Cranes are increasingly used in transportation and construction. increasing demand and faster requirements necessitate better and more efficient controllers to guarantee fast turn-around time and to meet safety requirements. Container cranes are used extensively in ship-to-port and port-to-ship transfer operations. In this work, we will extend the recently developed delayed position feedback controller to container cranes. In contrast with traditional work, which models a crane as a simple pendulum consisting of a hoisting cable and a lumped mass at its end, we have modeled the crane as a four-bar mechanism. The actual configuration of the hoisting mechanism is significantly different from a simple pendulum. It consists typically of a set of four hoisting cables attached to four different points on the trolley and to four points on a spreader bar. The spreader bar is used to lift the containers. Therefore, the dynamics of hoisting assemblies of large container cranes are different from that of a simple pendulum. We found that a controller which treats the system as a four-bar mechanism has an improved response. We developed a controller to meet the following requirements: traverse an 80-ton payload 50 m in 21.5 s, including raising the payload 15 m at the beginning and lowering the payload 15 m at the end of motion, while reducing the sway to 50 mm within 5.0 s at the end of the transfer maneuver. The performance of the controller has been demonstrated theoretically using numerical simulation. Moreover, the performance of the controller has been demonstrated experimentally using a 1/10th scale model. For the 1/10th scale model, the requirements translate into: traverse an 80 kg payload 5 m in 6.8 s, including raising 1.5 m at the beginning and lowering 1.5 m at the end of motion, while reducing the sway to 5 mm in under 1.6 s. The experiments validated the controller. / Master of Science

Le problème principalement étudié dans ce manuscrit est la stabilisation d'orbites périodiques de systèmes dynamiques non linéaires à l'aide d'une commande de rétroaction (feedback). Le but des méthodes de contrôle proposées ici est d'obtenir une oscillation périodique stable. Ces méthodes de contrôle sont appliquées à des systèmes présentant des orbites périodiques instables dans l'espace d'état, et ces dernières sont les orbites destinées à être stabilisées. Les méthodes proposées ici sont telles que l'oscillation stable qui en résulte est obtenue avec un effort de contrôle faible, et que la valeur de la commande tend vers zéro lorsque la trajectoire tend vers l'orbite stabilisée. La stabilité locale des orbites périodiques est analysée par l'étude de la stabilité des systèmes linéaires périodiques à l'aide de la théorie de Floquet. Ces systèmes linéaires sont obtenus par linéarisation des trajectoires au voisinage de l'orbite périodique. Les méthodes de contrôle utilisées ici pour la stabilisation des orbites périodiques sont une loi de commande proportionnelle, une loi de commande de rétroaction retardée et une loi de commande de rétroaction basée sur une prédiction. Ces méthodes sont appliquées aux systèmes en temps discret et aux systèmes en temps continu avec les modifications nécessaires. Les contributions principales de cette thèse sont associées à ces méthodes, proposant une méthode alternative de design de gain, une nouvelle loi de commande et des résultats associés.

Le problème principalement étudié dans ce manuscrit est la stabilisation d’orbites périodiques de systèmes dynamiques non linéaires à l’aide d’une commande de rétroaction (feedback). Le but des méthodes de contrôle proposées ici est d’obtenir une oscillation périodique stable. Ces méthodes de contrôle sont appliquées à des systèmes présentant des orbites périodiques instables dans l’espace d’état, et ces dernières sont les orbites destinées à être stabilisées.Les méthodes proposées ici sont telles que l’oscillation stable qui en résulte est obtenue avec un effort de contrôle faible, et que la valeur de la commande tend vers zéro lorsque la trajectoire tend vers l’orbite stabilisée. La stabilité locale des orbites périodiques est analysée par l’étude de la stabilité des systèmes linéaires périodiques à l’aide de la théorie de Floquet. Ces systèmes linéaires sont obtenus par linéarisation des trajectoires au voisinage de l’orbite périodique.Les méthodes de contrôle utilisées ici pour la stabilisation des orbites périodiques sont une loi de commande proportionnelle, une loi de commande de rétroaction retardée et une loi de commande de rétroaction basée sur une prédiction. Ces méthodes sont appliquées aux systèmes en temps discret et aux systèmes en temps continu avec les modifications nécessaires. Les contributions principales de cette thèse sont associées à ces méthodes, proposant une méthode alternative de design de gain, une nouvelle loi de commande et des résultats associés. / The main problem evaluated in this manuscript is the stabilization of periodic orbits of non-linear dynamical systems by use of feedback control. The goal of the control methods proposed in this work is to achieve a stable periodic oscillation. These control methods are applied to systems that present unstable periodic orbits in the state space, and the latter are the orbits to be stabilized.The methods proposed here are such that the resulting stable oscillation is obtained with low control effort, and the control signal is designed to converge to zero when the trajectory tends to the stabilized orbit. Local stability of the periodic orbits is analyzed by studying the stability of some linear time-periodic systems, using the Floquet stability theory. These linear systems are obtained by linearizing the trajectories in the vicinity of the periodic orbits.The control methods used for stabilization of periodic orbits here are the proportional feedback control, the delayed feedback control and the prediction-based feedback control. These methods are applied to discrete and continuous-time systems with the necessary modifications. The main contributions of the thesis are related to these methods, proposing an alternative control gain design, a new control law and related results. / O principal problema avaliado neste manuscrito é a estabilização de órbitas periódicas em sistemas dinâmicos não-lineares utilizando controle por realimentação. O objetivo dos métodos de controle propostos neste trabalho é obter uma oscilação periódica estável. Estes métodos de controle são aplicados a sistemas que apresentam órbitas periódicas instáveis no espaço de estados, estas são as órbitas a serem estabilizadas.Os métodos propostos aqui são tais que a oscilação periódica estável resultante é obtida utilizando um baixo esforço de controle, e o sinal de controle é projetado de forma a convergir para zero quanto a trajetória tende à órbita estabilizada. A estabilidade local de órbitas periódicas é analisada através do estudo da estabilidade de alguns sistemas lineares periódicos no tempo, utilizando a teoria de estabilidade de Floquet. Estes sistemas lineares são obtidos por linearização das trajetórias na vizinhança da órbita periódica.Os métodos de controle utilizados aqui para estabilização de órbitas periódicas são o proportional feedback control, o delayed feedback control e o prediction-based feedback control (controle por realimentação baseado em predição). Estes métodos são aplicados a sistemas de tempo discreto e de tempo contínuo, com as modificações necessárias. As principais contribuições da tese são relacionadas a esses métodos, propondo um projeto de ganho de controle alternativo, uma nova lei de controle e resultados relacionados.

Diplomová práce pojednává o teorii chaotických dynamických systémů, speciálně se pak zabývá Rösslerovým systémem. Kromě standardních výpočtů spojených s bifurkační analýzou se práce zaměřuje na problém stabilizace, konkrétně na stabilizaci rovnovážných bodů. Ke stabilizaci je využita základní metoda zpětnovazebního řízení s časovým zpožděním. Významnou část práce tvoří zavedení a implementace obecné metody pro hledání vhodné volby parametrů vedoucí k úspěšné stabiliaci. Dalším diskutovaným tématem je možnost synchronizace dvou Rösslerových systémů pomocí různých synchronizačních schémat.

We study the thermodynamic properties induced by non-reciprocal interactions between stochastic degrees of freedom in time- and space-continuous systems. We show that, under fairly general conditions, non-reciprocal coupling alone implies a steady energy flow through the system, i.e., non-equilibrium. Projecting out the non-reciprocally coupled degrees of freedom renders non-Markovian, one-variable Langevin descriptions with complex types of memory, for which we find a generalized second law involving information flow.We demonstrate that non-reciprocal linear interactions can be used to engineer non-monotonic memory, which is typical for, e.g., time-delayed feedback control, and is automatically accompanied with a nonzero information flow through the system. Furthermore, already a single non-reciprocally coupled degree of freedom can extract energy from a single heat bath (at isothermal conditions), and can thus be viewed as a minimal version of a time-continuous, autonomous ‘Maxwell demon’.We also show that for appropriate parameter settings, the non-reciprocal system has characteristic features of active matter, such as a positive energy input on the level of the fluctuating trajectories without global particle transport.

The main problem evaluated in this manuscript is the stabilization of periodic orbits of non-linear dynamical systems by use of feedback control. The goal of the control methods proposed in this work is to achieve a stable periodic oscillation. These control methods are applied to systems that present unstable periodic orbits in the state space, and the latter are the orbits to be stabilized.The methods proposed here are such that the resulting stable oscillation is obtained with low control effort, and the control signal is designed to converge to zero when the trajectory tends to the stabilized orbit. Local stability of the periodic orbits is analyzed by studying the stability of some linear time-periodic systems, using the Floquet stability theory. These linear systems are obtained by linearizing the trajectories in the vicinity of the periodic orbits.The control methods used for stabilization of periodic orbits here are the proportional feedback control, the delayed feedback control and the prediction-based feedback control. These methods are applied to discrete and continuous-time systems with the necessary modifications. The main contributions of the thesis are related to these methods, proposing an alternative control gain design, a new control law and related results.

Diplomová práce pojednává o stabilizaci diskrétního logistického modelu pomocí několika řídících metod. Je zde provedena především stabilizace rovnováh, 2-periodických cyklů a 3-periodických cyklů. Ke stabilizaci systému je využito proporčního zpětně-vazebního řízení, zpětně-vazebního řízení s časovým zpožděním a řízení založeného na predikci. U každé metody je diskutovaná stabilizační množina pro řídící zesilovač spolu s oblastmi stability pro odpovídající kontrolovaná řešení. Všechny teoretické výsledky jsou ilustrovány grafickými interpretacemi v softwaru MATLAB. Podpůrné výpočty jsou provedeny pomocí softwaru Maple.