Resilient networks have the ability to provide the desired level of service, despite challenges such as malicious attacks and misconfigurations. The primary goal of this dissertation is to be able to provide uninterrupted network services in the face of an attack or any failures. This dissertation attempts to apply control system theory techniques with a focus on system identification and closed-loop feedback control. It explores the benefits of system identification technique in designing and validating the model for the complex and dynamic networks. Further, this dissertation focuses on designing robust feedback control mechanisms that are both scalable and effective in real-time. It focuses on employing dynamic and predictive control approaches to reduce the impact of an attack on network services. The closed-loop feedback control mechanisms tackle this issue by degrading the network services gracefully to an acceptable level and then stabilizing the network in real-time (less than 50 seconds). Employing these feedback mechanisms also provide the ability to automatically configure the settings such that the QoS metrics of the network is consistent with those specified in the service level agreements.

Immer wieder ist zu beobachten, wie schwierig es für Lernende im gewerblich-technischen Bereich ist, einen verständnisvollen Zugang zu komplexen technischen Systemen zu finden und wie schwer es ihnen fällt, geeignete mentale Modelle mit ausreichend großer Reichweite zum erfolgreichen Umgang mit komplexem Systemverhalten für ihren späteren Beruf zu entwickeln. Vor dem Hintergrund dieser unterrichtspraktischen Relevanz thematisiert der vorliegende Beitrag als übergeordnetes Ziel, mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) das Erfassen und Beherrschen komplexer technischer Systeme zum Aufbau beruflicher Handlungskompetenz als wesentlicher Bestandteil des Bildungsauftrags der Berufsschule in verstärktem Maße unterrichtlich etablieren zu können. Eine vorrangige Aufgabe dabei ist es, Lehrenden bei der praktischen Gestaltung geeigneter Lernsituationen Hilfestellung zu leisten bei der Entscheidung, ob und in welcher Form computergestützte Modellbildung und Simulation zum Zwecke ihrer unterrichtlichen Entwicklung sowie einer geeigneten Diagnostik geeignet ist. Den Lehrenden im Bereich der gewerblichen Bildung soll so eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Entwicklung und Förderung dieser bereichsübergreifenden Kompetenzen angelegt sein sollte und wie sie diese in ihrem Unterricht entwickeln und nutzen können. Dabei wird offensichtlich, dass komplexe Problemlösekompetenz durch lediglich einen einzigen, umfassenden Indikator nicht bestimm- beziehungsweise darstellbar ist. Die Befähigung zum Lösen komplexer Probleme ist jeweils nur in einem Bündel einzelner Kompetenzen darstellbar. Im konkreten Einzelfall ist jedoch recht gut beschreibbar, welche Komponenten zu diesem Bündel gehören. Eine allgemeine, Domänen unabhängige komplexe Problemlösekompetenz, die in spezifischen Kontexten und unterschiedlichen Berufsfeldern flexibel eingesetzt werden könnte, gibt es nicht. Der Grund liegt u. a. darin, dass Wissen als auch Fähigkeiten und Kompetenzen kontextgebunden sind. Erst über mannigfaltige und zeitintensive Einübungen können sie zunehmend bereichsübergreifend verallgemeinert werden. Mit der im empirischen Teil vorgestellten Untersuchung wird versucht, zur bislang im gewerblich-technischen Bereich nur sehr gering ausgeprägten experimentellen Fundierung der Entwicklung und Erfassung von Kompetenzen mit computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) beizutragen. Hauptanliegen der quasiexperimentellen und explorativen Studie war es, in der beruflichen Erstausbildung an einem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel zu prüfen, ob Lernenden über CMS unter der Verwendungsperspektive als so genanntes „Kognitives Tool“ eine (alternative) Zugangs- beziehungsweise Erschließungsmöglichkeit für den erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen ermöglicht werden kann. An dem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel wurde untersucht, ob Auszubildenden der Berufsschule, die über keine Kenntnisse in höherer Mathematik verfügen, ein solcher Zugang zu komplexem Systemverhalten gelingen kann. Im Rahmen der empirischen Untersuchungen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass computergestützte Modellbildung und Simulation, wenn sie unter bestimmten Konstruktionsbedingungen entwickelt und unter bestimmten Implementationsbedingungen eingesetzt wird, Lernergebnisse erbringt, die den theoretischen Anforderungen an Entwicklung und Erfassung einer komplexen Problemlösekompetenz genügen. In diesem Zusammenhang konnte auch aufgezeigt werden, dass sich eine komplexe Problemlösekompetenz in einer beruflichen Domäne operationalisieren und es sich beobachten lässt, ob bei den Auszubildenden eine Bewegung in Richtung auf den Aufbau entsprechender Fähigkeiten festzustellen ist. Genau so wichtig ist es aber auch zu zeigen, dass der Einsatz computergestützter Modellbildung undSimulation kein Selbstläufer ist, sondern vielmehr seitens der Lehrenden ein didaktisches Expertenwissen voraussetzt. Das Problem der notwendigen Balance zwischen (Lerner-)Konstruktion und (Lehrer-)Instruktion wurde in der Arbeit ausführlich dargestellt. Sind diese Bedingungen gegeben, so führt die Gestaltung computerbasierter Lernumgebungen durch Modellbildung und Simulation bei der unterrichtlichen Förderung einer Problemlösekompetenz zum erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen zu einer tiefen Elaboration von Konzepten und Zusammenhängen.

A helicopter can be used to transport a load hanging from a suspension cable. This technique is frequently used in construction, firefighting, and disaster relief operations, among other applications. Unfortunately, the suspended load swings, which makes load positioning difficult and can degrade control of the helicopter. This dissertation investigates the use of input shaping (a command-filtering technique for reducing vibration) to mitigate the load swing problem. The investigation is conducted using two different, but complementary, approaches. One approach studies manual tracking tasks, where a human attempts to make a cursor follow an unpredictably moving target. The second approach studies horizontal repositioning maneuvers on small-scale helicopter systems, including a novel testbed that limits the helicopter and suspended load to move in a vertical plane. Both approaches are used to study how input shaping affects control of a flexible element (the suspended load) and a driven base (the helicopter). In manual tracking experiments, conventional input shapers somewhat degraded control of the driven base but greatly improved control of the flexible element. New input shapers were designed to improve load control without negatively affecting base control. A method for adjusting the vibration-limiting aggressiveness of any input shaper between unshaped and fully shaped was also developed. Next, horizontal repositioning maneuvers were performed on the helicopter testbed using a human-pilot-like feedback controller from the literature, with parameter values scaled to match the fast dynamics of the model helicopter. It was found that some input shapers reduced settling time and peak load swing when applied to Attitude Command or Translational Rate Command response types. When the load was used as a position reference instead of the helicopter, the system was unstable without input shaping, and adding input shaping to a Translational Rate Command was able to stabilize the load-positioning system. These results show the potential to improve the safety and efficiency of helicopter suspended load operations.

Orientadores: Ernesto Ruppert Filho, Alfeu Joãozinho Sguarezi Filho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-23T13:09:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Trindade_FilipeSarmento_M.pdf: 4372801 bytes, checksum: 51cf6a93426e65669c049bef356ed0a2 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Nas últimas décadas, a crescente necessidade de novas fontes limpas e renováveis de energia elétrica provocou um grande interesse por meios alternativos às usinas elétricas convencionais. Entre eles, o aproveitamento da energia eólica. Nesse contexto, o gerador de indução de rotor bobinado tem sido bem utilizado com turbinas eólicas em todo o mundo devido à possibilidade de conexão do seu estator diretamente à rede elétrica e à possibilidade de controle das potências ativa e reativa através de conversores eletrônicos de potência conectados aos terminais do seu rotor, o que diminui a potência dos conversores para até 30% da potência nominal do gerador elétrico. Assim, a presente dissertação objetiva propor o controle das potências ativa e reativa do gerador elétrico com o uso de controladores por modos deslizantes utilizando a técnica de orientação de campo pelo fluxo do estator para realizar o controle independente dessas potências. Primeiramente, compara-se o desempenho do controlador proposto com o tradicional controle de potências por controladores PI, através de simulações computacionais da conexão do gerador à rede elétrica através de duas topologias de conversores: com apenas os terminais do estator conectados à rede elétrica e com os terminais do rotor também conectados através de conversores em anti-paralelo (back-to-back). Finalmente, o controlador por modos deslizantes foi implementado fisicamente em uma bancada experimental com apenas os terminais do estator do gerador conectados à rede elétrica para comprovação da proposta / Abstract: In the last decades, the increasing need for new clean and renewable sources of electric energy caused a great interest in alternative means to conventional power plants. Among them, the use of wind energy. In this context, the doubly-fed induction generator has been widely used with wind turbines worldwide due to the possibility of connecting its stator terminals directly to the electric power grid and its active and reactive power control possibility through electric power converters connected to its rotor terminals, which reduce the converters power capacity for up to 30% of the generator rated power. Thus, this dissertation aims to propose the generator active and reactive power control using sliding mode controllers using field-oriented control to perform independent power control. First, the performance of the proposed controller with the traditional PI power control controllers is compared through computer simulations connecting the generator to the electric grid through two converter topologies: with only the stator terminals connected to the grid and with the rotor terminals also connected to the grid through a back-to-back converter. Finally, the sliding mode controller was implemented on a laboratory assembly with only the generator stator terminals connected to the grid to prove the proposal / Mestrado / Energia Eletrica / Mestre em Engenharia Elétrica

In this thesis, a new method is followed to design an active control system which imparts viscoelastic phenomenological damping in an elastic structure. Properties of a hypothetical viscoelastic system are used to design an active feedback controller for an undamped structural system with distributed sensor, actuator and controller. The variational structure is projected on a solution space of a closed-loop system involving a weakly damped structure with distributed sensor and actuator with controller. These controller components assign the phenomenology based on internal strain rate damping parameter of a viscoelastic system to the undamped elastic structure. An elastic cantilever beam with proportional-derivative controller and displacement feedback is considered in all the design formulations. In the first part of the research, a closed-loop control system is designed using two time domain modern control system design methods, pole placement and optimal pole placement, which use viscoelastic damping parameter. Equation of motion of a viscoelastic system is employed to synthesize the desired closed-loop poles. Desired poles are then assigned to an elastic beam with an active controller. Time domain finite element formulation is used without considering actuator-sensor dynamics and the effect of transducer locations. Characteristics of closed-loop system gains are found as a function of desired damping parameter and realization of damping have been analyzed with closed loop system pole positions. The next part consists of a novel frequency domain active control system design to impart desired viscoelastic characteristics, which uses spectral method and the exact dynamic stiffness matrix of the system. In the first case, a sub-optimal local control system for a cantilever beam, with collocated actuator and sensor is designed. In the second case, a closed-loop local controller for an elastic system with non-collocated transducers is designed. Next, a global controller for non-collocated arrangement of sensor-actuator is designed by considering all the degrees-of freedom in the system, which leads to solving an eigenvalue problem. The reason for the failure of the collocated arrangement in global control is also explained. In this novel control system design method transducer dynamics and locations are considered in the formulation. In frequency domain design, the frequency responses of the system show satisfactory performance of the closed-loop elastic system. The closed-loop system is able to reproduce the desired viscoelastic characteristics as targeted in the design. Optimal and sub-optimal system gains are found as functions of transducer locations, transducer properties, excitation frequency and internal strain rate damping parameter of a hypothetical viscoelastic system. Performance of the closed loop system is established by comparing the specific damping capacity of the hypothetical viscoelastic system with that of the closed-loop elastic system. The novel frequency domain method is simple, accurate, efficient and can be extended to complex structures to achieve desired damping. The method can be a better way of designing structures with variable stiffness which has research potential in designing morphing airplanes/spacecrafts. The ultimate goal of this research is that, if this design method is applied to practical applications such as aircraft wings, where vibration is undesirable, one would be able to achieve strength and desired damping characters simultaneously.

<p>The vehicle industry has an endless appetite to get better. Often, this appetite is justified by the need of the hour. In the agricultural space, this translates to improving agricultural productivity in the face of population growth, reduced arable land and shortage of skilled farm labor. As for torsional vibrations, which have been around ever since the wheel was invented, the problem gets redefined with new regulations demanding new powertrains with improved fuel efficiency and reduced emissions.</p><p>A solution to the agriculture problem, involves efficiently automating the harvesting process.The first section of this thesis covers the ‘Auto-Unload’ where the goal of automation is achieved. This was done by building a simulation framework that was used to develop and synthesize the ‘AutoUnload’ controller. This controller was later deployed on a combine and a successful unloading on-the-go was demonstrated with a combine, tractor, and tractor-driven grain cart.</p><p>The solution to the second problem about drivetrain vibrations involved deriving a mathematical model for simulating the powertrain of a medium-duty truck. This was done to confirm resonance seen during testing done on a chassis dynamometer. The consequent control strategy to mitigate undesired vibration was to move the torque excitation away from the natural frequency of the system. This was achieved by a ‘gear-shifting’ algorithm. Comparison between on-road tests with and without the ‘gear-shifting’ algorithm showed that such a control strategy can effectively eliminate resonance. The solution methodology developed in this work is robust and transferable to higher engine torques and harvest speeds.</p>

Engineers have long been inspired by nature's flyers. Such animals navigate complex environments gracefully and efficiently by using a variety of evolutionary adaptations for high-performance flight. Biologists have discovered a variety of sensory adaptations that provide flow state feedback and allow flying animals to feel their way through flight. A specialized skeletal wing structure and plethora of robust, adaptable sensory systems together allow nature's flyers to adapt to myriad flight conditions and regimes. In this work, motivated by biology and the successes of bio-inspired, engineered aerial vehicles, linear quadratic control of a flexible, morphing wing design is investigated, helping to pave the way for truly autonomous, mission-adaptive craft. The proposed control algorithm is demonstrated to morph a wing into desired positions. Furthermore, motivated specifically by the sensory adaptations organisms possess, this work transitions to an investigation of aircraft wing load identification using structural response as measured by distributed sensors. A novel, recursive estimation algorithm is utilized to recursively solve the inverse problem of load identification, providing both wing structural and aerodynamic states for use in a feedback control, mission-adaptive framework. The recursive load identification algorithm is demonstrated to provide accurate load estimate in both simulation and experiment. / Graduation date: 2012

Neste trabalho é apresentado um estudo de controladores aplicados a retificadores boost pré reguladores de alto fator de potência. A estratégia convencional, mais utilizada, é o controle por valores médios instantâneos que apresenta uma malha de corrente rápida e uma malha de tensão lenta. A frequência de corte desta última malha é baixa devido a ondulação de tensão de saída no dobro da frequência da rede que deve existir para apresentar uma corrente de entrada com baixa distorção harmônica. Esses controles apresentam um sobressinal elevado e transição lenta durante transitórios de carga, levando a elevação da tensão dos capacitores de saída. A técnica apresentada é um controlador digital com feedforward de potência de saída associado a uma malha de realimentação direta, também conhecido como autocontrole. Essa estratégia possibilita melhores resultados nos transitórios de carga possibilitando redução do capacitor de saída com reduzido sobressinal no transitório de carga. / In this work a study applied in controlled boost rectifiers with high power factor is presented. A most widely used conventional control strategy is the instant average current control, this kind of control have a fast current loop and a slow voltage loop.The cutoff frequency of the voltage loop is low because the output voltage ripple must be twice the frequency of the input network, that need to exist to provide an input current with low harmonic distortion. These controllers feature a high overshoot and a slow transition during the transient load what leads a high voltage in the output capacitors. The developed technique is a digital controller that operate with a feedforward output power associated with one cycle control. This strategy provides better results in the load transient, reducing the overshoot and alloying a reduction of the output capacitor.

Neste trabalho é apresentado um estudo de controladores aplicados a retificadores boost pré reguladores de alto fator de potência. A estratégia convencional, mais utilizada, é o controle por valores médios instantâneos que apresenta uma malha de corrente rápida e uma malha de tensão lenta. A frequência de corte desta última malha é baixa devido a ondulação de tensão de saída no dobro da frequência da rede que deve existir para apresentar uma corrente de entrada com baixa distorção harmônica. Esses controles apresentam um sobressinal elevado e transição lenta durante transitórios de carga, levando a elevação da tensão dos capacitores de saída. A técnica apresentada é um controlador digital com feedforward de potência de saída associado a uma malha de realimentação direta, também conhecido como autocontrole. Essa estratégia possibilita melhores resultados nos transitórios de carga possibilitando redução do capacitor de saída com reduzido sobressinal no transitório de carga. / In this work a study applied in controlled boost rectifiers with high power factor is presented. A most widely used conventional control strategy is the instant average current control, this kind of control have a fast current loop and a slow voltage loop.The cutoff frequency of the voltage loop is low because the output voltage ripple must be twice the frequency of the input network, that need to exist to provide an input current with low harmonic distortion. These controllers feature a high overshoot and a slow transition during the transient load what leads a high voltage in the output capacitors. The developed technique is a digital controller that operate with a feedforward output power associated with one cycle control. This strategy provides better results in the load transient, reducing the overshoot and alloying a reduction of the output capacitor.

Immer wieder ist zu beobachten, wie schwierig es für Lernende im gewerblich-technischen Bereich ist, einen verständnisvollen Zugang zu komplexen technischen Systemen zu finden und wie schwer es ihnen fällt, geeignete mentale Modelle mit ausreichend großer Reichweite zum erfolgreichen Umgang mit komplexem Systemverhalten für ihren späteren Beruf zu entwickeln. Vor dem Hintergrund dieser unterrichtspraktischen Relevanz thematisiert der vorliegende Beitrag als übergeordnetes Ziel, mit Hilfe computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) das Erfassen und Beherrschen komplexer technischer Systeme zum Aufbau beruflicher Handlungskompetenz als wesentlicher Bestandteil des Bildungsauftrags der Berufsschule in verstärktem Maße unterrichtlich etablieren zu können. Eine vorrangige Aufgabe dabei ist es, Lehrenden bei der praktischen Gestaltung geeigneter Lernsituationen Hilfestellung zu leisten bei der Entscheidung, ob und in welcher Form computergestützte Modellbildung und Simulation zum Zwecke ihrer unterrichtlichen Entwicklung sowie einer geeigneten Diagnostik geeignet ist. Den Lehrenden im Bereich der gewerblichen Bildung soll so eine Möglichkeit aufgezeigt werden, wie die Entwicklung und Förderung dieser bereichsübergreifenden Kompetenzen angelegt sein sollte und wie sie diese in ihrem Unterricht entwickeln und nutzen können. Dabei wird offensichtlich, dass komplexe Problemlösekompetenz durch lediglich einen einzigen, umfassenden Indikator nicht bestimm- beziehungsweise darstellbar ist. Die Befähigung zum Lösen komplexer Probleme ist jeweils nur in einem Bündel einzelner Kompetenzen darstellbar. Im konkreten Einzelfall ist jedoch recht gut beschreibbar, welche Komponenten zu diesem Bündel gehören. Eine allgemeine, Domänen unabhängige komplexe Problemlösekompetenz, die in spezifischen Kontexten und unterschiedlichen Berufsfeldern flexibel eingesetzt werden könnte, gibt es nicht. Der Grund liegt u. a. darin, dass Wissen als auch Fähigkeiten und Kompetenzen kontextgebunden sind. Erst über mannigfaltige und zeitintensive Einübungen können sie zunehmend bereichsübergreifend verallgemeinert werden. Mit der im empirischen Teil vorgestellten Untersuchung wird versucht, zur bislang im gewerblich-technischen Bereich nur sehr gering ausgeprägten experimentellen Fundierung der Entwicklung und Erfassung von Kompetenzen mit computergestützter Modellbildung und Simulation (CMS) beizutragen. Hauptanliegen der quasiexperimentellen und explorativen Studie war es, in der beruflichen Erstausbildung an einem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel zu prüfen, ob Lernenden über CMS unter der Verwendungsperspektive als so genanntes „Kognitives Tool“ eine (alternative) Zugangs- beziehungsweise Erschließungsmöglichkeit für den erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen ermöglicht werden kann. An dem ausgewählten regelungstechnischen Beispiel wurde untersucht, ob Auszubildenden der Berufsschule, die über keine Kenntnisse in höherer Mathematik verfügen, ein solcher Zugang zu komplexem Systemverhalten gelingen kann. Im Rahmen der empirischen Untersuchungen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass computergestützte Modellbildung und Simulation, wenn sie unter bestimmten Konstruktionsbedingungen entwickelt und unter bestimmten Implementationsbedingungen eingesetzt wird, Lernergebnisse erbringt, die den theoretischen Anforderungen an Entwicklung und Erfassung einer komplexen Problemlösekompetenz genügen. In diesem Zusammenhang konnte auch aufgezeigt werden, dass sich eine komplexe Problemlösekompetenz in einer beruflichen Domäne operationalisieren und es sich beobachten lässt, ob bei den Auszubildenden eine Bewegung in Richtung auf den Aufbau entsprechender Fähigkeiten festzustellen ist. Genau so wichtig ist es aber auch zu zeigen, dass der Einsatz computergestützter Modellbildung undSimulation kein Selbstläufer ist, sondern vielmehr seitens der Lehrenden ein didaktisches Expertenwissen voraussetzt. Das Problem der notwendigen Balance zwischen (Lerner-)Konstruktion und (Lehrer-)Instruktion wurde in der Arbeit ausführlich dargestellt. Sind diese Bedingungen gegeben, so führt die Gestaltung computerbasierter Lernumgebungen durch Modellbildung und Simulation bei der unterrichtlichen Förderung einer Problemlösekompetenz zum erfolgreichen Umgang mit komplexen technischen Systemen zu einer tiefen Elaboration von Konzepten und Zusammenhängen.