e hardware adicionado são questões importantes. As técnicas SSD (Synchronized Switch Damping) foram desenvolvidas como uma alternativa aos controladores passivos e controladores ativos de vibração. Elas podem ser técnicas semi-ativas ou semi-passivas que introduzem um tratamento não linear na tensão elétrica proveniente do material piezelétrico e induz um aumento na conversão de energia mecânica para energia elétrica e, consequentemente, um aumento no efeito de amortecimento. Neste trabalho, o controle piezoelétrico semi-passivo de uma pá piezelétrica engastada é apresentado e comparado com outros controladores. O modelo não linear electromecânico de uma pá com piezocerâmicas incorporados é determinado com base no método variacional-assintótico (VAM). O sistema rotativo acoplado não linear é resolvido no domínio do tempo, utilizando um método de integração alfa-generalizado afim de garantir a estabilidade numérica. As simulações são realizadas para uma vasta gama de velocidades de rotação. Em primeiro lugar, um conjunto de resistências (variando desde a condição de curto-circuito para a condição de circuito aberto) é considerada. O efeito da resistência ótima (que resulta em máximo amortecimento) sobre o comportamento do sistema é investigado para o aumento da velocidade de rotação. Mais tarde, a técnica SSDS é utilizada para amortecer as oscilações da pá com o aumento da velocidade de rotação. Os resultados mostram que a técnica SSDS pode ser um método útil para o controle de vibrações de vigas rotativas não lineares, tais como pás de helicóptero.

Modelagem do absorvedor e do gerador de ciclos de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água baseados na tecnologia de filme descendente sobre placas inclinadas.

Esse trabalho constitui o desenvolvimento da modelagem térmica e simulação por métodos numéricos de dois componentes fundamentais do ciclo de refrigeração por absorção de calor com o par amônia/água: o absorvedor e o gerador. A função do absorvedor é produzir mistura líquida com alta fração mássica de amônia a partir de mistura líquida com baixa fração mássica de amônia e mistura vapor mediante retirada de calor. A função do gerador é produzir mistura líquido/vapor a partir de mistura líquida mediante o fornecimento de calor. É proposto o uso da tecnologia de filmes descendentes sobre placas inclinadas e o método de diferenças finitas para dividir o comprimento da placa em volumes de controle discretos e realizar os balanços de massa, espécie de amônia e energia juntamente com as equações de transferência de calor e massa para o filme descendente. O objetivo desse trabalho é obter um modelo matemático simplificado para ser utilizado em controle e otimização. Esse modelo foi utilizado para calcular as trocas de calor e massa no absorvedor e gerador para diversas condições a partir de dados operacionais, tais como: dimensões desses componentes, ângulo de inclinação da placa, temperatura de superfície e condições de entrada da fase líquida e vapor. Esses resultados foram utilizados para estabelecer relações de causa e efeito entre as variáveis e parâmetros do problema. Os resultados mostraram que o ângulo de inclinação da placa ótimo tanto para o absorvedor como para o gerador é a posição vertical, ou 90°. A posição vertical proporciona o menor comprimento de equilíbrio (0,85 m para o absorvedor e 1,27 m para o gerador com as condições testadas) e se mostrou estável, pois até 75° não foram verificadas variações no funcionamento do absorvedor e gerador. Dentre as condições testadas para uma placa de 0,5 m verificou-se que as maiores efetividades térmicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,9 e 0,7 e as maiores efetividades mássicas no absorvedor e gerador foram respectivamente 0,6 e 0,5. É esperado que os dados obtidos sejam utilizados em trabalhos futuros para a construção de um protótipo laboratorial e na validação do modelo.

O efeito da estimulação top-down e bottom-up no potencial evocado auditivo de tronco encefálico com estímulo complexo

Introdução: Crianças com transtorno fonológico (TF) apresentam dificuldade na percepção de fala, em processar estímulos acústicos quando apresentados de forma rápida e em sequência. A percepção dos sons complexos da fala, dependem da integridade no processo de codificação analisado pelo Sistema Nervoso Auditivo. Por meio do Potencial Evocado Auditivo de Tronco Encefálico com estímulo complexo (PEATEc) é possível investigar a representação neural dos sons em níveis corticais e obter informações diretas sobre como a estrutura do som da sílaba falada é codificada no sistema auditivo. Porém, acredita-se que esse potencial sofre interferências tanto de processos bottom-up quanto top-down, o que não se sabe é quanto e como cada um desses processos modifica as respostas do PEATEc. Uma das formas de investigar a real influência dos aspectos top-down e bottom-up nos resultados do PEATEc é estimulando separadamente esses dois processos por meio do treinamento auditivo e da terapia fonoaudiológica. Objetivo: Verificar o impacto da estimulação sensorial (processamento bottom-up) e cognitiva (processamento top-down), separadamente, nos diferentes domínios da resposta eletrofisiológica do PEATEc. Método: Participaram deste estudo 11 crianças diagnosticadas com TF, com idades entre 7 e 10:11, submetidas a avaliação comportamental e eletrofisiológica e então dividas nos grupos Bottom-up (B-U) (N=6) e Top-down T-D (N=5). A estimulação bottom-up foi voltada ao treinamento das habilidades sensoriais, através de softwares de computador. A estimulação top-down foi realizada por meio de tarefas para estimular as habilidades cognitiva por meio do Programa de Estimulação Fonoaudiológica (PEF). Ambas as estimulações foram aplicadas uma vez por semana, num período de aproximadamente 45 minutos por 12 semanas. Resultados: O grupo B-U apresentou melhoras em relação aos domínios onset e harmônicos e no valor da pontuação do escore após ser submetido à estimulação bottom-up. Por sua vez, após serem submetidos à estimulação top-down, o grupo T-D apresentou melhoras em relação aos domínios onset, espectro-temporal, fronteiras do envelope e harmônicos e para os valores da pontuação do escore. Conclusão: Diante dos resultados obtidos neste estudo, foi possível observar que a estimulação sensorial (processamento bottom-up) e a estimulação cognitiva (processamento top-down) mostraram impactar de forma diferente a resposta eletrofisiológica do PEATEc

Análise da abrangência de modelo modificado para mancais curtos com deformação.

Este trabalho apresenta uma discussão sobre o estudo dos efeitos térmicos e elásticos decorrentes da pressão de sustentação presentes nos mancais. Para tanto, propõe-se um modelo matemático baseado nas equações para mancais curtos considerando a região de cavitação e utilizando o princípio da continuidade de massa. Com isto, deduzem-se as equações para o mancal a partir das equações de Reynolds e da energia, aplicando uma solução modificada para a solução de Ocvirk, sendo as equações resolvidas numericamente pelo Método das Diferenças Finitas. Somado o tratamento de mecânica dos fluidos, o trabalho discute dois modelos térmicos de previsão de temperatura média do fluido e sua influência no campo de pressão, apresentando gráficos representativos do campo de pressão e de temperatura, assim como as diferenças e implicações das diferenças. Para o cálculo de deformação da estrutura, utiliza-se um Modelo de Elementos Finitos para uma dada geometria, fazendo-se uma avaliação da variação do campo de pressão e o quanto essa diferença afeta as demais propriedades do fluido. Por fim, com o modelo completo, calcula-se o quanto esse modelamento para mancais curtos se aproxima de soluções para mancais finitos, com base em resultados da literatura, chegando a desvios quase oito vezes menores que os previstos pela literatura. Além disso, pode-se estabelecer a abrangência do modelo, ou seja, prever as condições em que suas propriedades são válidas e podem ser utilizadas para estudos iniciais.

Stress Inversion Using LiDAR Tunnel Deformation Measurements

Far-field stresses are those present in a volume of rock prior to excavations being created. Estimates of the orientation and magnitude of far-field stresses, often used in mine design, are generally obtained by single-point measurements of stress, or large-scale, regional trends. Point measurements can be a poor representation of far-field stresses as a result of excavation-induced stresses and geological structures. For these reasons, far-field stress estimates can be associated with high levels of uncertainty. The purpose of this thesis is to investigate the practical feasibility, applications, and limitations of calibrating far-field stress estimates through tunnel deformation measurements captured using LiDAR imaging. A method that estimates the orientation and magnitude of excavation-induced principal stress changes through back-analysis of deformation measurements from LiDAR imaged tunnels was developed and tested using synthetic data. If excavation-induced stress change orientations and magnitudes can be accurately estimated, they can be used in the calibration of far-field stress input to numerical models. LiDAR point clouds have been proven to have a number of underground applications, thus it is desired to explore their use in numerical model calibration. The back-analysis method is founded on the superposition of stresses and requires a two-dimensional numerical model of the deforming tunnel. Principal stress changes of known orientation and magnitude are applied to the model to create calibration curves. Estimation can then be performed by minimizing squared differences between the measured tunnel and sets of calibration curve deformations. In addition to the back-analysis estimation method, a procedure consisting of previously existing techniques to measure tunnel deformation using LiDAR imaging was documented. Under ideal conditions, the back-analysis method estimated principal stress change orientations within ±5° and magnitudes within ±2 MPa. Results were comparable for four different tunnel profile shapes. Preliminary testing using plastic deformation, a rough tunnel profile, and profile occlusions suggests that the method can work under more realistic conditions. The results from this thesis set the groundwork for the continued development of a new, inexpensive, and efficient far-field stress estimate calibration method.

A Multiplex Real-Time PCR with High Resolution Melting Analysis for the Characterization of Antimicrobial Resistance in Neisseria gonorrhoeae.

Resistance to antibiotics used against Neisseria gonorrhoeae infections is a major public health concern. Antimicrobial resistance (AMR) testing relies on time-consuming culture-based methods. Development of rapid molecular tests for detecting AMR determinants could provide valuable tools for surveillance, epidemiological studies and to inform individual case management. We developed a fast (<1.5 hrs) SYBR-green based real-time PCR method with high resolution melting (HRM) analysis. One triplex and three duplex reactions included two sequences for N. gonorrhoeae identification and seven determinants of resistance to extended-spectrum cephalosporins (ESCs), azithromycin, ciprofloxacin, and spectinomycin. The method was validated by testing 39 previously fully-characterized N. gonorrhoeae strains, 19 commensal Neisseria spp., and an additional panel of 193 gonococcal isolates. Results were compared with culture-based AMR determination. The assay correctly identified N. gonorrhoeae and the presence or absence of the seven AMR determinants. There was some cross-reactivity with non-gonococcal Neisseria species and the detection limit was 10(3)-10(4) gDNA copies/reaction. Overall, the platform accurately detected resistance to ciprofloxacin (sensitivity and specificity, 100%), ceftriaxone (sensitivity 100%, specificity 90%), cefixime (sensitivity 92%, specificity 94%), azithromycin and spectinomycin (both sensitivity and specificity, 100%). In conclusion, our methodology accurately detects mutations generating resistance to antibiotics used to treat gonorrhea. Low assay sensitivity prevents direct diagnostic testing of clinical specimens but this method can be used to screen collections of gonococcal isolates for AMR more quickly than with current culture-based AMR testing.

Mineralogy of ODP Hole 117-722B (Appendix)

Bulk mineralogy of the terrigenous fraction of 99 samples from ODP Site 722 on the Owen Ridge, western Arabian Sea, has been determined by x-ray diffraction, using an internal standard method. The sampling interval, approximately 4.3 k.y., provides a detailed mineralogic record for the past 500 k.y. Previous studies have identified important modern continental sediment sources and the mineral assemblages presently derived from each. These studies have also demonstrated that most of this material is supplied by southwest and northwest winds during the summer monsoon. A variety of marine and terrestrial records and general circulation model (GCM) simulations have indicated the importance of monsoonal circulation during the Pleistocene and Holocene and have demonstrated increased aridity during glacial times and increased humidity during inter glacials. The mineralogic data generated here were used to investigate variations in source area weathering conditions during these environmental changes. Terrigenous minerals present include smectite, illite, palygorskite, kaolinite, chlorite, quartz, plagioclase feldspar, and dolomite. This mineralogy is consistent with the compositions of source areas presently supplying sediment to the Arabian Sea. An R-mode factor analysis has identified four mineral assemblages present throughout the past 500 k.y.: quartz/chlorite/dolomite (Factor 1), kaolinite/plagioclase/illite (Factor 2), smectite (Factor 3), and palygorskite/dolomite (Factor 4). Chlorite, illite, and palygorskite are extremely susceptible to chemical weathering, and a spectral comparison of these factors with the eolian mass accumulation rate (MAR) record from Hole 722B (an index of dust source area aridity) indicates that Factors 1, 2, and 4 are directly related to changes in aridity. Because of these characteristics, Factors 1,2, and 4 are interpreted to originate from arid source regions. Factor 3 is interpreted to record more humid source conditions. Time-series of scores for the four factors are dominated by short-term (10-100 k.y.) variability, and do not correlate well to glacial/interglacial fluctuations in the time domain. These characteristics suggest that local climatic shifts were complex, and that equilibrium weathering assemblages did not develop immediately after climatic change. Spectral analysis of factor scores identifies peaks at or near the primary Milankovitch frequencies for all factors. Factor 1 (quartz/chlorite/dolomite), Factor 2 (kaolinite/plagioclase/illite), and Factor 4 (illite/palygorskite) are coherent and in phase with the MAR record over the 23, 41, and 100 k.y. bands, respectively. The reasons for coherency at single Milankovitch frequencies are not known, but may include differences in the susceptibilities of minerals to varying time scales of weathering and/or preferential development of suitable continental source environments by climatic changes at the various Milankovitch frequencies.

Essays on Environmental and Health Economics

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Comparison of Lagrangian Coherent Structures and Relative Dispersion in a Mixing Layer

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Modelling the input-output behaviour of piezoelectric structural health monitoring systems for composite plates

This paper investigates the input-output characteristics of structural health monitoring systems for composite plates based on permanently attached piezoelectric transmitter and sensor elements. Using dynamic piezoelectricity theory and a multiple integral transform method to describe the propagating and scattered flexural waves an electro-mechanical model for simulating the voltage input-output transfer function for circular piezoelectric transmitters and sensors adhesively attached to an orthotropic composite plate is developed. The method enables the characterization of all three physical processes, i.e. wave generation, wave propagation and wave reception. The influence of transducer, plate and attached electrical circuit characteristics on the voltage output behaviour of the system is examined through numerical calculations, both in frequency and the time domain. The results show that the input-output behaviour of the system is not properly predicted by the transducers' properties alone. Coupling effects between the transducers and the tested structure have to be taken into account, and adding backing materials to the piezoelectric elements can significantly improve the sensitivity of the system. It is shown that in order to achieve maximum sensitivity, particular piezoelectric transmitters and sensors need to be designed according to the structure to be monitored and the specific frequency regime of interest.

Consequences of incorrect sampling procedures in resonance-based radar target identification

Radar target identification based on complex natural resonances is sometimes achieved by convolving a linear time-domain filter with a received target signature. The filter is constructed from measured or pre-calculated target resonances. The performance of the target identification procedure is degraded if the difference between the sampling rates of the target signature and the filter is ignored. The problem is investigated for the natural extinction pulse technique (E-pulse) for the case of identifying stick models of aircraft.