Stochastic optimal control

H. J. Kushner has obtained the differential equation satisfied by the optimal feedback control law for a stochastic control system in which the plant dynamics and observations are perturbed by independent additive Gaussian white noise processes. However, the differentiation includes the first and second functional derivatives and, except for a restricted set of systems, is too complex to solve with present techniques.

This investigation studies the optimal control law for the open loop system and incorporates it in a sub-optimal feedback control law. This suboptimal control law's performance is at least as good as that of the optimal control function and satisfies a differential equation involving only the first functional derivative. The solution of this equation is equivalent to solving two two-point boundary valued integro-partial differential equations. An approximate solution has advantages over the conventional approximate solution of Kushner's equation.

As a result of this study, well known results of deterministic optimal control are deduced from the analysis of optimal open loop control.

Equilibration of a liquid droplet-vapor-gas mixture downstream of a shock wave

The equations of motion for the flow of a mixture of liquid droplets, their vapor, and an inert gas through a normal shock wave are derived. A set of equations is obtained which is solved numerically for the equilibrium conditions far downstream of the shock. The equations describing the process of reaching equilibrium are also obtained. This is a set of first-order nonlinear differential equations and must also be solved numerically. The detailed equilibration process is obtained for several cases and the results are discussed.

Spectral density of first order Piecewise linear systems excited by white noise

The Fokker-Planck (FP) equation is used to develop a general method for finding the spectral density for a class of randomly excited first order systems. This class consists of systems satisfying stochastic differential equations of form ẋ + f(x) = m/Ʃ/j = 1 h_j(x)n_j(t) where f and the h_j are piecewise linear functions (not necessarily continuous), and the n_j are stationary Gaussian white noise. For such systems, it is shown how the Laplace-transformed FP equation can be solved for the transformed transition probability density. By manipulation of the FP equation and its adjoint, a formula is derived for the transformed autocorrelation function in terms of the transformed transition density. From this, the spectral density is readily obtained. The method generalizes that of Caughey and Dienes, J. Appl. Phys., 32.11.

This method is applied to 4 subclasses: (1) m = 1, h₁ = const. (forcing function excitation); (2) m = 1, h₁ = f (parametric excitation); (3) m = 2, h₁ = const., h₂ = f, n₁ and n₂ correlated; (4) the same, uncorrelated. Many special cases, especially in subclass (1), are worked through to obtain explicit formulas for the spectral density, most of which have not been obtained before. Some results are graphed.

Dealing with parametrically excited first order systems leads to two complications. There is some controversy concerning the form of the FP equation involved (see Gray and Caughey, J. Math. Phys., 44.3); and the conditions which apply at irregular points, where the second order coefficient of the FP equation vanishes, are not obvious but require use of the mathematical theory of diffusion processes developed by Feller and others. These points are discussed in the first chapter, relevant results from various sources being summarized and applied. Also discussed is the steady-state density (the limit of the transition density as t → ∞).

Theoretical investigation of turbulent boundary layer over a wavy surface

The important features of the two-dimensional incompressible turbulent flow over a wavy surface of wavelength comparable with the boundary layer thickness are analyzed.

A turbulent field method using model equation for turbulent shear stress similar to the scheme of Bradshaw, Ferriss and Atwell (1967) is employed with suitable modification to cover the viscous sublayer. The governing differential equations are linearized based on the small but finite amplitude to wavelength ratio. An orthogonal wavy coordinate system, accurate to the second order in the amplitude ratio, is adopted to avoid the severe restriction to the validity of linearization due to the large mean velocity gradient near the wall. Analytic solution up to the second order is obtained by using the method of matched-asymptotic-expansion based on the large Reynolds number and hence the small skin friction coefficient.

In the outer part of the layer, the perturbed flow is practically "inviscid." Solutions for the velocity, Reynolds stress and also the wall pressure distributions agree well with the experimental measurement. In the wall region where the perturbed Reynolds stress plays an important role in the process of momentum transport, only a qualitative agreement is obtained. The results also show that the nonlinear second-order effect is negligible for amplitude ratio of 0.03. The discrepancies in the detailed structure of the velocity, shear stress, and skin friction distributions near the wall suggest modifications to the model are required to describe the present problem.

Surface effects in simple molecular systems

This thesis examines two problems concerned with surface effects in simple molecular systems. The first is the problem associated with the interaction of a fluid with a solid boundary, and the second originates from the interaction of a liquid with its own vapor.

For a fluid in contact with a solid wall, two sets of integro-differential equations, involving the molecular distribution functions of the system, are derived. One of these is a particular form of the well-known Bogolyubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon equations. For the second set, the derivation, in contrast with the formulation of the B.B.G.K.Y. hierarchy, is independent of the pair-potential assumption. The density of the fluid, expressed as a power series in the uniform fluid density, is obtained by solving these equations under the requirement that the wall be ideal.

The liquid-vapor interface is analyzed with the aid of equations that describe the density and pair-correlation function. These equations are simplified and then solved by employing the superposition and the low vapor density approximations. The solutions are substituted into formulas for the surface energy and surface tension, and numerical results are obtained for selected systems. Finally, the liquid-vapor system near the critical point is examined by means of the lowest order B.B.G.K.Y. equation.

Properties of convergence of a class of iterative processes generated by sequences of self-mappings with applications to switched dynamic systems

This article investigates the convergence properties of iterative processes involving sequences of self-mappings of metric or Banach spaces. Such sequences are built from a set of primary self-mappings which are either expansive or non-expansive self-mappings and some of the non-expansive ones can be contractive including the case of strict contractions. The sequences are built subject to switching laws which select each active self-mapping on a certain activation interval in such a way that essential properties of boundedness and convergence of distances and iterated sequences are guaranteed. Applications to the important problem of stability of dynamic switched systems are also given.

色散管理孤子传输特性分析

色散管理孤子光波系统的色散图周期由具有正负色散值的两段光纤组成，并且在系统中周期性放置集中放大器及滤波器装置。采用变分法获得了描述此种系统性能的常微分方程组，并利用这组方程数值研究了各种参量对孤子传输性能的影响。研究结果表明，虽然从整体趋势上看，当要求色散管理孤子有较好的稳定性时，应适当降低系统的色散管理强度，但在一定条件下，调整光纤放大器的位置以及正负色散光纤的色散差值，可同时获得相对较大的色散管理强度和好的孤子稳定性；总体来讲，集总放大器的位置会对孤子传输的稳定性、色散管理孤子的能量增强因子、脉冲最佳

Modelagem e simulação da propagação de ondas em barras não homogêneas envolvendo materiais elásticos não lineares.

O objetivo deste trabalho é tratar da simulação do fenômeno de propagação de ondas em uma haste heterogênea elástico, composta por dois materiais distintos (um linear e um não-linear), cada um deles com a sua própria velocidade de propagação da onda. Na interface entre estes materiais existe uma descontinuidade, um choque estacionário, devido ao salto das propriedades físicas. Empregando uma abordagem na configuração de referência, um sistema não-linear hiperbólico de equações diferenciais parciais, cujas incógnitas são a velocidade e a deformação, descrevendo a resposta dinâmica da haste heterogénea. A solução analítica completa do problema de Riemann associado são apresentados e discutidos.

Uma formulação implícita para o método Smoothed Particle Hydrodynamics

Em uma grande gama de problemas físicos, governados por equações diferenciais, muitas vezes é de interesse obter-se soluções para o regime transiente e, portanto, deve-se empregar técnicas de integração temporal. Uma primeira possibilidade seria a de aplicar-se métodos explícitos, devido à sua simplicidade e eficiência computacional. Entretanto, esses métodos frequentemente são somente condicionalmente estáveis e estão sujeitos a severas restrições na escolha do passo no tempo. Para problemas advectivos, governados por equações hiperbólicas, esta restrição é conhecida como a condição de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL). Quando temse a necessidade de obter soluções numéricas para grandes períodos de tempo, ou quando o custo computacional a cada passo é elevado, esta condição torna-se um empecilho. A fim de contornar esta restrição, métodos implícitos, que são geralmente incondicionalmente estáveis, são utilizados. Neste trabalho, foram aplicadas algumas formulações implícitas para a integração temporal no método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) de modo a possibilitar o uso de maiores incrementos de tempo e uma forte estabilidade no processo de marcha temporal. Devido ao alto custo computacional exigido pela busca das partículas a cada passo no tempo, esta implementação só será viável se forem aplicados algoritmos eficientes para o tipo de estrutura matricial considerada, tais como os métodos do subespaço de Krylov. Portanto, fez-se um estudo para a escolha apropriada dos métodos que mais se adequavam a este problema, sendo os escolhidos os métodos Bi-Conjugate Gradient (BiCG), o Bi-Conjugate Gradient Stabilized (BiCGSTAB) e o Quasi-Minimal Residual (QMR). Alguns problemas testes foram utilizados a fim de validar as soluções numéricas obtidas com a versão implícita do método SPH.

A simulation model of the dynamics of Peruvian anchoveta (Engraulis ringens)

The article describes the key elements of a model simulating the dynamics of the anchoveta (Engraulis ringens) in the Peruvian upwelling system (4 degrees to 14 degrees South). This model, based on coupled differential equations, is parametrized mainly using empirical data and functional relationships presented in two volumes issued by ICLARM in 1987 and 1989, and may thus be viewed as test of the hypotheses presented therein. Results to date suggest that present knowledge of mechanisms controlling the anchoveta stock is essentially consistent, and sufficient to build a model reflecting essential features of the stock biomass and recruitment dynamics.

Um metodo numerico com paralelismo no tempo para aproximar solucoes de EDPs

Este trabalho de pesquisa tem por objetivo apresentar e investigar a viabilidade de um método numérico que contempla o paralelismo no tempo. Este método numérico está associado a problemas de condição inicial e de contorno para equações diferenciais parciais (evolutivas). Diferentemente do método proposto neste trabalho, a maioria dos métodos numéricos associados a equações diferencias parciais evolutivas e tradicionalmente encontrados, contemplam apenas o paralelismo no espaço. Daí, a motivação em realizar o presente trabalho de pesquisa, buscando não somente um método com paralelismo no tempo mas, sobretudo, um método viável do ponto de vista computacional. Para isso, a implementação do esquema numérico proposto está por conta de um algoritmo paralelo escrito na linguagem C e que utiliza a biblioteca MPI. A análise dos resultados obtidos com os testes de desempenho revelam um método numérico escalável e que exige pouco nível de comunicação entre processadores.

Um modelo físico-matemático para escoamentos em meios porosos com transição insaturado-saturado.

Neste trabalho é apresentada uma nova modelagem matemática para a descrição do escoamento de um líquido incompressível através de um meio poroso rígido homogêneo e isotrópico, a partir do ponto de vista da Teoria Contínua de Misturas. O fenômeno é tratado como o movimento de uma mistura composta por três constituintes contínuos: o primeiro representando a matriz porosa, o segundo representando o líquido e o terceiro representando um gás de baixíssima densidade. O modelo proposto possibilita uma descrição matemática realista do fenômeno de transição insaturado/saturado a partir de uma combinação entre um sistema de equações diferenciais parciais e uma desigualdade. A desigualdade representa uma limitação geométrica oriunda da incompressibilidade do líquido e da rigidez do meio poroso. Alguns casos particulares são simulados e os resultados comparados com resultados clássicos, mostrando as consequências de não levar em conta as restrições inerentes ao problema.

Posicionamento aproximado do estado final para sistemas térmicos descritos pela equação do calor.

Neste trabalho, será considerado um problema de controle ótimo quadrático para a equação do calor em domínios retangulares com condição de fronteira do tipo Dirichlet é nos quais, a função de controle (dependente apenas no tempo) constitui um termo de fonte. Uma caracterização da solução ótima é obtida na forma de uma equação linear em um espaço de funções reais definidas no intervalo de tempo considerado. Em seguida, utiliza-se uma sequência de projeções em subespaços de dimensão finita para obter aproximações para o controle ótimo, o cada uma das quais pode ser gerada por um sistema linear de dimensão finita. A sequência de soluções aproximadas assim obtidas converge para a solução ótima do problema original. Finalmente, são apresentados resultados numéricos para domínios espaciais de dimensão 1.

Abordagens do tipo livre de jacobiana na simulação do escoamento de fluidos compressíveis em meios porosos

O desenvolvimento de software livre de Jacobiana para a resolução de problemas formulados por equações diferenciais parciais não-lineares é de interesse crescente para simular processos práticos de engenharia. Este trabalho utiliza o chamado algoritmo espectral livre de derivada para equações não-lineares na simulação de fluxos em meios porosos. O modelo aqui considerado é aquele empregado para descrever o deslocamento do fluido compressível miscível em meios porosos com fontes e sumidouros, onde a densidade da mistura de fluidos varia exponencialmente com a pressão. O algoritmo espectral utilizado é um método moderno para a solução de sistemas não-lineares de grande porte, o que não resolve sistemas lineares, nem usa qualquer informação explícita associados com a matriz Jacobiana, sendo uma abordagem livre de Jacobiana. Problemas bidimensionais são apresentados, juntamente com os resultados numéricos comparando o algoritmo espectral com um método de Newton inexato livre de Jacobiana. Os resultados deste trabalho mostram que este algoritmo espectral moderno é um método confiável e eficiente para a simulação de escoamentos compressíveis em meios porosos.