Range of validity of the method of averaging

Sufficient conditions are derived for the validity of approximate periodic solutions of a class of second order ordinary nonlinear differential equations. An approximate solution is defined to be valid if an exact solution exists in a neighborhood of the approximation.

Two classes of validity criteria are developed. Existence is obtained using the contraction mapping principle in one case, and the Schauder-Leray fixed point theorem in the other. Both classes of validity criteria make use of symmetry properties of periodic functions, and both classes yield an upper bound on a norm of the difference between the approximate and exact solution. This bound is used in a procedure which establishes sufficient stability conditions for the approximated solution.

Application to a system with piecewise linear restoring force (bilinear system) reveals that the approximate solution obtained by the method of averaging is valid away from regions where the response exhibits vertical tangents. A narrow instability region is obtained near one-half the natural frequency of the equivalent linear system. Sufficient conditions for the validity of resonant solutions are also derived, and two term harmonic balance approximate solutions which exhibit ultraharmonic and subharmonic resonances are studied.

Stationary random response of multidegree-of-freedom systems

An approximate approach is presented for determining the stationary random response of a general multidegree-of-freedom nonlinear system under stationary Gaussian excitation. This approach relies on defining an equivalent linear system for the nonlinear system. Two particular systems which possess exact solutions have been solved by this approach, and it is concluded that this approach can generate reasonable solutions even for systems with fairly large nonlinearities. The approximate approach has also been applied to two examples for which no exact or approximate solutions were previously available.

Also presented is a matrix algebra approach for determining the stationary random response of a general multidegree-of-freedom linear system. Its derivation involves only matrix algebra and some properties of the instantaneous correlation matricies of a stationary process. It is therefore very direct and straightforward. The application of this matrix algebra approach is in general simpler than that of commonly used approaches.

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

Precondicionadores baseados na aproximação da inversa.

Neste trabalho de dissertação apresentaremos uma classe de precondicionadores baseados na aproximação esparsa da inversa da matriz de coecientes, para a resolução de sistemas lineares esparsos de grandes portes através de métodos iterativos, mais especificamente métodos de Krylov. Para que um método de Krylov seja eficiente é extremamente necessário o uso de precondicionadores. No contexto atual, onde computadores de arquitetura híbrida são cada vez mais comuns temos uma demanda cada vez maior por precondicionadores paralelizáveis. Os métodos de inversa aproximada que serão descritos possuem aplicação paralela, pois so dependem de uma operação de produto matriz-vetor, que é altamente paralelizável. Além disso, alguns dos métodos também podem ser construídos em paralelo. A ideia principal é apresentar uma alternativa aos tradicionais precondicionadores que utilizam aproximações dos fatores LU, que apesar de robustos são de difícil paralelização.

Implementação paralelizada de métodos de resolução de sistemas algébricos na simulação de reservatórios de gás

Desde a década de 1960, devido à pertinência para a indústria petrolífera, a simulação numérica de reservatórios de petróleo tornou-se uma ferramenta usual e uma intensa área de pesquisa. O principal objetivo da modelagem computacional e do uso de métodos numéricos, para a simulação de reservatórios de petróleo, é o de possibilitar um melhor gerenciamento do campo produtor, de maneira que haja uma maximização na recuperação de hidrocarbonetos. Este trabalho tem como objetivo principal paralelizar, empregando a interface de programação de aplicativo OpenMP (Open Multi-Processing), o método numérico utilizado na resolução do sistema algébrico resultante da discretização da equação que descreve o escoamento monofásico em um reservatório de gás, em termos da variável pressão. O conjunto de equações governantes é formado pela equação da continuidade, por uma expressão para o balanço da quantidade de movimento e por uma equação de estado. A Equação da Difusividade Hidráulica (EDH), para a variável pressão, é obtida a partir deste conjunto de equações fundamentais, sendo então discretizada pela utilização do Método de Diferenças Finitas, com a escolha por uma formulação implícita. Diferentes testes numéricos são realizados a fim de estudar a eficiência computacional das versões paralelizadas dos métodos iterativos de Jacobi, Gauss-Seidel, Sobre-relaxação Sucessiva, Gradientes Conjugados (CG), Gradiente Biconjugado (BiCG) e Gradiente Biconjugado Estabilizado (BiCGStab), visando a uma futura aplicação dos mesmos na simulação de reservatórios de gás. Ressalta-se que a presença de heterogeneidades na rocha reservatório e/ou às não-linearidades presentes na EDH para o escoamento de gás aumentam a necessidade de métodos eficientes do ponto de vista de custo computacional, como é o caso de estratégias usando OpenMP.

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.