Η αυξανόμενη ανάγκη για ηλεκτρική ενέργεια στον 21ο αιώνα καθώς και η δραματική μείωση των αποθεμάτων ορυκτού πλούτου στον πλανήτη, οδηγούν στην διαρκώς αυξανόμενη χρήση των λεγόμενων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, μεταξύ αυτών και η αιολική ενέργεια. Τα αιολικά συστήματα είναι ευρέως χρησιμοποιούμενα στην εποχή μας, και η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται ένα αιολικό σύστημα το οποίο χρησιμοποιεί σύγχρονη μηχανή μόνιμου μαγνήτη (Σ.Μ.Μ.Μ.) , σύστημα το οποίο μοντελοποιείται στο περιβάλλον του Matlab/Simulink και παρουσιάζονται αποτελέσματά της μοντελοποίησης για δυο περιπτώσεις, μία χωρίς προστασία του συστήματος και μία με προστασία. / Τhe increasing electrical power needs in the 21st sentury and the dramaticaly decreasing mineral sources on the planet lead people to take advantage of the renewable power sources, one of which is the wind energy. Wind systems are highly used today, and the current diploma thesis discusses a wind system which uses a synchronous machine with permanent magnet (SMPM), and using the program Matlab/Simulink we produce some results for this system with and without a protection system for it.

Το θέμα της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η εφαρμογή της θεωρίας των Σχεδόν Πλήρως Αναλυόμενων Στοχαστικών Συστημάτων (Nearly Completely Decomposable) σε μία σειρά προβλημάτων στα οποία παραδοσιακές προσεγγίσεις αποδεικνύονται ερμηνευτικά στείρες και υπολογιστικά κοστοβόρες. Στο πρώτο μέρος της διπλωματικής αφού κάνουμε μία διαισθητικού τύπου παρουσίαση της ιδέας της decomposability και συνοψίσουμε τα απαραίτητα στοιχεία του θεωρητικού υποβάθρου που χρησιμοποιούμε στα πλαίσια της εργασίας, παραθέτουμε τονπυρήνα της θεωρίας της decomposability, όπως αυτή θεμελιώνεται μαθηματικά από τον Courtois στην κλασική του μονογραφία. Τέλος, παραθέτουμε και μία υλοποίηση του KMS αλγορίθμου Συσσωμάτωσης/Αποσυσσωμάτωσης, για τη λύση NCD συστημάτων. Το δεύτερο μέρος του συγγράμματος, είναι αφιερωμένο στην εφαρμογή της NCD σε δύο ενδιαφέροντα προβλήματα εκτίμησης απόδοσης υπολογιστικών συστημάτων. Συγκεκριμένα, μελετούμε μία ιδιότυπη ουρά που εξυπηρετεί πελάτες διαφορετικών κλάσεων, με τις ανά κλάση αφίξεις να χαρακτηρίζονται από εναλλαγές μεταξύ περιόδων ηρεμίας και κινητικότητας και την εξυπηρέτηση να γίνεται σε δέσμες πελατών της ίδιας κλάσης. Το κίνητρο για τη μελέτη αυτής της ουράς εντοπίζεται στη bursty φύση της μεταγωγής πακέτων στα σύγχρονα δίκτυα αλλά και στους reassembly buffers των multicluster πολυεπεξεργαστικών συστημάτων. Η ανάλυση της ουράς με παραδοσιακές τεχνικές οδηγεί αναπόφευκτα σε μαρκοβιανή αλυσίδα πολύ μεγάλου χώρου κατάστασης. Εμείς, ξεκινάμε από το πλήρες στοχαστικό μητρώο και αφού διαμερίσουμε κατάλληλα το χώρο καταστάσεων, αποδεικνύουμε ικανές συνθήκες υπό τις οποίες το αρχικό σύστημα είναι δυνατόν να αναλυθεί σε πολλαπλά επίπεδα υποσυστημάτων, η αυτόνομη ανάλυση των οποίων δίνει μία πολύ καλή προσέγγιση της στάσιμης κατανομής του αρχικού συστήματος. Επίσης, παραθέτουμε και αποδεικνύουμε μία ικανή συνθήκη για μηδενικό σφάλμα προσέγγισης και την ερμηνεύουμε σε όρους προδιαγραφών του προβλήματος. Τέλος, θεωρούμε μία ειδική συμμετρική εκδοχή για την οποία καταφέρνουμε να δώσουμε μία κλειστή έκφραση της κατανομής πληρότητας της ουράς συναρτήσει της λύσης των υποσυστημάτων. Για να δείξουμε την απλοποίηση της ανάλυσης που επιφέρει η χρήση του NCD μοντέλου θεωρούμε ένα σενάριο για το οποίο προχωρούμε την ανάλυση σε βάθος και καταφέρνουμε να εξάγουμε χρήσιμες μετρικές στις οποίες, σε αντίθετη περίπτωση, θα ήταν ιδιαίτερα επίπονο να καταλήξει κανείς. Συγκεκριμένα, υπολογίζουμε την πιθανότητα blocking και δείχνουμε πως αυτή μειώνεται σχεδόν εκθετικά με το μέγεθος της ουράς. Βλέπουμε τελικά πως η εκμετάλλευση της NCD ιδιότητας από τη μία διευκολύνει την ανάλυση και από την άλλη παρέχει ανεκτίμητη διαίσθηση σχετικά με τη μεταβατική συμπεριφορά του συστήματος προς την κατάσταση στατιστικής ισορροπίας. Το δεύτερο μέρος της διπλωματικής κλείνει με τη μελέτη κριτηρίων υπό τα οποία, πολυεπεξεργαστικά συστήματα που χωρίζονται σε ομάδες ισχυρά αλληλεπιδρώντων επεξεργαστών, μπορούν να αναλυθούν με χρήση της θεωρίας NCD. Είναι γνωστό πως στα δίκτυα ουρών αναμονής συγκρίσιμων ρυθμών εξυπηρέτησης, η NCD του μητρώου πιθανοτήτων δρομολόγησης συνεπάγεται την NCD του δικτύου. Εμείς, θεωρούμε μία ειδική περίπτωση τέτοιων συστημάτων για την οποία δείχνουμε ένα, εύκολο να ελεγχθεί, κριτήριο για NCD. Τέλος, εξετάζουμε βαθύτερα το σφάλμα της προσέγγισης, και χρησιμοποιώντας ένα πρόσφατο αποτέλεσμα της θεωρίας των σχεδόν ασύζευκτων μαρκοβιανών αλυσίδων δίνουμε έναν επιπλέον ποιοτικό περιορισμό που πρέπει να ικανοποιούν τα εν λόγω συστήματα για να πάρει κανείς ικανοποιητική προσέγγιση από την ανάλυσή τους σε ανεξάρτητα block. Στο τρίτο μέρος της παρούσας εργασίας, εξετάζουμε την εφαρμογή της NCD στο πρόβλημα της κατάταξης ιστοσελίδων. Η πρόσφατη έρευνα έχει σχολιάσει την ειδική δομή του στοχαστικού μητρώου που προκύπτει από το γράφο του διαδικτύου· συγκεκριμένα, οι τοπολογικές ιδιότητες της αυτοoργάνωσης του Ιστού φαίνεται να παράγουν ένα στοχαστικό μητρώο με NCD δομή. Εμείς, αφού παραθέσουμε μία σύνοψη των μαθηματικών πίσω από τον αλγόριθμο PageRank, σχολιάζουμε και δικαιολογούμε διαισθητικά την NCD δομή του Ιστού αλλά και τη φύση των υποσυστημάτων. Τέλος, προτείνουμε έναν νέο αλγόριθμο κατάταξης με το όνομα NCDawareRank, o οποίος εκμεταλλεύεται την NCD ιδιότητα για να πετύχει ποιοτικότερο και ταχύτερο ranking. Μάλιστα, δίνουμε δύο εκδοχές του αλγορίθμου, μία σειριακή και μία παράλληλη, η οποία εκμεταλλεύεται την NCD του Ιστού και υπολογιστικά. Τα οφέλη που υπόσχεται ο NCDawareRank τα επιβεβαιώνουμε και πειραματικά εκτελώντας μία σειρά από πειράματα τόσο σε τεχνητά όσο και σε πραγματικά δεδομένα, αντιπαραβάλλοντας τα αποτελέσματα μας με αυτά του αλγορίθμου PageRank. O NCDawareRank φαίνεται μάλιστα να δίνει λύση σε ένα γνωστό πρόβλημα του PageRank: αυτό της μεροληψίας εναντίον νεοεισερχομένων σελίδων. Άλλο ένα, τέλος, παράπλευρο όφελος του αλγορίθμου NCDawareRank είναι αυτό της Levelwise κατάταξης, η οποία εκτός της σημασίας που έχει αφεαυτής, μπορεί να υποδείξει εξυπνότερο crawling ή ακόμα και αποδοτικότερα σχήματα ευρετηριοποίησης του Ιστού. Στο τέταρτο και τελευταίο μέρος της διπλωματικής εφαρμόζουμε την NCD στην εύρεση των στοχαστικά ευσταθών καταστάσεων μίας κατηγορίας εξελικτικών παιγνίων στα οποία εμφανίζονται πολυεπίπεδες στρατηγικές δυναμικές. Αφού παραθέσουμε κάποιες πρόσφατες παρατηρήσεις από τη βιβλιογραφία της οικονομετρίας σχετικά με την αξιοποίηση της NCD στην προσεγγιστική ανάλυσή τους, αποδεικνύουμε συνθήκες υπό τις οποίες είναι δυνατόν να πετύχει κανείς ακριβή ανάλυση. / The purpose of this master’s thesis is the application of the theory of Nearly Completelely Decomposable stochastic systems to a number of interesting problems for which tra- ditional techniques turn out to be both intuitively unappealing and computationally in- tractable. In the first part of this work, after introducing, the concept of decomposability in an intuitive way and summarizing the essential elements of the theoretical background that is necessary to follow the rest of the text, we present the fundamental mathematical principles of NCD as established by Courtois in his classic monograph. Finally, we give an implementation of the KMS iterative aggregation/disaggregation algorithm which is commonly used for the solution of NCD systems. The second part of the dissertation is devoted to the application of NCD to two inter- esting problems of Computer Systems Performance Evaluation. Specifically, we study an uncommon discrete time queue that serves customers from different classes, with the ar- rivals of each class characterized by alternating busy and idle periods. The service is done in batches of customers of the same class. The motivation behind the study of this queue, lies in the bursty nature of packet switching, as well as in the modern reassembly buffers of multicluster multiprocessor systems. The traditional analysis techniques of this queue inevitably lead to Markov chains with very large state space. We begin with the complete stochastic matrix and after careful partitioning of the state space, we give sufficient condi- tions under which the original system can be analysed through multi level decomposition into subsystems, the autonomous analysis of which results in a very good approximation to the stationary distribution of the original system. Furthermore, we present and prove a sufficient condition for an error-free approximation and we give an interpretation of this condition in terms of the specifications of the problem. Finally, we consider a special sym- metric version of the problem, for which we manage to derive a closed-form expression for the queue’s occupancy distribution as a function of the steady state probabilities of the subsystems. To demonstrate the simplification of the analysis brought by the NCD model, we con- sider a scenario in which we proceed to an in depth analysis and we manage to extract useful metrics the derivation of which, would be considerably harder without exploiting 13 Abstract 14 NCD. Specifically, we calculate the blocking probability and we show that it decreases almost exponentially with the size of the queue. From our analysis, it is clear that the exploitation of the NCD model increases significantly our ability to understand the dy- namics of our system and to interpret aspects of its transient behaviour towards statistical equilibrium. The second part of this work ends with the study of criteria under which multipro- cessing systems, that can be divided into groups of strongly interacting processors, can be analysed using the theory of NCD. It is known that in queueing networks with servers of comparable service rates, the NCD of the routing probability matrix implies the NCD of the network. We consider a special case of such systems and we derive an easy to check criterion for NCD. Finally, we look deeper into the error analysis of this approach, and using a recent result from the theory of nearly uncoupled Markov chains, we give an addi- tional qualitative constrain to be met by these systems in order to get a good approximation of their analysis into independent blocks. In the third part of this paper, we examine the application of NCD to the problem of ranking websites. Recent research has commented on the special structure of the stochastic matrix which corresponds to the web-graph. In particular, the topological properties of the Web seems to produce a NCD stochastic matrix. Here, after presenting briefly the mathe- matical basis of PageRank, we give a linear algebraic as well as an intuitive justification of the NCD Web structure and we discuss the nature of the subsystems. Finally, we propose a new ranking algorithm named NCDawareRank, which exploits NCD in order to achieve a fairer and faster ranking. Indeed, we give two versions of the algorithm, one serial and one parallel, in which we take advantage of the computational benefits of NCD as well. The advantages of NCDawareRank are then confirmed experimentally through a series of tests on both, artificial and real data. NCDawareRank seems to solve a known problem of PageRank: the bias against new websites. Finally, another side benefit of our algorithm is that it makes it easy to extract a level-wise ranking, which besides its importance in itself, may indicate smarter crawling or even more sophisticated and efficient indexing schemes of the Web. Finally, in the fourth part of this work we apply NCD to the problem of finding the stochastically stable states of a class of evolutionary games which involve multilevel strategic dynamics. After presenting some interesting recent results coming from the lit- erature of econometrics, we give conditions under which it is possible to get the exact stochastically stable states through the use of NCD.

Η άθροιση μεγάλων αριθμών είναι μια χρονοβόρα και ενεργοβόρα διαδικασία. Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για να μειωθεί η καθυστέρηση υπολογισμού του αθροίσματος λόγω της μετάδοσης κρατουμένου. Τέτοιες είναι η πρόβλεψη κρατουμένου (carry look ahead) και η επιλογή κρατουμένου (carry select). Αυτές οι αρχιτεκτονικές δεν είναι επαρκώς επεκτάσιμες για μεγάλους αριθμούς (με πολλά bits) ή πολλούς αριθμούς, διότι παράγονται μεγάλα και ενεργοβόρα κυκλώματα. Στην παρούσα εργασία μελετάται η μέθοδος υπολοίπου (RNS), η οποία χρησιμοποιεί συστήματα αριθμών μεγαλύτερα από το δυαδικό. Ορίζεται μια βάση τριών αριθμών και οι αριθμοί αναπαρίστανται στα εκάστοτε τρία συστήματα της βάσης. Η άθροιση γίνεται παράλληλα σε κάθε σύστημα και τέλος οι αριθμοί μετατρέπονται πάλι στο δυαδικό. Τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης είναι η παραλληλία και η απουσία μεγάλων κυκλωμάτων διάδοσης κρατουμένου. Το μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται κυκλώματα μετατροπής από και προς το δυαδικό σύστημα. Αυτού του είδους οι αθροιστές συγκρίνονται για κατανάλωση ενέργειας με τους γνωστούς carry look ahead και carry select. Διαπιστώθηκε ότι οι RNS αθροιστές καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια. / The addition of many-bits numbers is a time and power consuming task. Many methods are developed to reduce the sum calculation delay due to carry propagation. Such techniques are Carry Look Ahead and Carry Select, Those techniques are not scalable to many bits numbers or a set of many numbers: the circuits needed are big and power consuming. In this thesis, the the RNS technique is investigated. This technique uses radix bigger than binary. A 3-numbers base is defined and the numbers that participate in the sum are represented uniquely in each element radix. The addition is performed in parallel in each radix. Finally the result is transformed back to the binary numbers system. The advantages of this technique are the parallelization of the process and the lack of carry propagation circuits. The disadvantage is that transformation circuits are need from/to binary system. The RNS adders are compared to CLA and CS for power. Such adders are compared to CLA and CS for power consumption. It is found that RNS adders consume less energy.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως κύριο αντικείμενο μελέτης την μοντελοποίηση και έλεγχο ενός μικρορομποτικού βραχίονα αναλυόμενου σε σφαιρικά πεπερασμένα στοιχεία σε περιβάλλον με εξωτερικές δυνάμεις Van Der Waals και συνυπολογίζοντας την τριβή. Τα κύρια σημεία είναι η εισαγωγή των εξωτερικών δυνάμεων στο μοντέλο του μικρορομπότ, η δημιουργία προσαρμοστικού ελέγχου για την επίτευξη ακολουθίας τροχιάς με αναγνώριση και ακύρωση των ισχυρών μεταβαλλόμενων εξωτερικών δυνάμεων, η αναγνώριση της θέσης και η αποφυγή εμποδίων σε άγνωστο περιβάλλον κλίμακας μικρομέτρων και ο καθορισμός τροχιάς για προσέγγιση σημείων στον χώρο εργασίας του μικρορομπότ. Προτείνεται επίσης ένα σύστημα επενέργησης σε διάταξη τένοντα με νανοκαλώδια και γίνεται μελέτη της αντοχής του σε σχέση με τις μέγιστες δυνάμεις-ροπές που παρουσιάζονται κατά τον έλεγχο. Για την αναγνώριση των εξωτερικών δυνάμεων δοκιμάζονται διαφορετικά είδη εκτιμητών και εξετάζεται η απόδοσή τους στο συνολικό σύστημα. / The present PhD thesis has a key object the modeling and control of a micro robotic manipulator, represented by spherical particles in an environment with external Van Der Waals forces and taking friction into account. The main points are a) the insertion of the external forces in the micro robot model, b) the adaptive control used in order to follow a desired trajectory, with identification and cancellation of the external forces, the position identification and avoidance of obstacles in an unstructured micrometer scale environment and the trajectory planning towards a target point in the task space of the microrobot. Also a tendon like actuation system is proposed, using nanowires and its mechanical properties are studied in order to determine the viability of its use in relation to the required torques during the control process. For the external force identification scheme, various types of estimators are proposed and their efficiency in the system is studied.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η σύγκριση διαφόρων μεθόδων κατηγοριοποίησης που στηρίζονται σε αναπαράσταση γνώσης με κανόνες μέσω της δημιουργίας έμπειρων συστημάτων από γνωστά σύνολα δεδομένων. Για την εφαρμογή των μεθόδων και τη δημιουργία και υλοποίηση των αντίστοιχων έμπειρων συστημάτων χρησιμοποιούμε διάφορα εργαλεία όπως: (α) Το ACRES, το οποίο είναι ένα εργαλείο αυτόματης παραγωγής έμπειρων συστημάτων με συντελεστές βεβαιότητας. Οι συντελεστές βεβαιότητος μπορούν να υπολογίζονται κατά δύο τρόπους και επίσης παράγονται δύο τύποι έμπειρων συστημάτων που στηρίζονται σε δύο διαφορετικές μεθόδους συνδυασμού των συντελεστών βεβαιότητας (κατά MYCIN και μιας γενίκευσης αυτής του MYCIN με χρήση βαρών που υπολογίζονται μέσω ενός γενετικού αλγορίθμου). (β) Το WEKA, το οποίο είναι ένα εργαλείο που περιέχει αλγόριθμους μηχανικής μάθησης. Συγκεκριμένα, στην εργασία χρησιμοποιούμε τον αλγόριθμο J48, μια υλοποίηση του γνωστού αλγορίθμου C4.5, που παράγει δένδρα απόφασης, δηλ. κανόνες. (γ) Το CLIPS, το οποίο είναι ένα κέλυφος για προγραμματισμό με κανόνες. Εδώ, εξάγονται οι κανόνες από το δέντρο απόφασης του WEKA και υλοποιούνται στο CLIPS με ενδεχόμενες μετατροπές. (δ) Το FuzzyCLIPS, το οποίο επίσης είναι ένα κέλυφος για την δημιουργία ασαφών ΕΣ. Είναι μια επέκταση του CLIPS που χρησιμοποιεί ασαφείς κανόνες και συντελεστές βεβαιότητος. Εδώ, το έμπειρο σύστημα που παράγεται μέσω του CLIPS μετατρέπεται σε ασαφές έμπειρο σύστημα με ασαφοποίηση κάποιων μεταβλητών. (ε) Το GUI Ant-Miner, το οποίο είναι ένα εργαλείο για την εξαγωγή κανόνων κατηγοριοποίησης από ένα δοσμένο σύνολο δεδομένων. με τη χρήση ενός μοντέλου ακολουθιακής κάλυψης, όπως ο αλγόριθμος AntMiner. Με βάση τις παραπάνω μεθόδους-εργαλεία δημιουργήθηκαν έμπειρα συστήματα από πέντε σύνολα δεδομένων κατηγοριοποίησης από τη βάση δεδομένων UCI Machine Learning Repository. Τα συστήματα αυτά αξιολογήθηκαν ως προς την ταξινόμηση με βάση γνωστές μετρικές (ορθότητα, ευαισθησία, εξειδίκευση και ακρίβεια). Από τη σύγκριση των μεθόδων και στα πέντε σύνολα δεδομένων, εξάγουμε τα παρακάτω συμπεράσματα: (α) Αν επιθυμούμε αποτελέσματα με μεγαλύτερη ακρίβεια και μεγάλη ταχύτητα, θα πρέπει μάλλον να στραφούμε στην εφαρμογή WEKA. (β) Αν θέλουμε να κάνουμε και παράλληλους υπολογισμούς, η μόνη εφαρμογή που μας παρέχει αυτή τη δυνατότητα είναι το FuzzyCLIPS, θυσιάζοντας όμως λίγη ταχύτητα και ακρίβεια. (γ) Όσον αφορά το GUI Ant-Miner, λειτουργεί τόσο καλά όσο και το WEKA όσον αφορά την ακρίβεια αλλά είναι πιο αργή μέθοδος. (δ) Σχετικά με το ACRES, λειτουργεί καλά όταν δουλεύουμε με υποσύνολα μεταβλητών, έτσι ώστε να παράγεται σχετικά μικρός αριθμός κανόνων και να καλύπτονται σχεδόν όλα τα στιγμιότυπα στο σύνολο έλεγχου. Στα σύνολα δεδομένων μας το ACRES δεν θεωρείται πολύ αξιόπιστο υπό την έννοια ότι αναγκαζόμαστε να δουλεύουμε με υποσύνολο μεταβλητών και όχι όλες τις μεταβλητές του συνόλου δεδομένων. Όσο πιο πολλές μεταβλητές πάρουμε ως υποσύνολο στο ACRES, τόσο πιο αργό γίνεται. / The aim of this thesis is the comparison of several classification methods that are based on knowledge representation with rules via the creation of expert systems from known data sets. For the application of those methods and the creation and implementation of the corresponding expert systems, we use various tools such as: (a) ACRES, which is a tool for automatic production of expert systems with certainty factors. The certainty factors can be calculated via two different methods and also two different types of expert systems can be produced based on different methods of certainty propagation (that of MYCIN and a generalized version of MYCIN one that uses weights calculated via a genetic algorithm). (b) WEKA, which is a tool that contains machine learning algorithms. Specifically, we use J48, an implementation of the known algorithm C4.5, which produces decision trees, which are coded rules. (c) CLIPS, which is a shell for rule based programming. Here, the rules encoded on the decision true produced by WEKA are extracted and codified in CLIPS with possible changes. (d) FuzzyCLIPS, which is a shell for creating fuzzy expert systems. It's an extension of CLIPS that uses fuzzy rules and certainty factors. Here, the expert system created via CLIPS is transferred to a fuzzy expert system by making some variables fuzzy. (e) GUI Ant-Miner, which is a tool for classification rules extraction from a given data set, using a sequential covering model, such as the AntMiner algorithm. Based on the above methods-tools, expert systems were created from five (5) classification data sets from the UCI Machine Learning Repository. Those systems have been evaluated according to their classification capabilities based on known metrics (accuracy, sensitivity, specificity and precision). From the comparison of the methods on the five data sets, we conclude the following: (a) if we want results with greater accuracy and high speed, we should probably turn into WEKA. (b) if we want to do parallel calculations too, the only tool that provides us this capability is FuzzyCLIPS, sacrificing little speed and accuracy. (c) With regards to GUI Ant-Miner, it works as well as WEKA in terms of accuracy, but it is slower. (d) About ACRES, it works well when we work with subsets of the variables, so that it produces a relatively small number or rules and covers almost all the instances of the test set. For our datasets, ACRES is not considered very reliable in the sense that we should work with subsets of variables, not all the variables of the dataset. The more variables we consider as a subset in ACRES, the slower it becomes.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αναφέρεται σε οικιακά Φ/Β συστήματα συνδεδεμένα στο δίκτυο χαμηλής τάσης, τα οποία αξιοποιούν την τεχνολογία των Φ/Β Πλαισίων Εναλλασσομένου Ρεύματος (Φ/Β Πλαίσια Ε.Ρ. – AC-PV Modules). Πρόκειται για Φ/Β διατάξεις μικρής ισχύος (έως 300W), οι οποίες δημιουργούνται από την ενσωμάτωση ενός μόνο Φ/Β πλαισίου και ενός μετατροπέα (ενός η πολλών σταδίων) συνεχούς τάσης σε μονοφασική εναλλασσόμενη τάση, σε μια αυτοτελή ηλεκτρονική διάταξη. Για το λόγο αυτό ονομάζονται και Φ/Β πλαίσια με ενσωματωμένο μετατροπέα (Module Integrated Converters, MIC). Στα συστήματα αυτά οι απαιτήσεις για επίτευξη υψηλού βαθμού απόδοσης, για την καλύτερη εκμετάλλευση της παρεχόμενης ηλιακής ενέργειας, καθώς και ρεύματος ημιτονοειδούς μορφής στην έξοδο είναι αδιαμφισβήτητες. Βασικός σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή της στον τομέα των Φ/Β μονάδων διεσπαρμένης παραγωγής και επικεντρώνεται στην ενδελεχή ανάλυση, στη βελτιστοποίηση της λειτουργικής συμπεριφοράς, στον υπολογισμό των απωλειών στα στοιχεία του μετατροπέα, στην παραμετροποίηση και τελικά στο βέλτιστο σχεδιασμό ενός αντιστροφέα ρεύματος τύπου Flybcak (Flyback Current Source Inverter – Flyback CSI). Οι κύριοι στόχοι που έπρεπε να εκπληρωθούν για την ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής ήταν:  Η ενδελεχής ανάλυση της λειτουργίας του αντιστροφέα για δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου που εφαρμόζονται σε αυτόν.  Ο κατά το δυνατόν ακριβέστερος υπολογισμός των απωλειών στα στοιχεία του Flyback CSI, καθώς και η παραμετροποίηση των σχέσεων αυτών.  Ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, ο οποίος βασίζεται στη διατύπωση της μεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ως πρόβλημα βελτιστοποίησης.  Η υλοποίηση του ελέγχου της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακού μικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο. Αρχικά η μελέτη επικεντρώνεται σε μία πρώτη τεχνική ελέγχου, η οποία ωθεί τον μετατροπέα να λειτουργεί στην περιοχή της ασυνεχούς αγωγής (Discontinuous Conduction Mode, DCM). Στη συνέχεια προτείνεται μία δεύτερη τεχνική ελέγχου η οποία, αφ' ενός μεν αναγκάζει το μετατροπέα να λειτουργεί στο όριο συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (Boundary between Continuous and Discontinuous Conduction Mode, BCM), αφ' ετέρου δε παρέχει καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα στην έξοδο. Με την προτεινόμενη νέα τεχνική ελέγχου, που ονομάσθηκε i-BCM (improved BCM) και αποτελεί βελτίωση της υπάρχουσας στη βιβλιογραφία τεχνικής ελέγχου BCM, βελτιώνεται σημαντικά ο συντελεστής ισχύος στην έξοδο του αντιστροφέα, παρέχοντας στο δίκτυο καθαρά ημιτονοειδές ρεύμα. Οι δύο διαφορετικές στρατηγικές ελέγχου διαμορφώνουν διαφορετικές κυκλωματικές συνθήκες. Για τις δύο περιπτώσεις αναπτύσσονται αναλυτικές εκφράσεις τόσο για τη μέση, όσο και για την ενεργό τιμή των ρευμάτων που διαρρέουν όλα τα στοιχεία του μετατροπέα (ημιαγωγικά στοιχεία, Μ/Σ κλπ). Επιπρόσθετα, εξάγονται κριτήρια για τα ασφαλή όρια λειτουργίας του μετατροπέα με γνώμονα την καταπόνηση των ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος από υψηλές τιμές τάσης και ρεύματος. Ιδιαίτερο βάρος δίνεται στον υπολογισμό της διακύμανσης της τάσης του πυκνωτή του φίλτρου εξόδου, η οποία αναπτύσσεται και πάνω στα ημιαγωγικά στοιχεία του μετατροπέα, επηρεάζοντας την επιλογή τους. Στην συνέχεια, προσδιορίζονται μέσω αναλυτικών μαθηματικών σχέσεων οι απώλειες αγωγής και οι διακοπτικές απώλειες των ημιαγωγικών στοιχείων και προσεγγίζονται, με ιδιαίτερη λεπτομέρεια, οι απώλειες του μετασχηματιστή (τυλιγμάτων και πυρήνα) και για τις δύο προαναφερθείσες στρατηγικές ελέγχου, δεδομένου ότι η διακοπτική συχνότητα λειτουργίας του μετατροπέα είναι υψηλή. Για το λόγο αυτό απαιτείται εις βάθος μελέτη της υπάρχουσας βιβλιογραφίας, επιλογή ή επινόηση των κατάλληλων μοντέλων απωλειών σε ένα Μ/Σ (πυρήνα και χαλκού) και προσήκουσα προσαρμογή αυτών στις κυκλωματικές συνθήκες του αντιστροφέα Flyback. Παράλληλα με την ανάλυση των απωλειών πραγματοποιείται και η παραμετροποίηση του συστήματος. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στη διαχείριση των εξισώσεων κατά τέτοιο τρόπο ώστε να προσδιορίζονται όλες οι μεταβλητές και οι σταθερές του μετατροπέα, καθώς και οι παράμετροι από τις οποίες εξαρτώνται οι απώλειες, με τον απλούστερο δυνατό τρόπο. Συνεπώς, έχει δοθεί ιδιαίτερη έμφαση στην διαχείριση των αναλυτικών σχέσεων ώστε οι απώλειες, χωρίς έκπτωση στην ακρίβεια, να εξαρτώνται από τον ελάχιστο δυνατό αριθμό παραμέτρων. Με αυτό τον τρόπο η μελέτη είναι πλήρης αλλά περιορίζεται η πολυπλοκότητα, με αποτέλεσμα να προκύπτουν μόνο τέσσερις ανεξάρτητες σχεδιαστικές μεταβλητές. Στο επόμενο στάδιο, πραγματοποιείται ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI, ο οποίος βασίζεται στη διατύπωση της μεγιστοποίησης του σταθμισμένου βαθμού απόδοσης ως πρόβλημα βελτιστοποίησης. Αυτό, πρακτικά, σημαίνει τον προσδιορισμό της αντικειμενικής συνάρτησης (objective ή cost function), των σχεδιαστικών μεταβλητών και σταθερών, των περιοριστικών συνθηκών και τον ορισμό του πεδίου τιμών αυτών. Ο σταθμισμένος βαθμός απόδοσης αποτελεί την αντικειμενική συνάρτηση, ενώ οι προδιαγραφές εισόδου και εξόδου του μετατροπέα αποτελούν τις σχεδιαστικές σταθερές.. Με τη χρήση μίας στοχαστικής μεθόδου βελτιστοποίησης, η οποία αναδείχτηκε ως η πιο κατάλληλη έπειτα από εκτεταμένη βιβλιογραφική αναζήτηση, προσδιορίζονται οι τιμές των τεσσάρων σχεδιαστικών μεταβλητών και επιτυγχάνεται ο μέγιστος δυνατός σταθμισμένος βαθμός απόδοσης. Η επίτευξη του στόχου ολοκληρώνεται με την ανάπτυξη ενός νέου επαναληπτικού αλγορίθμου, με τον οποίο, βάσει των εξισώσεων των απωλειών, επιτυγχάνεται ο βέλτιστος σχεδιασμός του Flyback CSI και για τις δύο διαφορετικές τεχνικές ελέγχου. Επιπροσθέτως, υλοποιείται ο έλεγχος της λειτουργίας του μετατροπέα μέσω ψηφιακού μικροελεγκτή, καταργώντας τον ήδη υφιστάμενο αναλογικό έλεγχο. Η αλλαγή της φιλοσοφίας υλοποίησης του ελέγχου προσφέρει μεγαλύτερη ευελιξία και ανεξάντλητες δυνατότητες στην κατάστρωση και υιοθέτηση διαφορετικών στρατηγικών ελέγχου. Ιδιαίτερα, κατά τη λειτουργία στο όριο μεταξύ συνεχούς και ασυνεχούς αγωγής (i-BCM), με κατάλληλο προγραμματισμό του μικροελεγκτή εξαλείφεται η ανάγκη για μέτρηση των ρευμάτων στα τυλίγματα του μετασχηματιστή. Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιείται είναι ο dspic30F4011 της εταιρείας Microchip ο οποίος διαθέτει μεγάλη υπολογιστική ικανότητα και μία πληθώρα περιφερειακών που επιτρέπουν αυτοματοποίηση κάποιων λειτουργιών, όπως η διαδικασία σύνδεσης και αποσύνδεσης με το δίκτυο και η δυνατότητα ενσωμάτωσης της μονάδας ανίχνευσης του μέγιστου σημείου ισχύος (M.P.P.T) της Φ/Β γεννήτριας στην ίδια ψηφιακή μονάδα. Τέλος, υλοποιήθηκαν εργαστηριακά πρωτότυπα με βάση τις βέλτιστες παραμέτρους που υπολογίσθηκαν σε κάθε περίπτωση σύμφωνα την προτεινόμενη μέθοδο βελτιστοποίησης και ακολούθησε πειραματική επιβεβαίωση με χρήση ενός αναλυτή ισχύος υψηλής ακρίβειας, για την επιβεβαίωση των θεωρητικών προσεγγίσεων. Επιπλέον, μελετήθηκε η ευεργετική επίδραση της συνδυαστικής χρήσης των δύο τεχνικών ελέγχου στην πυκνότητα ισχύος / This thesis pertains to domestic on-grid PV systems that utilize the AC-PV Modules technology. These low power PV topologies (up to 300W) are implemented by integrating one PV Module and a single phase inverter (one or multi stage), in one independent electronic apparatus. For this reason they are called Module Integrated Converters (MIC). The most important requirements for these systems are the higher possible efficiency - in order to take advantage of the supplied solar energy – and the pure sinusoidal output current. The main purpose of this thesis is to contribute to the field of the dispersed PV power generation. Thus, it focuses on the thorough analysis, the behaviour optimization, the components losses estimation, the parameterization and finally the optimal design of Flyback current source inverter (Flyback CSI). The main objectives fulfilled in this thesis are: • The detailed analysis of the inverter behaviour for two different semiconductor control strategies. • The precise losses calculation of all the components of the Flyback CSI. • The optimal design of the Flyback CSI, which is based on maximizing the weighted efficiency. • The implementation of the semiconductor control via a digital microcontroller, eliminating the existing analogue control. Initially, the study focuses on a first control technique that forces the inverter to function in Discontinuous Conduction Mode (DCM). On the other hand, a second control technique that forces the inverter to function on the Boundary between Continuous and Discontinuous Mode (BCM) is proposed. This new control technique is named i-BCM (improved BCM) and it is an improved version of the BCM control technique found in the literature. This new control scheme significantly improves the power factor of the inverter output. The inverter injects pure sinusoidal current to the grid. The two different control strategies form different circuit conditions. Analytical expressions for the average and the rms value of the current, flowing through the components (semiconductors, transformers e.t.c), for both cases are developed. In addition, new operating boundaries of the semiconductors for the safe operation of the inverter based on the analysis of the voltage and current that stresses the semiconductors, are proposed. Special attention is given on the calculation of the voltage deviation on the output filter capacitor. This voltage deviation is caused by the switching operation of the inverter and affects the selection of the semiconductors and the voltage level that can handle. Furthermore, the conduction losses and the switching losses of the semiconductors are determined through analytical, mathematical equations. Because of the inverter high switching frequency, the transformer losses (copper and core), are calculated with special attention to detail. For this reason, an in depth examination of the existing literature takes place that leads to the selection of the appropriate core and copper loss models. The models are adequately adjusted to the circuit conditions of the Flyback inverter topology. The system is parameterized along with the losses analysis. All the equations are manipulated in such a way that simplifies the determination of all the variables and all the constants of the inverter and the loss dependent parameters. Consequently, special emphasis is given to the manipulation of the analytical equations, without affecting the accuracy, in order to express the losses using the minimum number of independent variables. Therefore, the study is complete but the complexity is eliminated and the independent design variables are only four. The optimization problem is the maximization of the weighted efficiency. The optimal design of the Flyback CSI is implemented based on this formulation. As a next step, the objective (or cost) function, the design variables and constants, the constraints and their range need to be defined. The weighted efficiency is the objective function whereas the input and the output specifications of the inverter are the design constants. After an extensive literature research, a stochastic optimization method is chosen as the most appropriate to determine the values of the four design variables in order to achieve the highest weighted efficiency. A new iterative algorithm, which uses the losses equations, is developed to achieve the optimal design of the Flyback CSI for both control strategies. Moreover, the control of the inverter is implemented via a digital microcontroller, eliminating the existing analogue control. This changes the way of controlling the inverter and offers flexibility and limitless possibilities in implementing and adopting various control strategies. Specifically, under the i-BCM control scheme, the need for measuring the current of the transformer windings is eliminated by using an appropriate algorithm. The microcontroller used in this research is dspic30F4011 developed by Microchip. Its good computational capacity and the variety of peripherals enable the automation of some functions such as connection and disconnection from the grid and the integration of the maximum power point tracking (M.P.P.T.) on the same digital unit. Finally, laboratory prototypes are implemented, based on the optimal parameters calculated for every case, using the proposed optimization method. The experimental procedure confirmed the theoretical approximations. A high precision power analyser was used. Furthermore, the beneficial effect of the combined use of the two control power techniques on the power density is also studied.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την ανάπτυξη ενός αποδοτικού συστήματος ελέγχου που θα επιτυγχάνει τον ακριβή έλεγχο της θέσης ενός λαπαροσκοπικού ρομποτικού εργαλείου που χρησιμοποιεί ‘έξυπνα μορφομνήμονα κράματα’ ως τένοντες-επενεργητές. Το γεγονός ότι το εργαλείο που χρησιμοποιείται είναι με πλεονάζοντες βαθμούς ελευθερίας, καθιστά ιδιαίτερα δύσκολο πρόβλημα την επίλυση της αντίστροφης κινηματικής. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι, μέσω τεχνικών υπολογιστικής όρασης, να επιλυθεί προσεγγιστικά η αντίστροφη κινηματική ανάλυση της θέσης των αρθρώσεων του ρομποτικού εργαλείου. Ο προτεινόμενος νόμος ελέγχου χρησιμοποιεί την αριθμητική επίλυση των γωνιών των αρθρώσεων από την αντίστροφη κινηματική για την επιτυχή παρακολούθηση της επιθυμητής τροχιάς του ρομποτικού εργαλείου. / This thesis deals with the development of a robust control system responsible for the precise position control of an innovative, SMA-based tendon-driven endoscopic robotic surgical tool. Given the hyper-redundant features of this robotic tool, the solution to the inverse kinematics problem is quite complicated. Henceforth, the main objective of this thesis is the numerical solution of the joints' positions using image processing techniques. The proposed control law utilizes this information for trajectory tracking purposes of the tool's end-effector.

Η διασπορά κβαντικών τελειών ως πυρήνων αταξίας σε οργανωμένα συστήματα, έχει προσελκύσει επιστημονικό ενδιαφέρον και ερευνητικές δραστηριότητες, τόσο στο πεδίο της φυσικής στερεάς κατάστασης, όσο και σε αυτό της επιστήμης των υλικών. Δεν είναι σπάνια η διαπίστωση ότι υβριδικά συστήματα που προκύπτουν από συνδυασμούς όπως αυτός των υγρών κρυστάλλων και των νανοσωματιδίων, παρουσιάζουν αξιοσημείωτες και συχνά αναπάντεχες νέες ιδιότητες. Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβή κινείται σε δύο άξονες: το σχεδιασμό και την χημική σύνθεση κβαντικών τελειών επιφανειακά κατεργασμένων, για ελεγχόμενη αλληλεπίδραση με υγρούς κρυστάλλους, και τη μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων των σύνθετων νανοδομημένων υγροκρυσταλλικών συστημάτων, που σχηματίζονται με διασπορά των νανοσωματιδίων αυτών σε χειρόμορφους θερμοτροπικούς υγρούς κρυστάλλους. Στο πρώτο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η χημική σύνθεση και επιφανειακή τροποποίηση κβαντικών τελειών CdSe, με υδρόφοβες επιφανειοδραστικές ομάδες τρι– οκτυλοφωσφίνης (TOP)/ελαϊκής αμίνης (ΟΑ), TOP/οκταδεκυλαμίνης, ΤOP/δωδεκυλα-μίνης, TOP/οκτυλαμίνης και τριφαινυλφωσφίνης/τριφαινυλαμίνης. Ο χαρακτηρισμός της δομής και των οπτικών ιδιοτήτων των νανοσωματιδίων έγινε με περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ, φασματοσκοπία υπεριώδους–ορατού και φασματοσκοπία υπερύθρου, ενώ για τη διερεύνηση της μορφολογίας τους και τον προσδιορισμό των διαστάσεών τους, χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης. Οι χημικές συνθέσεις, βασισμένες στην θερμολυτική διάσπαση οργανομεταλλικών ενώσεων, οδήγησαν σε επιτυχημένη παραγωγή σφαιρικών νανοσωματιδίων, μέσης διαμέτρου 3–4 nm, με στενή κατανομή μεγεθών και καλή διαλυτότητα σε οργανικούς διαλύτες. Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι επιπτώσεις από τη διασπορά των νανοσωματιδίων CdSe με TOP και OA, με μέση διάμετρο 3.2 nm στη θερμοδυναμική και μοριακή οργάνωση χειρόμορφων υγρών κρυστάλλων, με τις τεχνικές της θερμιδομετρίας εναλλασσόμενης θερμικής εισόδου και με περίθλαση σκόνης ακτίνων Χ. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στη θερμοκρασιακή περιοχή των Μπλε φάσεων και στη μετάπτωση φάσης SmA–SmC*. Οι Μπλε φάσεις παρόλο που παρουσιάζουν εξέχουσες ιδιότητες για καινοτόμες εφαρμογές στη βιομηχανία οθονών και αισθητήρων, ωστόσο, είναι σταθερές σε πολύ στενά θερμοκρασιακά εύρη, μεταξύ Ισοτροπικής και Χειρόμορφης Νηματικής φάσης, γεγονός που δεν ευνοεί τη χρήση τους. Οι πειραματικές μετρήσεις αποκάλυψαν νέα φαινόμενα, όπως τη σταθεροποίηση της θερμοκρασιακής περιοχής της Μπλε φάσης ΙΙΙ (BPIII) σε μεγάλο θερμοκρασιακό εύρος, σε σχέση με τον αμιγή υγρό κρύσταλλο, και τη μετατόπιση των θερμοκρασιών μετάπτωσης σε μικρότερες τιμές. Η θεωρητική μελέτη που πραγματοποιήθηκε καταδεικνύει ισχυρή αλληλεπίδραση των νανοσωματιδίων με τις σειρές πλεγματικών ατελειών του υγρού κρυστάλλου. Παράλληλα τα αποτελέσματα φανερώνουν ότι ο χαρακτήρας Μέσου Πεδίου–Landau της μετάπτωσης SmA–SmC*, για το ίδιο σύστημα, δεν αλλοιώνεται. Η αλληλεπίδραση των κβαντικών τελειών CdSe με επιφανειακή δραστικοποίηση ΟΑ και TOP με χειρόμορφους υγρούς κρυστάλλους, παρέχει δυνατότητες και δημιουργεί σημαντικές προϋποθέσεις για νέες τεχνολογικές εφαρμογές και επιστημονικές εξελίξεις. / One dimensional semiconductor structures are intriguing materials for both fundamental research and industrial applications. On the other hand the long-range nature of the orientational order of liquid crystals is responsible for many fascinating optical, electromechanical and critical properties of these materials. Hybridization of these two fields may lead to novel materials with unusual optical and physical properties that are of considerable importance for technological applications as well as for basic physics studies on phase transitions and critical phenomena. In this context, complex soft materials were formulated that result from the dispersion of surface functionalized quantum dots in thermotropic chiral LCs. Special attention was paid to the synthesis and properties of the nanocrystals and to the dispersion state, as well as to the thermal and structural study of the composite materials. In the first part of this Thesis a chemical approach for the synthesis of semiconducting quantum dots is presented. The method, based on the thermolytic decomposition of organometallic compounds, leads to the production of spherical nanocrystalline particles highly soluble in organic media, with an average diameter of 3.2 nm, capped with a variety of amine and phosphine molecules. The as-synthesized nanoparticles were characterized by means of powder X-ray diffraction, ultraviolet–visible spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and transition electron microscopy. The second part of the Thesis is concentrated on the effects upon the Blue phases and smectic-A to chiral smectic-C* phase transition of the liquid crystal CE8, arising from the dispersion of CdSe quantum dots, surface-treated with oleylamine and trioctylphosphine. For this purpose, ac calorimetry and X-ray scattering studies have been carried out. Liquid– crystalline blue phases exhibit exceptional properties for applications in the display and sensor industry. However, in single component systems, they are stable only for a very narrow temperature range between the isotropic and the chiral nematic phase, a feature that severely hinders their applicability. The systematic high-resolution calorimetric studies revealed that Blue phase III is effectively stabilized in a wide temperature range by mixing surface-functionalized nanoparticles with chiral liquid crystals. The calorimetric measurements also revealed substantial downshifts of the transition temperature. Theoretical arguments show that the aggregation of nanoparticles at disclination lines is responsible for the observed effects. Furthermore, it was found that at the SmA–SmC* phase transition, as a function of increasing nanoparticle concentration, the heat capacity anomalies display an extended-mean-field to mean-field–like crossover behavior, while the temperature dependence of the tilt angle remains bulk-like with no occurrence of pretransitional effects. The interaction of CdSe quantum dots with the cores of disclination lines gains further support, as bound disclination lines are expected to affect smectic–smectic phase transitions in a very limited manner.

Οι τεχνικές Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης που χρησιμοποιούν ακίδες σάρωσης έχουν την ικανότητα όχι μόνο να παρατηρούν επιφάνειες σε ατομικό επίπεδο αλλά και να τις τροποποιούν σε πολύ μικρή κλίμακα. Αυτό αποτελεί και το κίνητρο για τη χρησιμοποίηση των τεχνικών αυτών στη δημιουργία συσκευών αποθήκευσης με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα από τις συμβατικές συσκευές. Σε διάφορα ερευνητικά προγράμματα αποθήκευσης δεδομένων τεχνολογίας MEMS/NEMS με ακίδες, η σχετική τροχιά κίνησης της ακίδας ως προς το αποθηκευτικό μέσο ακολουθεί ένα μοτίβο raster. Παρά την απλή υλοποίησή της, η προαναφερθείσα κίνηση σάρωσης έχει σημαντικά μειονεκτήματα. Στο πλαίσιο της εργασίας αυτής προτείνεται μια εναλλακτική τοπολογία σπειροειδούς κίνησης. Η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να εφαρμοσθεί σε οποιοδήποτε σύστημα που βασίζεται σε διαδικασίες σάρωσης, όπως συστήματα αποθήκευσης και AFM συστήματα απεικόνισης. Στην εργασία αυτή μελετάται η περίπτωση των συσκευών αποθήκευσης με ακίδες, όπου η τροχιά που διαγράφει η ακίδα σε σχέση με το επίπεδο x/y που ορίζεται από το μέσο αποθήκευσης, είναι η σπειροειδής καμπύλη του Αρχιμήδη. Η χρήση μιας τέτοιας σπειροειδούς τροχιάς οδηγεί σε σήμα θέσης αναφοράς με εξαιρετικά στενό συχνοτικό περιεχόμενο, το οποίο ολισθαίνει πολύ αργά στον χρόνο. Για πειραματική επιβεβαίωση, ο προτεινόμενος τρόπος σπειροειδούς κίνησης εφαρμόστηκε σε σύστημα αποθήκευσης πληροφορίας με ακίδες με δυνατότητες θερμομηχανικής εγγραφής και ανάγνωσης δεδομένων σε φιλμ πολυμερούς. Επιπλέον, μελετήθηκε η αξιοποίηση των ιδιοτήτων του νέου τύπου κίνησης από αρχιτεκτονικές ελέγχου ειδικά σχεδιασμένες και βελτιστοποιημένες για τη συγκεκριμένη οικογένεια τροχιών αναφοράς, με στόχο την επίτευξη πολύ υψηλότερων συχνοτήτων σάρωσης για την ίδια ακρίβεια θέσης. Προς επιβεβαίωση των θεωρητικών αναλύσεων, παρουσιάζονται αποτελέσματα εξομοιώσεων καθώς και πειραματικά αποτελέσματα από πειραματική διάταξη. Στο πλαίσιο της διατριβής πραγματοποιήθηκε και η μοντελοποίηση του καναλιού θερμομηχανικής αποθήκευσης με ακίδες σε μεμβράνες πολυμερούς υλικού. Ενώ η θεωρητική μορφή των θερμομηχανικά εγγεγραμμένων κοιλωμάτων είναι κωνική, στην πράξη η μορφή του απέχει πολύ από το θεωρητικό μοντέλο. Για τον λόγο αυτό, αναπτύχθηκε μοντέλο του συμβόλου ως προς την ταχύτητα σάρωσης κατά τη διαδικασία εγγραφής, με βάση πειραματικά δεδομένα. Στο πλαίσιο της διατριβής μελετήθηκε επίσης η δυνατότητα ανάπτυξης συνδυασμένων αρχιτεκτονικών ελέγχου παρακολούθησης και ανάκτησης χρονισμού συμβόλου, όπου η πληροφορία για τη στιγμιαία ταχύτητα του σαρωτή παρέχεται από το μέσο αποθήκευσης μέσω των κυκλωμάτων συγχρονισμού. Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων επιβεβαιώνουν την δυνατότητα αυτή, και επιπλέον δείχνουν ότι υπό προϋποθέσεις η ακρίβεια παρακολούθησης του συστήματος βελτιώνεται. Τέλος, διερευνήθηκε η απόδοση των προτεινόμενων μεθόδων στην περίπτωση φορητών συσκευών, τα οποία υπόκεινται σε εξωτερικές διαταραχές. Στο πλαίσιο της διερεύνησης αυτής, συλλέχθηκαν πειραματικά αποτελέσματα και αναλύθηκαν μετρήσεις τυπικών εξωτερικών διαταραχών. / The AFM techniques using scanning probes have the capacity not only to observe surfaces in atomic level but also to modify them at a very small scale. This feature motivates the use of these techniques to create storage devices capable of storing data in a much higher density than conventional devices. In various MEMS/NEMS-based data storage technology research projects with probes, the relative trajectory follows a raster pattern or similar. Despite its simple implementation, the aforementioned scanning pattern has significant disadvantages. In this work, an alternative spiral motion topology is proposed. The proposed method can be applied to any system based on scanning probes, such as storage systems and AFM imaging systems. In this work, the case of storage devices with probes is studied, in which the trajectory of the probe with respect to the x/y plane of the storage medium, is the spiral curve of Archimedes. The use of such a spiral trajectory leads to a reference position signal with extremely narrowband frequency content, which slides very slowly in time. For experimental verification, the proposed method of spiral motion was applied on a single probe experimental setup, with read and writes data thermomechanical capabilities on very thin polymer films. The aforementioned inherent properties of the proposed approach enable system designs with improved tracking performance and with non-intermittent, high-speed storage capabilities. Thus, the exploitation of these properties by architectures specifically designed and optimized for the particular reference trajectory is studied, in order to achieve much higher scanning frequencies for the same positioning accuracy. To verify the theoretical analysis, simulation results are presented as well as experimental results from the application of the proposed techniques and architectures in experimental AFM systems with a single probe. In this dissertation the modeling of the thermomechanical storage channel with probes in thin polymer films was also carried out. While the theoretical form of thermomechanically engraved indentations is conical, in practice its form is far from this theoretical model. Hence, a symbol model was developed in respect to the scanning speed during the write process, based on experimental data. This model can be used to properly design the equalization circuits depending on the motion speed of operation. Moreover, the possibility of developing combined architectures of tracking control and symbol timing recovery was also investigated, where the information regarding the scanner speed is provided from the storage medium via symbol timing synchronization circuits. The simulation results confirm this approach and, furthermore, show that, under certain conditions, the system’s tracking accuracy is improved. Finally, the performance of the proposed methods in the case of portable storage devices was investigated, where the systems are subjected to external disturbances. As part of this investigation, experimental results were collected and measurements of external disturbances, typical for such devices, were analyzed.

Τα φυσικά ανάλογα έχουν αποδειχθεί, στο παρελθόν, ιδιαίτερα υποσχόμενα για την κατανόηση της συμπεριφοράς των σύνθετων προσαρμοστικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων της μακροοικονομίας, των βιολογικών συστημάτων και των κοινωνικών δικτύων, καθώς πολλά από τα σημερινά τεχνικά ερωτήματα μπορούν να μετατραπούν σε ένα πρόβλημα κατανεμημένου οικονομικού ελέγχου. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή κι αξιοποίηση ενός τέτοιου ανάλογου με τη θερμοδυναμική, ατομική και στατιστική φυσική για τη μελέτη της συμπεριφοράς των απελευθερωμένων αγορών ηλεκτρικής ενέργειας. Αρχικά, επιχειρείται η συστημική ανάλυση όλων των συντελεστών, παραγόντων και λειτουργιών μίας αγοράς ηλεκτρισμού, με εκτενή αναφορά στην ελληνική πραγματικότητα, και, στη συνέχεια, αυτή μοντελοποιείται μαθηματικά, μέσω της οικονομικής ανάλυσης των αγορών και της προσέγγισης εκείνων των οικονομικών μοντέλων αγορών που ανταποκρίνονται στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Έπειτα, πραγματοποιείται μία εισαγωγή στην εφαρμοσμένη, κατά τον ίδιο τρόπο, στατιστική μηχανική, με τη συνοπτική περιγραφή αντίστοιχων προσεγγίσεων σε γνωστά μοντέλα του χρήματος, του χρέους και της ενεργειακής κατανάλωσης, ενώ τελικά κατασκευάζεται το ζητούμενο μοντέλο που διέπεται από τους κανόνες της στατιστικής μηχανικής, τους περιορισμούς και τις ιδιότητες της ελεύθερης αγοράς ηλεκτρισμού. / Physical analogs have previously proved to be quite promising for understanding the behavior of complex adaptive systems, including macroeconomics, biological systems and social networks, since many of today’s challenging technical questions and problems can be reduced to a distributed economic control problem. The purpose of this thesis is the derivation and development of such an analog to thermal, atomic and statistical physics, in order to study the behavior of free power markets. At first, a systemic approach of all agents, factors and functions of an electric power market is being attempted, with an extended reference to the greek power system and market, and, later, markets are being mathematically modeled, through the economic analysis of markets in general and the approach in those models which can be or have been adopted for electic power transactions. Then, an introduction to respectively applied statistical mechanics is being made, along with a summarized description of previous analogs invented for analyzing the models of money, debt and energy consumption, and, finally, the required model, ruled by the laws of statistical physics and the constraints and properties of free electric power markets, is being developed.