Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, sob a orientação do Prof. Doutor J.A. Tenreiro Machado

A extensão dos fenômenos quânticos em escala macroscópica é responsável por toda uma classe de efeitos como a supercondutividade, superfluidez, e condensação de Bose-Einstein, as quais desempenham um papel central na física ao longo do século passado. A produção dos primeiros condensados de Bose-Einstein tornou possível a realização de experimentos envolvendo fenômenos quânticos macroscópicos com um nível sem precedentes de controle dos parâmetros externos. As correntes persistentes em condensados estão intimamente relacionados com a nucleação de vórtices quantificados, que são defeitos topológicos como resposta à transferência de quanta de momento angular. Um método convencional para geração de tais defeitos consiste em confinar a nuvem atômica condensada em uma armadilha com rotação. Acontece que, para velocidades angulares acima de um valor crítico, estados de vórtice se tornam energeticamente favoráveis, induzindo assim a criação de vórtices quânticos. Realizações experimentais de condensados de átomos de metais alcalinos confinados por potenciais dependentes do tempo permitiram a observação não só de redes de vórtices, mas também de turbulência quântica. Uma vez que a turbulência quântica é caracterizada pela presença de um emaranhado de vórtices quânticos interagindo entre si, uma correta compreensão da dinâmica, formação e estabilidade de vórtices tem se mostrado de grande importância sendo objeto de muitos trabalhos teóricos. Em particular, o papel das excitações acústicas geradas pelo decaimento de vórtices de multipla carga no desenvolvimento de turbulência ainda é uma questão em aberto. Este trabalho tem como objetivo fornecer um conjunto de ferramentas que ajude a identificar a presença, como também a carga de vórtices em nuvens (não turbulentas) observadas utilizando imagens de tempo-de-voo. Temos feito um estudo detalhado de condensados contendo vórtices carga múltipla colocados no seu centro, onde a dinâmica do tempo-de-voo é apenas de nossos pontos de interesse. Devido ao controle que este sistema fornece experimentalmente, os modos coletivos tornam-se uma descrição importante, uma vez que podem ser excitadas usando métodos experimentais bem estabelecido tal como a modulação do comprimento de espalhamento de ondas-s, e que também pode ser responsável pelo decaimento do vórtice. Para tais fins, temos utilizado o método variacional (semi-analítico), e o cálculo totalmente numérico da equação de Gross-Pitaevskii. Assim, descrevemos os modos coletivos que acoplam a dinâmica do vórtice com as oscilações das componentes externas do condensado, bem como os efeitos em tempo-de-voo. O momento angular atua aumentando a energia cinética em torno do núcleo de vórtice, que implica em um aumento mais rápido da direção perpendicular a este. Esta situação desloca as freqüências de oscilações coletivas de um estado livre de vórtice, e gera modos coletivos mais ricos devido ao acoplamento. Agora, existem quatro modos possíveis, sendo dois tipos de modo monopolar e dois tipos de modos de quadrupolo. A diferença dentre tais modos é a fase de oscilação do vórtice. Quando se considera flutuações sem simetria polar, seus modos coletivos resultam no decaimento do vórtice. A fim de controlar e prevenir estes processos propusemos três mecanismos dinâmicos, tais como a modulação de comprimento de espalhamento, a modulação das frequências da armadilha harmônica e modulação da amplitude do potencial de Laguerre-Gauss. O último tem provado ser mais eficaz. / The extension of quantum phenomena into macroscopic scales is responsible for a whole class of effects such as superconductivity, superfluidity, and Bose-Einstein condensation, which played central roles in physics throughout the last century. The production of the first Bose-Einstein condensates made possible the realization of experiments involving macroscopic quantum phenomena with an unprecedented level of control of the external parameters. The persistent currents in condensates are intimately related to the nucleation of quantized vortices, which are topological defects as response to transference of quanta of angular momentum. A conventional method for generation of such defects consists in confining the condensed atomic cloud into a rotating trap. It turns out that, for angular velocities higher than a critical value, vortex states become energetically favorable, thus inducing the creation of quantized vortices. Experimental realizations of condensed alkali-metal atoms confined by more general time-dependent potentials allowed the observation not only of vortex lattices but also of quantum turbulence. Since quantum turbulence is characterized by the presence of a self-interacting tangle of quantized vortices, the correct understanding of dynamics, formation, and stability of vortices has shown to be of paramount importance being the subject of many theoretical works. In particular, the role of acoustic excitations generated by decaying multi-charged vortices in the development of turbulence is still an open question. This work aims to provide a set of tools that helps to identify the presence as well as the charge of vortices in non-turbulent clouds observed using time-of-flight pictures. We have done a detailed study of condensates containing multi-charged vortices placed at its center where time-of-flight dynamics is only one point of our interest. Due to the control that this system provides experimentally, the collective modes become an important description since they can be excited using well stablished experimental methods as such as modulation of the s-wave scattering length, and they can also be responsible to vortex decaying. For such purposes we have used the semi-analytical variational method, and the fully numerical calculation of Gross-Pitaevskii equation. Thus we have describes the collective modes that couples dynamics of vortex with the oscillation of external components of condensed atomic cloud as well as the effects in time-of-flight. The angular momentum acts increasing the kinetic energy around the vortex core, which results in a faster expansion of perpendicular direction to it. This situation shifts the frequencies of collective oscillations of a vortex-free state, and generates richer collective modes due the coupling. Now there are four possible modes, being two types of monopole mode and two types of quadrupole modes. The difference among these types is the phase of vortex oscillation. When one considers fluctuations without polar symmetry, their collective modes result in the vortex decaying. In order to control and prevent these processes we have proposed three dynamical mechanisms such as modulation of s-wave scattering length, modulation of frequencies of harmonic trap, and modulation of the amplitude of Laguerre-Gauss potential. The last one has proven to be more effective.

Este trabalho apresenta uma formulação variacional para cascas finas rasas com dupla curvatura, tendo como variáveis de campo o deslocamento transversal e a função de tensão de Airy. São obtidas as condições de contorno do problema e as equações de Euler-Lagrange. A formulação de um elemento finito baseado no princípio variacional é obtido. Como verificação e aplicação, vários resultados numéricos são obtidos e comparados com outros resultados disponíveis. Com base na presente formulação do elemento finito a técnica de superposição modal é usada para obter a resposta dinâmica de cascas achatadas sob excitação harmônica.

Esta tese examina a identificação paramétrica das derivadas de estabilidade e controle da dinâmica longitudinal de uma aeronave, com a aplicação prática do método de "Maximum Likelihood Estimation" (MLE) e um algoritmo de otimização por Gauss-Newton. A dinâmica longitudinal foi representada por um modelo linear derivado das leis de Newton, obtendo as equações de estado. As equações de saída foram obtidas do modelamento dos sensores usados para medição das grandezas físicas relevantes. O algoritmo e o programa em MATLAB desenvolvidos foram aplicados aos dados práticos obtidos com um vôo na aeronave AT-26 FAB 4516. A aeronave estava equipada com uma instrumentação para medição e gravação dos parâmetros necessários para a identificação paramétrica em questão. Os resultados obtidos foram analisados neste trabalho, e demonstraram a validade prática do método para obtenção das derivadas de estabilidade e controle longitudinal de uma aeronave. O resultado demonstrou ajustamento adequado entre as observações e o modelo identificado.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:30:50Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-08-21Bitstream added on 2014-06-13T19:19:29Z : No. of bitstreams: 1 pereira_als_dr_ilha.pdf: 1505539 bytes, checksum: 8b3fa09211b5f80a63a93c6fd21675aa (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta estudos referentes à inclusão do dispositivo FACTS STATCOM e a utilização de Redes Neurais Artificiais para o ajuste dos parâmetros de sinais adicionais estabilizantes (PSS’s e POD’s) no sistema de potência multimáquinas. O objetivo é a melhoria da estabilidade frente às pequenas perturbações do sistema de energia elétrica. O modelo matemático utilizado para o estudo das oscilações eletromecânicas de baixa freqüência em sistemas de energia elétrica foi o Modelo de Sensibilidade de Potência (MSP), modificado para permitir a inclusão do dispositivo STATCOM. Este modelo baseia-se no princípio de que o balanço de potência ativa e reativa deve ser satisfeito continuamente em qualquer barra do sistema durante um processo dinâmico. Prosseguindo na realização do trabalho foram desenvolvidos os modelos matemáticos para a inclusão dos PSS’s e POD’s no sistema elétrico, bem como foi realizada uma discussão a respeito da escolha do local de instalação destes controladores e técnicas clássicas para o ajuste de seus parâmetros. A partir disto foram utilizadas redes neurais artificiais (RNA’s) com o objetivo de ajustar os parâmetros dos controladores. A rede utilizada para este fim foi a do tipo Perceptron Multicamadas, sendo utilizado para o seu treinamento o algoritmo Backpropagation. Simulações foram realizadas e os resultados obtidos para os sistemas testes Sul Brasileiro, Simétrico de Duas Áreas e New England são comentados / This work presents studies about the inclusion of FACTS STATCOM devices using neural networks tune stability additional signal parameters (PSS’s and POD’s) on a multi-machine power system. The objective is to improve the stability to small perturbations in electric power systems. The mathematical model used for studying the lower frequency electromechanical oscillations is the Power Sensitivity Model (PSM), modified to allow the inclusion of the STATCOM device. This model is based on the principle that the active and reactive power balance must be continuously satisfied in every bus of the system during the dynamical process. Mathematical models were developed to include the PSS’s and POD’s on the electrical system, as well as the local to install these control devices and the classical techniques to adjust these parameters. Afterwards, the neural networks were used to adjust the parameters of the controllers. The neural network used is a Perceptron Multi Layer, with the training by backpropagation. Simulations were effectuated for the South Brazilian Power System, the Two Areas Symmetrical Power System and the New England Power System

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:22:35Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-01-25Bitstream added on 2014-06-13T20:09:50Z : No. of bitstreams: 1 furini_ma_me_ilha.pdf: 1020610 bytes, checksum: d3a4a2f6ec4cb8559c7d3d6b770ec955 (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / O objetivo desta Dissertação de Mestrado é apresentar a possibilidade de fornecer amortecimento às oscilações de baixa freqüência do sistema elétrico de potência através dos dispositivos FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) e UPFC (Unified Power Flow Controller). Para isso realiza-se o desenvolvimento e implementação do Modelo de Sensibilidade de Potência para sistemas multmáquinas. Na seqüência são introduzidos os dispositivos TCSC e UPFC, bem como os seus controladores. Apresentam-se resultados de acordo com a evolução dos modelos que representam os dispositivos FACTS, ou seja, parte-se de uma compensação fixa, passando para um modelo dinâmico de primeira ordem e por fim, é incluído o controlador POD (Power Oscillation Damping). A utilização de sinais locais e remotos para entrada do controlador POD também é analisada. Além disso são mostrados os resultados obtidos pela técnica clássica de introdução de amortecimento através de sinais suplementares (os estabilizadores de sistemas de potência – PSS: Power System Stabilizers). O projeto dos controladores POD e PSS é baseado no método da compensação de fase, utilizando a teoria de controle clássico. Fatores de participação, autovetores, autovalores e resíduos de funções de transferência são utilizados como índices para examinar a melhor alocação dos controladores POD e PSS no sistema elétrico de potência. / The objective of this work is to present the possibility to provide damping to low frequencies oscillations of the electrical power systems by FACTS devices (Flexible Alternating Current Transmission System): TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) and UPFC (Unified Power Flow Controller). This is developed and implemented using the Power Sensitivity Model for multimachine systems. Afterwards, the TCSC and UPFC devices are introduced as well as the controllers. Results are presented according to the evolution of the models that represent the FACTS devices, i.e., it starts with a fixed compensation, passing through a first order dynamic model and finally, it is included a POD controller (Power Oscillation Damping). It is also analyzed the inclusion of local and remote signals for the input of the POD controller. Besides, results obtained by classical techniques of introducing damping by supplementary signals (Power Systems Stabilizer – PSS) are shown. The project of POD and PSS controllers are based on the Phase Compensation Method using the classical control theory. Participation Factor like eigenvalues, eigenvectors and transfer function residues are used as index to examine the best allocation of the POD and PSS controllers on the electrical power systems.

A extensão dos fenômenos quânticos em escala macroscópica é responsável por toda uma classe de efeitos como a supercondutividade, superfluidez, e condensação de Bose-Einstein, as quais desempenham um papel central na física ao longo do século passado. A produção dos primeiros condensados de Bose-Einstein tornou possível a realização de experimentos envolvendo fenômenos quânticos macroscópicos com um nível sem precedentes de controle dos parâmetros externos. As correntes persistentes em condensados estão intimamente relacionados com a nucleação de vórtices quantificados, que são defeitos topológicos como resposta à transferência de quanta de momento angular. Um método convencional para geração de tais defeitos consiste em confinar a nuvem atômica condensada em uma armadilha com rotação. Acontece que, para velocidades angulares acima de um valor crítico, estados de vórtice se tornam energeticamente favoráveis, induzindo assim a criação de vórtices quânticos. Realizações experimentais de condensados de átomos de metais alcalinos confinados por potenciais dependentes do tempo permitiram a observação não só de redes de vórtices, mas também de turbulência quântica. Uma vez que a turbulência quântica é caracterizada pela presença de um emaranhado de vórtices quânticos interagindo entre si, uma correta compreensão da dinâmica, formação e estabilidade de vórtices tem se mostrado de grande importância sendo objeto de muitos trabalhos teóricos. Em particular, o papel das excitações acústicas geradas pelo decaimento de vórtices de multipla carga no desenvolvimento de turbulência ainda é uma questão em aberto. Este trabalho tem como objetivo fornecer um conjunto de ferramentas que ajude a identificar a presença, como também a carga de vórtices em nuvens (não turbulentas) observadas utilizando imagens de tempo-de-voo. Temos feito um estudo detalhado de condensados contendo vórtices carga múltipla colocados no seu centro, onde a dinâmica do tempo-de-voo é apenas de nossos pontos de interesse. Devido ao controle que este sistema fornece experimentalmente, os modos coletivos tornam-se uma descrição importante, uma vez que podem ser excitadas usando métodos experimentais bem estabelecido tal como a modulação do comprimento de espalhamento de ondas-s, e que também pode ser responsável pelo decaimento do vórtice. Para tais fins, temos utilizado o método variacional (semi-analítico), e o cálculo totalmente numérico da equação de Gross-Pitaevskii. Assim, descrevemos os modos coletivos que acoplam a dinâmica do vórtice com as oscilações das componentes externas do condensado, bem como os efeitos em tempo-de-voo. O momento angular atua aumentando a energia cinética em torno do núcleo de vórtice, que implica em um aumento mais rápido da direção perpendicular a este. Esta situação desloca as freqüências de oscilações coletivas de um estado livre de vórtice, e gera modos coletivos mais ricos devido ao acoplamento. Agora, existem quatro modos possíveis, sendo dois tipos de modo monopolar e dois tipos de modos de quadrupolo. A diferença dentre tais modos é a fase de oscilação do vórtice. Quando se considera flutuações sem simetria polar, seus modos coletivos resultam no decaimento do vórtice. A fim de controlar e prevenir estes processos propusemos três mecanismos dinâmicos, tais como a modulação de comprimento de espalhamento, a modulação das frequências da armadilha harmônica e modulação da amplitude do potencial de Laguerre-Gauss. O último tem provado ser mais eficaz. / The extension of quantum phenomena into macroscopic scales is responsible for a whole class of effects such as superconductivity, superfluidity, and Bose-Einstein condensation, which played central roles in physics throughout the last century. The production of the first Bose-Einstein condensates made possible the realization of experiments involving macroscopic quantum phenomena with an unprecedented level of control of the external parameters. The persistent currents in condensates are intimately related to the nucleation of quantized vortices, which are topological defects as response to transference of quanta of angular momentum. A conventional method for generation of such defects consists in confining the condensed atomic cloud into a rotating trap. It turns out that, for angular velocities higher than a critical value, vortex states become energetically favorable, thus inducing the creation of quantized vortices. Experimental realizations of condensed alkali-metal atoms confined by more general time-dependent potentials allowed the observation not only of vortex lattices but also of quantum turbulence. Since quantum turbulence is characterized by the presence of a self-interacting tangle of quantized vortices, the correct understanding of dynamics, formation, and stability of vortices has shown to be of paramount importance being the subject of many theoretical works. In particular, the role of acoustic excitations generated by decaying multi-charged vortices in the development of turbulence is still an open question. This work aims to provide a set of tools that helps to identify the presence as well as the charge of vortices in non-turbulent clouds observed using time-of-flight pictures. We have done a detailed study of condensates containing multi-charged vortices placed at its center where time-of-flight dynamics is only one point of our interest. Due to the control that this system provides experimentally, the collective modes become an important description since they can be excited using well stablished experimental methods as such as modulation of the s-wave scattering length, and they can also be responsible to vortex decaying. For such purposes we have used the semi-analytical variational method, and the fully numerical calculation of Gross-Pitaevskii equation. Thus we have describes the collective modes that couples dynamics of vortex with the oscillation of external components of condensed atomic cloud as well as the effects in time-of-flight. The angular momentum acts increasing the kinetic energy around the vortex core, which results in a faster expansion of perpendicular direction to it. This situation shifts the frequencies of collective oscillations of a vortex-free state, and generates richer collective modes due the coupling. Now there are four possible modes, being two types of monopole mode and two types of quadrupole modes. The difference among these types is the phase of vortex oscillation. When one considers fluctuations without polar symmetry, their collective modes result in the vortex decaying. In order to control and prevent these processes we have proposed three dynamical mechanisms such as modulation of s-wave scattering length, modulation of frequencies of harmonic trap, and modulation of the amplitude of Laguerre-Gauss potential. The last one has proven to be more effective.

O presente trabalho tem por objetivo a caracterização dinâmica dos sistemas múltiplos de planetas extrassolares. O critério de classificação escolhido é baseado na proposta publicada inicialmente em Ferraz-Mello et al. (2005) e posteriormente modicada em Michtchenko et al. (2007). Para a obtenção dos parâmetros planetários orbitais foi feita uma pesquisa em diversos catálogos e artigos disponíveis para posterior criação de um catálogo próprio. Este incluiu somente sistemas extrassolares múlltiplos, ou seja, sistemas que contêm dois ou mais planetas orbitando a estrela. Foram feitas simulações numéricas de estabilidade dinâmica dos sistemas do catálogo próprio com tempos de integração de 200 mil até 21 milhões de anos. Ao todo, foram analisados 37 sistemas múltiplos extrassolares, divididos em 50 subsistemas considerando-se a estrela e dois planetas em órbitas consecutivas. Ao todo, foram analisados 37 sistemas múltiplos extrassolares, divididos em 50 subsistemas considerando-se a estrela e dois planetas em órbitas consecutivas. Estes foram submetidos ao total de 68 simulações computacionais. Os sistemas que apresentaram um cenário de estabilidade dinâmica foram posteriormente separados em três classes: ressonantes, seculares ou hierárquicos. Mais ainda, o comportamento secular desses sistemas foi classificado conforme o movimento do ângulo \"Deltavarpi\" : oscilatório em torno de 0º, oscilatório em torno de 180º ou circulatório. Os resultados das simulações são mostrados para todos os sistemas estudados. / The aim of the present work is a dynamic classification of multiple extrasolar systems. The characterization criterion used is based on a criterion proposed initially in Ferraz-Mello et al. (2005) and modified in Michtchenko et al. (2007). To obtain orbital parameters of the extrasolar systems, a search was done into several available catalogues and the scientific literature. A new catalogue was compiled containing only multiple extrasolar systems, that is, systems with two or more planets in orbit of the host star. Numerical simulations of dynamical stability of the cataloged systems were done considering pairs of planets on the consecutive orbits. Totally, 37 multiple extrasolar systems were analyzed, decomposed in 50 sub-systems each one consisting of the host star and two planets. The time evolution of those were simulated over time spans from 200 thousand years to 21 million years in 68 numerical simulations. The systems which have presented a dynamical stability were subsequently classified in resonants, secular or hierarchical and their secular behavior was classified with respect of the angle \"Deltavarpi\" as oscillation around 0º, oscillation around 180º or circulation. The result of all simulations are presented here for the analyzed systems.

Este trabalho aborda as oscilações eletromecânicas de baixa frequência, relativas a modos interáreas, pouco amortecidos, avaliando o seu impacto no desempenho de redes elétricas multi-máquinas com o objetivo de elevar o amortecimento destes modos com equipamentos TCSC. Os locais apropriados para instalação destes equipamentos são escolhidos com a análise dos resíduos de funções de transferência e o ajuste de parâmetros, para o projeto coordenado de controladores, utiliza o método de imposição de polos. O sistema não linear de equações, obtido com a aplicação do método de imposição de polos, supondo coeficientes de amortecimento pré-estabelecidos, é resolvido utilizando-se o método de Newton Raphson. Adicionalmente, avalia-se a possibilidade do método auxiliar na análise de interações entre controladores e identificação de acoplamentos, por meio da análise dos termos que compõem as equações de imposição de polos. / This work deals with low frequency oscillations related to inter-area modes, evaluating their impact on the performance of multi-machine electrical networks with the aim to increase the damping of these modes using TCSC. The best places to install these devices are chosen with the analysis of the residues of transfer functions and the parameter fitting for coordinated application of stabilizers is performed with the pole placement method. The nonlinear system of equations, obtained with the pole placement method, assuming specified damping factors, is solved with the Newton-Raphson method. The method is also used in the analysis of control interaction among stabilizers through the evaluation of individual parcels of the pole placement equations, as an additional feature of the approach.

Este trabalho aborda as oscilações eletromecânicas de baixa frequência, relativas a modos interáreas, pouco amortecidos, avaliando o seu impacto no desempenho de redes elétricas multi-máquinas com o objetivo de elevar o amortecimento destes modos com equipamentos TCSC. Os locais apropriados para instalação destes equipamentos são escolhidos com a análise dos resíduos de funções de transferência e o ajuste de parâmetros, para o projeto coordenado de controladores, utiliza o método de imposição de polos. O sistema não linear de equações, obtido com a aplicação do método de imposição de polos, supondo coeficientes de amortecimento pré-estabelecidos, é resolvido utilizando-se o método de Newton Raphson. Adicionalmente, avalia-se a possibilidade do método auxiliar na análise de interações entre controladores e identificação de acoplamentos, por meio da análise dos termos que compõem as equações de imposição de polos. / This work deals with low frequency oscillations related to inter-area modes, evaluating their impact on the performance of multi-machine electrical networks with the aim to increase the damping of these modes using TCSC. The best places to install these devices are chosen with the analysis of the residues of transfer functions and the parameter fitting for coordinated application of stabilizers is performed with the pole placement method. The nonlinear system of equations, obtained with the pole placement method, assuming specified damping factors, is solved with the Newton-Raphson method. The method is also used in the analysis of control interaction among stabilizers through the evaluation of individual parcels of the pole placement equations, as an additional feature of the approach.