The impact of architectural uncertainty on product introduction in dispersed environments

This research addresses product introduction dispersed across locations and companies. Mechanisms appropriate to integrate activities in collocated teams may not serve dispersed teams well. A semiconductor design licensor was studied in depth to explore how dispersed product introduction varies with uncertainty. We found that autonomous teams focused on sub-products (micro-products) were used rather than cross-functional teams in departments with high architectural uncertainty. Both types of teams were effectively dispersed across locations and companies. This suggests that small high-technology companies may find it easier to expand into new geographies and product lines than was previously believed.

Limits and tradeoffs in the control of autocatalytic systems

Despite the complexity of biological networks, we find that certain common architectures govern network structures. These architectures impose fundamental constraints on system performance and create tradeoffs that the system must balance in the face of uncertainty in the environment. This means that while a system may be optimized for a specific function through evolution, the optimal achievable state must follow these constraints. One such constraining architecture is autocatalysis, as seen in many biological networks including glycolysis and ribosomal protein synthesis. Using a minimal model, we show that ATP autocatalysis in glycolysis imposes stability and performance constraints and that the experimentally well-studied glycolytic oscillations are in fact a consequence of a tradeoff between error minimization and stability. We also show that additional complexity in the network results in increased robustness. Ribosome synthesis is also autocatalytic where ribosomes must be used to make more ribosomal proteins. When ribosomes have higher protein content, the autocatalysis is increased. We show that this autocatalysis destabilizes the system, slows down response, and also constrains the system’s performance. On a larger scale, transcriptional regulation of whole organisms also follows architectural constraints and this can be seen in the differences between bacterial and yeast transcription networks. We show that the degree distributions of bacterial transcription network follow a power law distribution while the yeast network follows an exponential distribution. We then explored the evolutionary models that have previously been proposed and show that neither the preferential linking model nor the duplication-divergence model of network evolution generates the power-law, hierarchical structure found in bacteria. However, in real biological systems, the generation of new nodes occurs through both duplication and horizontal gene transfers, and we show that a biologically reasonable combination of the two mechanisms generates the desired network.

Long Run Demand for Energy Services: the Role of Economic and Technological Development

36 p.

Análise da aplicação do regulamento técnico da qualidade do nível de eficiência energética no prédio do IBAM

A racionalização do uso da energia elétrica nas edificações é um assunto atual e de grande importância face ao grande impacto ambiental produzido. O consumo de energia elétrica no Brasil nas edificações residenciais, comerciais, de serviços e públicas é bastante significativo. Calcula-se que quase 50% da energia elétrica produzida no país seja consumida não só na operação e manutenção das edificações como também nos sistemas artificiais, que proporcionam conforto ambiental para seus usuários como iluminação, climatização e aquecimento de água. O Regulamento Técnico de Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais e Serviços e Públicos, RQT-C do INMETRO surge como uma contribuição à etiquetagem do nível de eficiência energética das edificações de uso coletivo. Para a determinação da eficiência são considerados três requisitos: envoltória da edificação, sistema de iluminação e sistema de condicionamento de ar. Todos os requisitos têm cinco níveis de eficiência que variam de A (mais eficiente) até E (menos eficiente), que associados com algumas bonificações (uso da energia solar, ventilação natural, etc.) tornam possível a atribuição de uma classificação geral para o edifício em seu todo. Neste trabalho objetivou-se avaliar esse desempenho energético para o prédio do Instituto Brasileiro de Adminstração Municipal -IBAM, situado na cidade do Rio de Janeiro, de concepção modernista. Foi mostrado como as decisões arquitetônicas tomadas e o uso da ventilação natural podem influenciar na avaliação de sua eficiência energética.

Sistemas fotovoltaicos integrados ao perfil de uso da edificação

Nos últimos anos, o consumo de energia vem crescendo mundialmente nos grandes centros urbanos, e esforços na área de eficiência energética estão sendo implantados, a fim de reduzir o consumo no horário da ponta e interrupções da rede. O aproveitamento das fontes renováveis, como o fotovoltaico em uma edificação se torna um atrativo a mais para a matriz energética num momento em que o país prima pela universalização dos serviços de energia e a classificação de edifícios comerciais, de serviço e públicos, além dos residenciais quanto à eficiência energética através do Procel Edifica (RTQ-C e RTQ-R). Os sistemas fotovoltaicos podem configurar perfis de uso nas edificações de modo a gerar energia para consumo próprio ou ligado à rede e ainda ter influência na arquitetura do prédio com revestimento: os perfis podem está em telhados, fachadas ou janelas, amenizando em alguns casos a carga térmica no prédio com sombreamento arquitetônico. Hoje, com o avanço da tecnologia no setor de armazenagem é possível, o atendimento com segurança e eficiência a uma edificação ou direcionar esta armazenagem a uma demanda específica como o atendimento à demanda de ciclo profundo, tais como, iluminação externa e recarga de veículos elétricos. Partindo da premissa de sistemas interruptos de energia, UPS, uso de fonte secundária como FV, baterias e Flywheel é apresentado uma forma de melhor gerenciar a energia armazenada, podendo estender a vida útil da bateria e conseqüentemente de todo o sistema fotovoltaico na edificação. Esta forma de armazenar energia proporciona um serviço de uso contínuo sem percepção das interrupções da rede com garantia de 20 anos, tal qual o módulo fotovoltaico, com esta proposta as perdas de energia elétrica na edificação serão atenuadas, pois a eletricidade será utilizada de forma eficiente e inteligente. O ponto de partida do estudo de caso no prédio do IBAM são os sistemas fotovoltaicos com geração distribuída (mini-redes) conectados à rede que são instalados para fornecer energia ao consumidor, complementando a quantidade de energia demandada, caso haja algum aumento do consumo de energia na edificação, ou ainda utilizar o sistema fotovoltaico na hora da ponta e interrupções do sistema da rede no período fora da ponta. A estocagem inercial por meio do Flywheel tem um papel fundamental nesta mini-rede (Flywheel, bateria VRLA, UPS, inversor e STS), pois a sua utilização pode ser apontada como uma inovação tecnológica quanto à regulação de tensão no sistema de energia elétrica, além de preparar a edificação para o smart-grid. Esta configuração de acumulação de energia permitiu a analise do deslocamento desta energia armazenada para o consumo no horário de ponta, mudando o conceito de sistemas fotovoltaicos autônomos no meio urbano e rural no país. Este conceito de armazenagem se confirma então como um aporte na eficiência de energia na edificação, podendo carrear economia de energia substancial, além de proporcionar uma confiabilidade no serviço de energia, com um baixo retorno do investimento e com uma garantia de funcionamento com pequena ou nenhuma manutenção durante o período de vida de 20 anos.

Distributed Optimal Control of Cyber-Physical Systems: Controller Synthesis, Architecture Design and System Identification

The centralized paradigm of a single controller and a single plant upon which modern control theory is built is no longer applicable to modern cyber-physical systems of interest, such as the power-grid, software defined networks or automated highways systems, as these are all large-scale and spatially distributed. Both the scale and the distributed nature of these systems has motivated the decentralization of control schemes into local sub-controllers that measure, exchange and act on locally available subsets of the globally available system information. This decentralization of control logic leads to different decision makers acting on asymmetric information sets, introduces the need for coordination between them, and perhaps not surprisingly makes the resulting optimal control problem much harder to solve. In fact, shortly after such questions were posed, it was realized that seemingly simple decentralized optimal control problems are computationally intractable to solve, with the Wistenhausen counterexample being a famous instance of this phenomenon. Spurred on by this perhaps discouraging result, a concerted 40 year effort to identify tractable classes of distributed optimal control problems culminated in the notion of quadratic invariance, which loosely states that if sub-controllers can exchange information with each other at least as quickly as the effect of their control actions propagates through the plant, then the resulting distributed optimal control problem admits a convex formulation.

The identification of quadratic invariance as an appropriate means of "convexifying" distributed optimal control problems led to a renewed enthusiasm in the controller synthesis community, resulting in a rich set of results over the past decade. The contributions of this thesis can be seen as being a part of this broader family of results, with a particular focus on closing the gap between theory and practice by relaxing or removing assumptions made in the traditional distributed optimal control framework. Our contributions are to the foundational theory of distributed optimal control, and fall under three broad categories, namely controller synthesis, architecture design and system identification.

We begin by providing two novel controller synthesis algorithms. The first is a solution to the distributed H-infinity optimal control problem subject to delay constraints, and provides the only known exact characterization of delay-constrained distributed controllers satisfying an H-infinity norm bound. The second is an explicit dynamic programming solution to a two player LQR state-feedback problem with varying delays. Accommodating varying delays represents an important first step in combining distributed optimal control theory with the area of Networked Control Systems that considers lossy channels in the feedback loop. Our next set of results are concerned with controller architecture design. When designing controllers for large-scale systems, the architectural aspects of the controller such as the placement of actuators, sensors, and the communication links between them can no longer be taken as given -- indeed the task of designing this architecture is now as important as the design of the control laws themselves. To address this task, we formulate the Regularization for Design (RFD) framework, which is a unifying computationally tractable approach, based on the model matching framework and atomic norm regularization, for the simultaneous co-design of a structured optimal controller and the architecture needed to implement it. Our final result is a contribution to distributed system identification. Traditional system identification techniques such as subspace identification are not computationally scalable, and destroy rather than leverage any a priori information about the system's interconnection structure. We argue that in the context of system identification, an essential building block of any scalable algorithm is the ability to estimate local dynamics within a large interconnected system. To that end we propose a promising heuristic for identifying the dynamics of a subsystem that is still connected to a large system. We exploit the fact that the transfer function of the local dynamics is low-order, but full-rank, while the transfer function of the global dynamics is high-order, but low-rank, to formulate this separation task as a nuclear norm minimization problem. Finally, we conclude with a brief discussion of future research directions, with a particular emphasis on how to incorporate the results of this thesis, and those of optimal control theory in general, into a broader theory of dynamics, control and optimization in layered architectures.