Avaliação dos algoritmos de Picard-Krylov e Newton-Krylov na solução da equação de Richards

A engenharia geotécnica é uma das grandes áreas da engenharia civil que estuda a interação entre as construções realizadas pelo homem ou de fenômenos naturais com o ambiente geológico, que na grande maioria das vezes trata-se de solos parcialmente saturados. Neste sentido, o desempenho de obras como estabilização, contenção de barragens, muros de contenção, fundações e estradas estão condicionados a uma correta predição do fluxo de água no interior dos solos. Porém, como a área das regiões a serem estudas com relação à predição do fluxo de água são comumente da ordem de quilômetros quadrados, as soluções dos modelos matemáticos exigem malhas computacionais de grandes proporções, ocasionando sérias limitações associadas aos requisitos de memória computacional e tempo de processamento. A fim de contornar estas limitações, métodos numéricos eficientes devem ser empregados na solução do problema em análise. Portanto, métodos iterativos para solução de sistemas não lineares e lineares esparsos de grande porte devem ser utilizados neste tipo de aplicação. Em suma, visto a relevância do tema, esta pesquisa aproximou uma solução para a equação diferencial parcial de Richards pelo método dos volumes finitos em duas dimensões, empregando o método de Picard e Newton com maior eficiência computacional. Para tanto, foram utilizadas técnicas iterativas de resolução de sistemas lineares baseados no espaço de Krylov com matrizes pré-condicionadoras com a biblioteca numérica Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computation (PETSc). Os resultados indicam que quando se resolve a equação de Richards considerando-se o método de PICARD-KRYLOV, não importando o modelo de avaliação do solo, a melhor combinação para resolução dos sistemas lineares é o método dos gradientes biconjugados estabilizado mais o pré-condicionador SOR. Por outro lado, quando se utiliza as equações de van Genuchten deve ser optar pela combinação do método dos gradientes conjugados em conjunto com pré-condicionador SOR. Quando se adota o método de NEWTON-KRYLOV, o método gradientes biconjugados estabilizado é o mais eficiente na resolução do sistema linear do passo de Newton, com relação ao pré-condicionador deve-se dar preferência ao bloco Jacobi. Por fim, há evidências que apontam que o método PICARD-KRYLOV pode ser mais vantajoso que o método de NEWTON-KRYLOV, quando empregados na resolução da equação diferencial parcial de Richards.

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.

Implementação paralela de um código de elementos finitos em 2D para as Equações de Navier-Stokes para fluidos incompressíveis com transporte de escalares.

O estudo do fluxo de água e do transporte escalar em reservatórios hidrelétricos é importante para a determinação da qualidade da água durante as fases iniciais do enchimento e durante a vida útil do reservatório. Neste contexto, um código de elementos finitos paralelo 2D foi implementado para resolver as equações de Navier-Stokes para fluido incompressível acopladas a transporte escalar, utilizando o modelo de programação de troca de mensagens, a fim de realizar simulações em um ambiente de cluster de computadores. A discretização espacial é baseada no elemento MINI, que satisfaz as condições de Babuska-Brezzi (BB), que permite uma formulação mista estável. Todas as estruturas de dados distribuídos necessárias nas diferentes fases do código, como pré-processamento, solução e pós-processamento, foram implementadas usando a biblioteca PETSc. Os sistemas lineares resultantes foram resolvidos usando o método da projeção discreto com fatoração LU por blocos. Para aumentar o desempenho paralelo na solução dos sistemas lineares, foi empregado o método de condensação estática para resolver a velocidade intermediária nos vértices e no centróide do elemento MINI separadamente. Os resultados de desempenho do método de condensação estática com a abordagem da solução do sistema completo foram comparados. Os testes mostraram que o método de condensação estática apresenta melhor desempenho para grandes problemas, às custas de maior uso de memória. O desempenho de outras partes do código também são apresentados.

Construção de quadrados mágicos pelo método do passo uniforme

Lehmer (1929) analisa matematicamente o método do passo uniforme para construção de quadrados mágicos de ordem impar. Ele divide sua análise em várias etapas. Na primeira delas, envolvendo a discussão de condições necessárias e suficientes para o preenchimento do quadrado pelo método, o autor afirma que se dois números guardarem entre si uma certa relação, eles serão designados a ocupar a mesma célula do quadrado causando seu não preenchimento. A análise do preenchimento pelo método do passo uniforme envolve a resolução de um sistema linear módulo n. Nesse trabalho, discutimos o comportamento das soluções desse sistema quando o método falha no preenchimento. Como consequência, concluímos que números que guardam a relação mencionada nunca ocupam a mesma célula. A análise das condições necessárias e suficientes para obter quadrados mágicos segundo a definição de Lehmer (1929) envolve a resolução de equações de congruências lineares a duas variáveis. Nesse trabalho, detalhamos os resultados de Lehmer (1929). A análise das condições necessárias e suficientes para obtenção de quadrados mágicos, como são reconhecidos usualmente, também envolve a resolução de equações de congruências lineares a duas variáveis. Discutimos o comportamento das soluções dessas equações para obter diagonais principais mágicas. Como consequência, mostramos que diagonais principais mágicas são obtidas se e somente se as coordenadas iniciais guardarem certas relações

Fast L0-based sparse signal recovery

This paper develops an algorithm for finding sparse signals from limited observations of a linear system. We assume an adaptive Gaussian model for sparse signals. This model results in a least square problem with an iteratively reweighted L2 penalty that approximates the L0-norm. We propose a fast algorithm to solve the problem within a continuation framework. In our examples, we show that the correct sparsity map and sparsity level are gradually learnt during the iterations even when the number of observations is reduced, or when observation noise is present. In addition, with the help of sophisticated interscale signal models, the algorithm is able to recover signals to a better accuracy and with reduced number of observations than typical L1-norm and reweighted L1 norm methods. ©2010 IEEE.

Optimal constraint tightening policies for robust variable horizon model predictive control

This paper develops a technique for improving the region of attraction of a robust variable horizon model predictive controller. It considers a constrained discrete-time linear system acted upon by a bounded, but unknown time-varying state disturbance. Using constraint tightening for robustness, it is shown how the tightening policy, parameterised as direct feedback on the disturbance, can be optimised to increase the volume of an inner approximation to the controller's true region of attraction. Numerical examples demonstrate the benefits of the policy in increasing region of attraction volume and decreasing the maximum prediction horizon length. © 2012 IEEE.

An Arbitrary Lagrangian Eulerian Method for Three-Phase Flows with Triple Junction Points

We present a moving mesh method suitable for solving two-dimensional and axisymmetric three-liquid flows with triple junction points. This method employs a body-fitted unstructured mesh where the interfaces between liquids are lines of the mesh system, and the triple junction points (if exist) are mesh nodes. To enhance the accuracy and the efficiency of the method, the mesh is constantly adapted to the evolution of the interfaces by refining and coarsening the mesh locally; dynamic boundary conditions on interfaces, in particular the triple points, are therefore incorporated naturally and accurately in a Finite- Element formulation. In order to allow pressure discontinuity across interfaces, double-values of pressure are necessary for interface nodes and triple-values of pressure on triple junction points. The resulting non-linear system of mass and momentum conservation is then solved by an Uzawa method, with the zero resultant condition on triple points reinforced at each time step. The method is used to investigate the rising of a liquid drop with an attached bubble in a lighter liquid.

Trading the stability of finite zeros for global stabilization of nonlinear cascade systems

This note analyzes the stabilizability properties of nonlinear cascades in which a nonminimum phase linear system is interconnected through its output to a Stable nonlinear system. It is shown that the instability of the zeros of the linear System can be traded with the stability of the nonlinear system up to a limit fixed by the growth properties of the cascade interconnection term. Below this limit, global stabilization is achieved by smooth static-state feedback. Beyond this limit, various examples illustrate that controllability of the cascade may be lost, making it impossible to achieve large regions of attractions.

Trading the stability of finite zeros for global stabilization of nonlinear cascade systems

This paper analyzes the stabilizability properties of nonlinear cascades in which a nonminimum phase linear system is interconnected through its output to a stable nonlinear system. It is shown that the instability of the zeros of the linear system can be traded with the stability of the nonlinear system up to a limit fixed by the growth properties of the cascade interconnection term. Below this limit, global stabilization is achieved by smooth static state feedback. Beyond this limit, various examples illustrate that controllability of the cascade may be lost, making it impossible to achieve large regions of attractions.

Parallel Fully-Implicit Computation of Magnetohydrodynamics Acceleration Experiments

A three-dimensional MHD solver is described in the paper. The solver simulates reacting flows with nonequilibrium between translational-rotational, vibrational and electron translational modes. The conservation equations are discretized with implicit time marching and the second-order modified Steger-Warming scheme, and the resulted linear system is solved iteratively with Newton-Krylov-Schwarz method that is implemented by PETS,: package. The results of convergence tests arc plotted, which show good scalability and convergence around twice faster when compared with the DPLR method. Then five test runs are conducted simulating the experiments done at the NASA Ames MHD channel, and the calculated pressures, temperatures, electrical conductivity, back EMF, load factors and flow accelerations are shown to agree with the experimental data. Our computation shows that the electrical conductivity distribution is not uniform in the powered section of the MHD channel, and that it is important to include Joule heating in order to calculate the correct conductivity and the MHD acceleration.

Robust Learning Control for Manipulators with Uncertainty Disturbances Based on Internal Model

In this paper, a disturbance controller is designed for making robotic system behave as a decoupled linear system according to the concept of internal model. Based on the linear system, the paper presents an iterative learning control algorithm to robotic manipulators. A sufficient condition for convergence is provided. The selection of parameter values of the algorithm is simple and easy to meet the convergence condition. The simulation results demonstrate the effectiveness of the algorithm..

Mermera: Non-Coherent Distributed Shared Memory for Parallel Computing

The proliferation of inexpensive workstations and networks has prompted several researchers to use such distributed systems for parallel computing. Attempts have been made to offer a shared-memory programming model on such distributed memory computers. Most systems provide a shared-memory that is coherent in that all processes that use it agree on the order of all memory events. This dissertation explores the possibility of a significant improvement in the performance of some applications when they use non-coherent memory. First, a new formal model to describe existing non-coherent memories is developed. I use this model to prove that certain problems can be solved using asynchronous iterative algorithms on shared-memory in which the coherence constraints are substantially relaxed. In the course of the development of the model I discovered a new type of non-coherent behavior called Local Consistency. Second, a programming model, Mermera, is proposed. It provides programmers with a choice of hierarchically related non-coherent behaviors along with one coherent behavior. Thus, one can trade-off the ease of programming with coherent memory for improved performance with non-coherent memory. As an example, I present a program to solve a linear system of equations using an asynchronous iterative algorithm. This program uses all the behaviors offered by Mermera. Third, I describe the implementation of Mermera on a BBN Butterfly TC2000 and on a network of workstations. The performance of a version of the equation solving program that uses all the behaviors of Mermera is compared with that of a version that uses coherent behavior only. For a system of 1000 equations the former exhibits at least a 5-fold improvement in convergence time over the latter. The version using coherent behavior only does not benefit from employing more than one workstation to solve the problem while the program using non-coherent behavior continues to achieve improved performance as the number of workstations is increased from 1 to 6. This measurement corroborates our belief that non-coherent shared memory can be a performance boon for some applications.

Bridge-vehicle interaction for structural health monitoring: potentials, applications, and limitations

Structural Health Monitoring (SHM) is an integral part of infrastructure maintenance and management systems due to socio-economic, safety and security reasons. The behaviour of a structure under vibration depends on structure characteristics. The change of structure characteristics may suggest the change in system behaviour due to the presence of damage(s) within. Therefore the consistent, output signal guided, and system dependable markers would be convenient tool for the online monitoring, the maintenance, rehabilitation strategies, and optimized decision making policies as required by the engineers, owners, managers, and the users from both safety and serviceability aspects. SHM has a very significant advantage over traditional investigations where tangible and intangible costs of a very high degree are often incurred due to the disruption of service. Additionally, SHM through bridge-vehicle interaction opens up opportunities for continuous tracking of the condition of the structure. Research in this area is still in initial stage and is extremely promising. This PhD focuses on using bridge-vehicle interaction response for SHM of damaged or deteriorating bridges to monitor or assess them under operating conditions. In the present study, a number of damage detection markers have been investigated and proposed in order to identify the existence, location, and the extent of an open crack in the structure. The theoretical and experimental investigation has been conducted on Single Degree of Freedom linear system, simply supported beams. The novel Delay Vector Variance (DVV) methodology has been employed for characterization of structural behaviour by time-domain response analysis. Also, the analysis of responses of actual bridges using DVV method has been for the first time employed for this kind of investigation.

Signal restoration from band-pass filtered data

The restoration problem for a band-pass linear system is examined in the case the input signal is weighted by a profile function. The singular system is evaluated analytically for three different forms of the profile function. An example of restoration process is presented.