A Delay Vector Variance based marker for an output-only assessment of structural changes in tension leg platforms

Although aspects of power generation of many offshore renewable devices are well understood, their dynamic responses under high wind and wave conditions are still to be investigated to a great detail. Output only statistical markers are important for these offshore devices, since access to the device is limited and information about the exposure conditions and the true behaviour of the devices are generally partial, limited, and vague or even absent. The markers can summarise and characterise the behaviour of these devices from their dynamic response available as time series data. The behaviour may be linear or nonlinear and consequently a marker that can track the changes in structural situations can be quite important. These markers can then be helpful in assessing the current condition of the structure and can indicate possible intervention, monitoring or assessment. This paper considers a Delay Vector Variance based marker for changes in a tension leg platform tested in an ocean wave basin for structural changes brought about by single column dampers. The approach is based on dynamic outputs of the device alone and is based on the estimation of the nonlinearity of the output signal. The advantages of the selected marker and its response with changing structural properties are discussed. The marker is observed to be important for monitoring the as- deployed structural condition and is sensitive to changes in such conditions. Influence of exposure conditions of wave loading is also discussed in this study based only on experimental data.

Performance of a single liquid column damper for the control of dynamic responses of a tension leg platform

Tuned liquid column dampers have been proved to be successful in mitigating the dynamic responses of civil infrastructure. There have been some recent applications of this concept on wind turbines and this passive control system can help to mitigate responses of offshore floating platforms and wave devices. The control of dynamic responses of these devices is important for reducing loads on structural elements and facilitating operations and maintenance (O&M) activities. This paper outlines the use of a tuned single liquid column damper for the control of a tension leg platform supported wind turbine. Theoretical studies were carried out and a scaled model was tested in a wave basin to assess the performance of the damper. The tests on the model presented in this paper correspond to a platform with a very low natural frequency for surge, sway and yaw motions. For practical purposes, it was not possible to tune the liquid damper exactly to this frequency. The consequent approach taken and the efficiency of such approach are presented in this paper. Responses to waves of a single frequency are investigated along with responses obtained from wave spectra characterising typical sea states. The extent of control is quantified using peak and root mean squared dynamic responses respectively. The tests present some guidelines and challenges for testing scaled devices in relation to including response control mechanisms. Additionally, the results provide a basis for dictating future research on tuned liquid column damper based control on floating platforms.

Effect of Performance Feedback on Perceived Knowledge and Likelihood to Pursue Continuing Education

The purpose of this study was to assess the effect of performance feedback on Athletic Trainers’ (ATs) perceived knowledge (PK) and likelihood to pursue continuing education (CE). The investigation was grounded in the theories of “the definition of the situation” (Thomas & Thomas, 1928) and the “illusion of knowing,” (Glenberg, Wilkinson, & Epstein, 1982) suggesting that PK drives behavior. This investigation measured the degree to which knowledge gap predicted CE seeking behavior by providing performance feedback designed to change PK. A pre-test post-test control-group design was used to measure PK and likelihood to pursue CE before and after assessing actual knowledge. ATs (n=103) were randomly sampled and assigned to two groups, with and without performance feedback. Two independent samples t-tests were used to compare groups on the difference scores of the dependent variables. Likelihood to pursue CE was predicted by three variables using multiple linear regression: perceived knowledge, pre-test likelihood to pursue CE, and knowledge gap. There was a 68.4% significant difference (t101= 2.72, p=0.01, ES=0.45) between groups in the change scores for likelihood to pursue CE because of the performance feedback (Experimental group=13.7% increase; Control group= 4.3% increase). The strongest relationship among the dependent variables was between pre-test and post-test measures of likelihood to pursue CE (F2,102=56.80, p<0.01, r=0.73, R2=0.53). The pre- and post-test predictive relationship was enhanced when group was included in the model. In this model [YCEpost=0.76XCEpre-0.34 Xgroup+2.24+E], group accounted for a significant amount of unique variance in predicting CE while the pre-test likelihood to pursue CE variable was held constant (F3,102=40.28, p<0.01,: r=0.74, R2=0.55). Pre-test knowledge gap, regardless of group allocation, was a linear predictor of the likelihood to pursue CE (F1,102=10.90, p=.01, r=.31, R2=.10). In this investigation, performance feedback significantly increased participants’ likelihood to pursue CE. Pre-test knowledge gap was a significant predictor of likelihood to pursue CE, regardless if performance feedback was provided. ATs may have self-assessed and engaged in internal feedback as a result of their test-taking experience. These findings indicate that feedback, both internal and external, may be necessary to trigger CE seeking behavior.

Dynamic control of laser driven proton beams by exploiting self-generated, ultrashort electromagnetic pulses

As part of the ultrafast charge dynamics initiated by high intensity laser irradiations of solid targets,high amplitude EM pulses propagate away from the interaction point and are transported along anystalks and wires attached to the target. The propagation of these high amplitude pulses along a thinwire connected to a laser irradiated target was diagnosed via the proton radiography technique,measuring a pulse duration of 20 ps and a pulse velocity close to the speed of light. The strongelectric field associated with the EM pulse can be exploited for controlling dynamically the protonbeams produced from a laser-driven source. Chromatic divergence control of broadband laser drivenprotons (upto 75% reduction in divergence of >5 MeV protons) was obtained by winding the supportingwire around the proton beam axis to create a helical coil structure. In addition to providingfocussing and energy selection, the technique has the potential to post-accelerate the transiting protonsby the longitudinal component of the curved electric field lines produced by the helical coil lens.

Data-Driven Dynamic Modeling of Coupled Thermal and Electric Outputs of Microturbines

Microturbines are among the most successfully commercialized distributed energy resources, especially when they are used for combined heat and power generation. However, the interrelated thermal and electrical system dynamic behaviors have not been fully investigated. This is technically challenging due to the complex thermo-fluid-mechanical energy conversion processes which introduce multiple time-scale dynamics and strong nonlinearity into the analysis. To tackle this problem, this paper proposes a simplified model which can predict the coupled thermal and electric output dynamics of microturbines. Considering the time-scale difference of various dynamic processes occuring within microturbines, the electromechanical subsystem is treated as a fast quasi-linear process while the thermo-mechanical subsystem is treated as a slow process with high nonlinearity. A three-stage subspace identification method is utilized to capture the dominant dynamics and predict the electric power output. For the thermo-mechanical process, a radial basis function model trained by the particle swarm optimization method is employed to handle the strong nonlinear characteristics. Experimental tests on a Capstone C30 microturbine show that the proposed modeling method can well capture the system dynamics and produce a good prediction of the coupled thermal and electric outputs in various operating modes.

Data-Driven Dynamic Prediction of Interrelated Heat and Electric Outputs of Microturbines

Microturbines are among the most successfully commercialized distributed energy resources, especially when they are used for combined heat and power generation. However, the interrelated thermal and electrical system dynamic behaviors have not been fully investigated. This is technically challenging due to the complex thermo-fluid-mechanical energy conversion processes which introduce multiple time-scale dynamics and strong nonlinearity into the analysis. To tackle this problem, this paper proposes a simplified model which can predict the coupled thermal and electric output dynamics of microturbines. Considering the time-scale difference of various dynamic processes occuring within microturbines, the electromechanical subsystem is treated as a fast quasi-linear process while the thermo-mechanical subsystem is treated as a slow process with high nonlinearity. A three-stage subspace identification method is utilized to capture the dominant dynamics and predict the electric power output. For the thermo-mechanical process, a radial basis function model trained by the particle swarm optimization method is employed to handle the strong nonlinear characteristics. Experimental tests on a Capstone C30 microturbine show that the proposed modeling method can well capture the system dynamics and produce a good prediction of the coupled thermal and electric outputs in various operating modes.

Design and Flux-Weakening Control of an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicles

Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) provide a competitive technology for EV traction drives owing to their high power density and high efficiency. In this paper, three types of interior PMSMs with different PM arrangements are modeled by the finite element method (FEM). For a given amount of permanent magnet materials, the V-shape interior PMSM is found better than the U-shape and the conventional rotor topologies for EV traction drives. Then the V-shape interior PMSM is further analyzed with the effects of stator slot opening and the permanent magnet pole chamfering on cogging torque and output torque performance. A vector-controlled flux-weakening method is developed and simulated in Matlab to expand the motor speed range for EV drive system. The results show good dynamic and steady-state performance with a capability of expanding speed up to four times of the rated. A prototype of the V-shape interior PMSM is also manufactured and tested to validate the numerical models built by the FEM.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Conception d’un mécanisme déployable à grand ratio d’expansion et de son système d’actionnement par roues d’inertie pour applications spatiales

Cette thèse propose de développer des mécanismes déployables pour applications spatiales ainsi que des modes d’actionnement permettant leur déploiement et le contrôle de l’orientation en orbite de l’engin spatial les supportant. L’objectif étant de permettre le déploiement de surfaces larges pour des panneaux solaires, coupoles de télécommunication ou sections de station spatiale, une géométrie plane simple en triangle est retenue afin de pouvoir être assemblée en différents types de surfaces. Les configurations à membrures rigides proposées dans la littérature pour le déploiement de solides symétriques sont optimisées et adaptées à l’expansion d’une géométrie ouverte, telle une coupole. L’optimisation permet d’atteindre un ratio d’expansion plan pour une seule unité de plus de 5, mais présente des instabilités lors de l’actionnement d’un prototype. Le principe de transmission du mouvement d’un étage à l’autre du mécanisme est revu afin de diminuer la sensibilité des performances du mécanisme à la géométrie de ses membrures internes. Le nouveau modèle, basé sur des courroies crantées, permet d’atteindre des ratios d’expansion plans supérieurs à 20 dans certaines configurations. L’effet des principaux facteurs géométriques de conception est étudié afin d’obtenir une relation simple d’optimisation du mécanisme plan pour adapter ce dernier à différents contextes d’applications. La géométrie identique des faces triangulaires de chaque surface déployée permet aussi l’empilement de ces faces pour augmenter la compacité du mécanisme. Une articulation spécialisée est conçue afin de permettre le dépliage des faces puis leur déploiement successivement. Le déploiement de grandes surfaces ne se fait pas sans influencer lourdement l’orientation et potentiellement la trajectoire de l’engin spatial, aussi, différentes stratégies de contrôle de l’orientation novatrices sont proposées. Afin de tirer profit d’une grande surface, l’actionnement par masses ponctuelles en périphérie du mécanisme est présentée, ses équations dynamiques sont dérivées et simulées pour en observer les performances. Celles-ci démontrent le potentiel de cette stratégie de réorientation, sans obstruction de l’espace central du satellite de base, mais les performances restent en deçà de l’effet d’une roue d’inertie de masse équivalente. Une stratégie d’actionnement redondant par roue d’inertie est alors présentée pour différents niveaux de complexité de mécanismes dont toutes les articulations sont passives, c’est-à-dire non actionnées. Un mécanisme à quatre barres plan est simulé en boucle fermée avec un contrôleur simple pour valider le contrôle d’un mécanisme ciseau commun. Ces résultats sont étendus à la dérivation des équations dynamiques d’un mécanisme sphérique à quatre barres, qui démontre le potentiel de l’actionnement par roue d’inertie pour le contrôle de la configuration et de l’orientation spatiale d’un tel mécanisme. Un prototype à deux corps ayant chacun une roue d’inertie et une seule articulation passive les reliant est réalisé et contrôlé grâce à un suivi par caméra des modules. Le banc d’essai est détaillé, ainsi que les défis que l’élimination des forces externes ont représenté dans sa conception. Les résultats montrent que le système est contrôlable en orientation et en configuration. La thèse se termine par une étude de cas pour l’application des principaux systèmes développés dans cette recherche. La collecte de débris orbitaux de petite et moyenne taille est présentée comme un problème n’ayant pas encore eu de solution adéquate et posant un réel danger aux missions spatiales à venir. L’unité déployable triangulaire entraînée par courroies est dupliquée de manière à former une coupole de plusieurs centaines de mètres de diamètre et est proposée comme solution pour capturer et ralentir ces catégories de débris. Les paramètres d’une mission à cette fin sont détaillés, ainsi que le potentiel de réorientation que les roues d’inertie permettent en plus du contrôle de son déploiement. Près de 2000 débris pourraient être retirés en moins d’un an en orbite basse à 819 km d’altitude.

Comparative performance analysis of drives for induction motors

The asynchronous polyphase induction motor has been the motor of choice in industrial settings for about the past half century because power electronics can be used to control its output behavior. Before that, the dc motor was widely used because of its easy speed and torque controllability. The two main reasons why this might be are its ruggedness and low cost. The induction motor is a rugged machine because it is brushless and has fewer internal parts that need maintenance or replacement. This makes it low cost in comparison to other motors, such as the dc motor. Because of these facts, the induction motor and drive system have been gaining market share in industry and even in alternative applications such as hybrid electric vehicles and electric vehicles. The subject of this thesis is to ascertain various control algorithms’ advantages and disadvantages and give recommendations for their use under certain conditions and in distinct applications. Four drives will be compared as fairly as possible by comparing their parameter sensitivities, dynamic responses, and steady-state errors. Different switching techniques are used to show that the motor drive is separate from the switching scheme; changing the switching scheme produces entirely different responses for each motor drive.

Secure, dynamic and distributed access control stack for database applications

In database applications, access control security layers are mostly developed from tools provided by vendors of database management systems and deployed in the same servers containing the data to be protected. This solution conveys several drawbacks. Among them we emphasize: 1) if policies are complex, their enforcement can lead to performance decay of database servers; 2) when modifications in the established policies implies modifications in the business logic (usually deployed at the client-side), there is no other possibility than modify the business logic in advance and, finally, 3) malicious users can issue CRUD expressions systematically against the DBMS expecting to identify any security gap. In order to overcome these drawbacks, in this paper we propose an access control stack characterized by: most of the mechanisms are deployed at the client-side; whenever security policies evolve, the security mechanisms are automatically updated at runtime and, finally, client-side applications do not handle CRUD expressions directly. We also present an implementation of the proposed stack to prove its feasibility. This paper presents a new approach to enforce access control in database applications, this way expecting to contribute positively to the state of the art in the field.

Secure, dynamic and distributed access control stack for database applications

In database applications, access control security layers are mostly developed from tools provided by vendors of database management systems and deployed in the same servers containing the data to be protected. This solution conveys several drawbacks. Among them we emphasize: (1) if policies are complex, their enforcement can lead to performance decay of database servers; (2) when modifications in the established policies implies modifications in the business logic (usually deployed at the client-side), there is no other possibility than modify the business logic in advance and, finally, 3) malicious users can issue CRUD expressions systematically against the DBMS expecting to identify any security gap. In order to overcome these drawbacks, in this paper we propose an access control stack characterized by: most of the mechanisms are deployed at the client-side; whenever security policies evolve, the security mechanisms are automatically updated at runtime and, finally, client-side applications do not handle CRUD expressions directly. We also present an implementation of the proposed stack to prove its feasibility. This paper presents a new approach to enforce access control in database applications, this way expecting to contribute positively to the state of the art in the field.

Controle de sistema não linear de separação gás/líquido sob ação de efeitos transientes fluídicos por sliding control

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.