Adaptive control designs using neural networks (NNs) based on dynamic inversion are investigated for aerospace vehicles which are operated at highly nonlinear dynamic regimes. NNs play a key role as the principal element of adaptation to approximately cancel the effect of inversion error, which subsequently improves robustness to parametric uncertainty and unmodeled dynamics in nonlinear regimes. An adaptive control scheme previously named composite model reference adaptive control is further developed so that it can be applied to multi-input multi-output output feedback dynamic inversion. It can have adaptive elements in both the dynamic compensator (linear controller) part and/or in the conventional adaptive controller part, also utilizing state estimation information for NN adaptation. This methodology has more flexibility and thus hopefully greater potential than conventional adaptive designs for adaptive flight control in highly nonlinear flight regimes. The stability of the control system is proved through Lyapunov theorems, and validated with simulations. The control designs in this thesis also include the use of pseudo-control hedging techniques which are introduced to prevent the NNs from attempting to adapt to various actuation nonlinearities such as actuator position and rate saturations. Control allocation is introduced for the case of redundant control effectors including thrust vectoring nozzles. A thorough comparison study of conventional and NN-based adaptive designs for a system under a limit cycle, wing-rock, is included in this research, and the NN-based adaptive control designs demonstrate their performances for two highly maneuverable aerial vehicles, NASA F-15 ACTIVE and FQM-117B unmanned aerial vehicle (UAV), operated under various nonlinearities and uncertainties.

A study on shape memory alloy materials as vibration dampers is reported. An important component is the strain rate-dependent and temperature-dependent constitutive behavior of shape memory alloy, which can significantly change its energy dissipation capacity under cyclic loading. The constitutive model used accounts for the thermo-mechanical strain rate-dependent behavior and phase transformation. With increasing structural flexibility, the hysteretic loop size of shape memory alloy dampers increases due to increasing strain rates, thus further decreasing the response of the structure to cyclic excitation. The structure examined is a beam, and its behavior with shape memory alloy dampers is compared to the same beam with conventional dampers. Parametric studies reveal the superior performance of the shape memory alloy over the conventional dampers even at the resonance frequency of the beam-damper system. An important behavior of the shape memory alloy dampers is discovered, in that they absorb energy from the fundamental and higher vibration modes. In contrast, the conventional dampers transfer energy to higher modes. For the same beam control, the stiffness requirement for the shape memory alloy dampers is significantly less than that of the conventional dampers. Response quantities of interest show improved performance of the shape memory alloy over the conventional dampers under varying excitation intensity, frequency, temperature, and strain rate.

O método dos elementos finitos é o método numérico mais difundido na análise de estruturas. Ao longo das últimas décadas foram formulados inúmeros elementos finitos para análise de cascas e placas. As formulações de elementos finitos lidam bem com o campo de deslocamentos, mas geralmente faltam testes que possam validar os resultados obtidos para o campo das tensões. Este trabalho analisa o elemento finito T6-3i, um elemento finito triangular de seis nós proposto dentro de uma formulação geometricamente exata, em relação aos seus resultados de tensões, comparando-os com as teorias analíticas de placas, resultados de tabelas para o cálculo de momentos em placas retangulares e do ANSYSr, um software comercial para análise estrutural, mostrando que o T6-3i pode apresentar resultados insatisfatórios. Na segunda parte deste trabalho, as potencialidades do T6-3i são expandidas, sendo proposta uma formulação dinâmica para análise não linear de cascas. Utiliza-se um modelo Lagrangiano atualizado e a forma fraca é obtida do Teorema dos Trabalhos Virtuais. São feitas simulações numéricas da deformação de domos finos que apresentam vários snap-throughs e snap-backs, incluindo domos com vincos curvos, mostrando a robustez, simplicidade e versatilidade do elemento na sua formulação e na geração das malhas não estruturadas necessárias para as simulações. / The Finite Element Method (FEM) is the numerical method most commonly used in structural analysis. A number of shell and plate finite elements has been suggested in the last decades. Finite element formulations deal well with the displacements field, but they usually lack tests that can validate the results obtained for the stress field. This work analyzes the finite element T6-3i, a six-nodes triangular finite element derived from a geometrically exact theory, regarding its stress results, comparing them with analytic plate theories, results from tables of moments in rectangular plates and from ANSYSr, a commercial software for structural analysis, showing that T6-3i can present unsatisfactory results. In the second part of this work, the T6-3i potentialities are expanded as a dynamic formulation for nonlinear shell analysis is proposed. An updated Lagrangian framework has been used and the weak form is obtained from the Principle of VirtualWork. Several numerical examples of folding a thin dome, which present various snap-throughs and snap-backs are presented, including creased shells, showing the robustness, simplicity and versatility of the element formulation and in generation of the unstructured curved meshes indispensable for the simulations.

Neste trabalho de tese, estudamos o modelo de crescimento logístico de populações biológicas utilizando a abordagem de espaço de estados. Os estados não observados são as biomassas anuais, a equação de observação é linear e a equação de estado é não linear. As distribuições de probabilidade utilizadas para os termos de erro de observação aditivos são: Normal, t-student, Skew-normal e Skew-t. As distribuições Log-normal, Log-t, Log-skew-normal e Log-skew-t são consideradas para os erros de observação multiplicativos. A inferência nos modelos é realizada considerando-se métodos Bayesianos e as distribuições a posterior de interesse são aproximadas utilizando-se algoritmos MCMC e a aproximação de Laplace. Apresentamos duas aplicações, a primeira referente a pesca de camarão marinho na costa do Chile, na qual a variável observável é o rendimento médio anual de pesca (captura por unidade de esforço média). Na segunda é considerada a pesca de lagostim vermelho na costa de Chile, na qual além do rendimento médio anual da pesca, observa-se as estimativas anuais de biomassa vulnerável, obtidas através de estudos de área varrida. Para o primeiro conjunto de dados, os modelos com erros de observação multiplicativos têm melhor performance, particularmente os modelos Log-skew-normal e Log-skew-t. Considerando estes resultados, no segundo caso utilizamos somente erros multiplicativos e a distribuição a posteriori preditiva mostra que cada variável observável parece ter sua própria família de distribuição de probabilidades. Além disso, os resultados também revelam uma crescente complexidade do modelo ao incorporar a classe mais geral de distribuições assimétricas. / We study the logistic population growth model using a state-space approach. The non observable states are the annual biomass of the population with a linear observation equation and a non-linear state equation. The probability distribution used for the additives observation error terms are Normal, Student-t, Skew-normal and Skew-t, and Log-normal, Log-t, Log-skew-normal and Log-skew-t for multiplicative observation errors terms. The inference about the parameters of the models is performed using Bayesian methods, with MCMC algorithms and Laplace approximations. We present two applications to real data sets. The first in marine shrimp population off the coast of Chile, where observable variable is the average annual fishing yield. The second application is for the population of the red squat lobster off Chile, where in addition to the average annual fishing yield, a second observable variable was included. In the first case, the multiplicative observational errors models presented the best results. Particularly the Log-skew-normal and Log-skew-t models has the better performances. Considering these results, in the second application we use only multiplicative observation errors models.

Absorvedores de vibração são comumente usados em aplicações com intuito de reduzir indesejadas amplitudes de vibração de estruturas e maquinas vibrantes. O conceito de um absorvedor de vibração linear consiste na ideia de projetar um subsistema com frequência de ressonância coincidente com uma dada frequência de interesse, tal que a amplitude de vibração do sistema primário e significativamente reduzida quando comparada a situação original, sem o absorvedor de vibração. Porem, uma deficiência dos absorvedores de vibração lineares típicos e sua estreita faixa de frequência de operação. Para superar essa deficiência, muitas tentativas de solução usando subsistemas não lineares tem sido propostas na literatura, ja que se apropriadamente projetados, eles podem aumentar a faixa de frequência de absorção de vibração e/ou melhorar a redução das amplitudes de vibração do sistema primário. Contudo, a síntese e o projeto de tais absorvedores não lineares não e tão simples e direta como no caso linear. Baseado na geometria de uma topologia proposta e encontrada na literatura, que compreende a inclusão de uma montagem do tipo snap through truss no lugar da mola linear do absorvedor de vibração, este trabalho tem intenção de apresentar um estudo sobre o projeto e otimização de um absorvedor dinâmico de vibrações não linear. Portanto, o efeito dos parâmetros do absorvedor e analisado quanto as perspectivas de redução das amplitudes de vibração do sistema principal como também de aumento da faixa de frequência de operação. A analise paramétrica do absorvedor foi promovida para responder questões sobre as variáveis de projeto, tanto físicas como geométricas. Realizou-se otimização do absorvedor com objetivo de sintoniza-lo a frequência de trabalho desejada, através de busca extensiva e algoritmos genéticos. Os resultados mostram que o absorvedor não linear proposto pode ser mais efetivo que seu correspondente linear em ambos os aspectos, na redução da máxima amplitude de vibração e no aumento da faixa de frequência de absorção. Portanto, apesar da dificuldade inicial de projeto, esse tipo de absorvedor representa uma alternativa interessante na atenuação das amplitudes de vibração ao longo de uma extensa faixa de frequência. / Dynamic vibration absorbers are commonly used in several applications in order to reduce undesired vibration amplitudes of vibrating machinery and structures. The concept of a linear vibration absorber is based on the idea of designing a subsystem with a resonance frequency coincident with a given frequency of interest such that the vibration amplitude of the primary system is significantly reduced when compared to the original situation (without the vibration absorber). But one of the known handicaps of typical linear vibration absorbers is their narrow frequency range of operation. To overcome this handicap, a number of tentative solutions have been proposed in the literature using nonlinear subsystems. If properly designed, they could enlarge the frequency range of vibration absorption and/or improve vibration reduction of the primary system. However, the synthesis and design of such nonlinear absorbers are not as straightforward as for their linear counterpart. A proposed design found in the open literature consists of replacing the linear spring of the vibration absorber by a nonlinear snap-through truss. This work aims to present a study on the design and optimization of a nonlinear dynamic vibration absorber based on snap-through absorber geometry. The effect of the absorber parameters was analyzed on both, the primary system vibration amplitude reduction and the frequency range of operation. Parametric analyses of the absorber were carried out to answer questions about the physical and geometric design variables. The absorber optimization was performed in two different ways, by extensive search and genetic algorithms, in order to tune it in the desired working frequency. The results show that the proposed nonlinear vibration absorber may be more effective than its linear counterpart both in terms of maximum vibration amplitude reduction and absorption frequency-range. Therefore, despite the increased design complexities such an absorber is an interesting alterna- tive in attenuating vibration amplitudes over a wide frequency range.

A voz humana apresenta flutuações na frequência, amplitude e formato de onda. Esse comportamento característico pode ser estudado usando técnicas de análise não linear, além das técnicas convencionais. O objetivo desse trabalho é analisar sinais de vozes normais e patológicas (com nódulos e edemas) usando seção de Poincaré de vários trechos do espaço de fase reconstruído e calcular a dispersão em relação ao ponto médio da seção e em relação à distribuição dos pontos sobre os eixos coordenados. Essa dispersão será calculada utilizando o conceito estatístico de desvio padrão. Foram analisados 48 sinais de voz humanas, divididos em 3 grupos (16 normais, 16 com nódulo e 16 com edema de Reinke). Foram selecionados trechos de 500m do sinal temporal nas regiões de maior estacionariedade, descartando os trechos iniciais e finais do sinal para evitar possíveis transitórios. A partir do espaço de fase bidimensional, a seção de Poincaré foi traçada em 10 trechos distintos da trajetória. Em seguida, foi gerado o espaço de fase em 3 dimensões contendo os pontos da seção. Foi feita uma rotação tridimensional dos pontos utilizando a reta tangente à trajetória de modo que a seção ficasse paralela ao plano x = O. Da seção resultante foram extraídas as componentes principais e em seguida calculado o desvio padrão da dispersão e o desvio padrão dos pontos projetados no plano em relação aos eixos coordenados (y;z). A validação da ferramenta desenvolvida para esse estudo foi realizada utilizando um sinal senoidal inserindo gradativamente Jitter e Shimmer, onde se verificou uma variação proporcional da média da dispersão. Os resultados obtidos para esse conjunto de vozes mostraram que o desvio padrão da dispersão e o desvio padrão em relação aos eixos coordenados dos pontos de vozes normais é menor do que os encontrados para vozes com edema e com nódulo. Concluiu-se que a ferramenta proposta conseguiu diferenciar vozes normais das vozes patológicas. Portanto, a ferramenta é promissora para análise e avaliação desse grupo vozes. / The human voice, normal or pathological, has fluctuations in the frequency, amplitude and waveform. This characteristic behavior can be studied using techniques of nonlinear analysis, in addition to conventional techniques. The aim of this study is to analyze signals of normal and pathological voices (with nodules and edema) using the Poincaré section of several parts of the reconstructed phase space and calculate the dispersion in relation to the midpoint of the section and in relation to the distribution of points on coordinate axes. This dispersion is calculated using the statistical concept of standard deviation. We analyzed 48 human voice signals divided into 3 groups (16 normal, 16 with nodules and 16 with Reinke\'s edema). It was selected 500m signal frames presenting good stationarity, discarding the initial and final portions of the signal to avoid possible transient. From the two-dimensional phase space, the Poincaré section was drawn on 10 different stretches of the path. It was then generated the three-dimensional phase space containing the points of the section. We conducted a three dimensional rotation of the points using the tangent to the trajectory so that the section stayed parallel to the plane. From the resulting section, principal components were extracted and then calculated the standard deviation of the dispersion and the standard deviation of the coordinate axes of the projected points of the section in the plan. The validation tool developed for this study was performed using a sinusoidal signal gradually inserting jitter and shimmer, where there was a proportional variation of the dispersion media. The results for this set of voices showed that the standard deviation of the dispersion and the standard deviation related to the coordinate axes of the points of normal voices is smaller than those found for voices with edema and nodule. It was concluded that the proposal was promising tool for analyzing and evaluating this group voices.

A voz humana apresenta flutuações na frequência, amplitude e formato de onda. Esse comportamento característico pode ser estudado usando técnicas de análise não linear, além das técnicas convencionais. O objetivo desse trabalho é analisar sinais de vozes normais e patológicas (com nódulos e edemas) usando seção de Poincaré de vários trechos do espaço de fase reconstruído e calcular a dispersão em relação ao ponto médio da seção e em relação à distribuição dos pontos sobre os eixos coordenados. Essa dispersão será calculada utilizando o conceito estatístico de desvio padrão. Foram analisados 48 sinais de voz humanas, divididos em 3 grupos (16 normais, 16 com nódulo e 16 com edema de Reinke). Foram selecionados trechos de 500m do sinal temporal nas regiões de maior estacionariedade, descartando os trechos iniciais e finais do sinal para evitar possíveis transitórios. A partir do espaço de fase bidimensional, a seção de Poincaré foi traçada em 10 trechos distintos da trajetória. Em seguida, foi gerado o espaço de fase em 3 dimensões contendo os pontos da seção. Foi feita uma rotação tridimensional dos pontos utilizando a reta tangente à trajetória de modo que a seção ficasse paralela ao plano x = O. Da seção resultante foram extraídas as componentes principais e em seguida calculado o desvio padrão da dispersão e o desvio padrão dos pontos projetados no plano em relação aos eixos coordenados (y;z). A validação da ferramenta desenvolvida para esse estudo foi realizada utilizando um sinal senoidal inserindo gradativamente Jitter e Shimmer, onde se verificou uma variação proporcional da média da dispersão. Os resultados obtidos para esse conjunto de vozes mostraram que o desvio padrão da dispersão e o desvio padrão em relação aos eixos coordenados dos pontos de vozes normais é menor do que os encontrados para vozes com edema e com nódulo. Concluiu-se que a ferramenta proposta conseguiu diferenciar vozes normais das vozes patológicas. Portanto, a ferramenta é promissora para análise e avaliação desse grupo vozes. / The human voice, normal or pathological, has fluctuations in the frequency, amplitude and waveform. This characteristic behavior can be studied using techniques of nonlinear analysis, in addition to conventional techniques. The aim of this study is to analyze signals of normal and pathological voices (with nodules and edema) using the Poincaré section of several parts of the reconstructed phase space and calculate the dispersion in relation to the midpoint of the section and in relation to the distribution of points on coordinate axes. This dispersion is calculated using the statistical concept of standard deviation. We analyzed 48 human voice signals divided into 3 groups (16 normal, 16 with nodules and 16 with Reinke\'s edema). It was selected 500m signal frames presenting good stationarity, discarding the initial and final portions of the signal to avoid possible transient. From the two-dimensional phase space, the Poincaré section was drawn on 10 different stretches of the path. It was then generated the three-dimensional phase space containing the points of the section. We conducted a three dimensional rotation of the points using the tangent to the trajectory so that the section stayed parallel to the plane. From the resulting section, principal components were extracted and then calculated the standard deviation of the dispersion and the standard deviation of the coordinate axes of the projected points of the section in the plan. The validation tool developed for this study was performed using a sinusoidal signal gradually inserting jitter and shimmer, where there was a proportional variation of the dispersion media. The results for this set of voices showed that the standard deviation of the dispersion and the standard deviation related to the coordinate axes of the points of normal voices is smaller than those found for voices with edema and nodule. It was concluded that the proposal was promising tool for analyzing and evaluating this group voices.

O tema está relacionado com o constante crescimento da necessidade em implantarnovas torres de telecomunicações devido ao crescimento acelerado da infraestrutura de telecomunicações no Brasil. Todos os dias, novos sistemas de transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas estão sendo implantados no território brasileiro. O objetivo deste trabalho é propor um procedimento seguro e eficaz para a análise estrutural de torres de telecomunicações em concreto armado de grande esbeltez, com base em um modelo dinâmico não linear, submetendo à carga de vento. Estas cargas são simuladas pelo método do vento sintético proposto por Franco (1993). A análise do concreto armado será realizada de acordo com a NBR-6118 (ABNT, 2007). A fim de determinar com precisão os deslocamentos da estrutura submetida ao carregamento de vento, um método iterativo computacional será utilizado obter as respostas não lineares. Realiza-se uma análise linear e, a partir dos resultados de esforços solicitantes, as tensões e a porção fissurada de cada seção transversal é obtida e parte-se para a determinação dos deslocamentos de 2ª ordem da torre. Em cada iteração, um procedimento do tipo P-Delta será utilizado para levar em conta a não linearidade geométrica da estrutura. As condições de contorno do problema estão relacionadas com a restrição do nível de tensões, deslocamentos e frequências de vibração da estrutura. Ao fim, uma análise dinâmica em torno da configuração não linear será realizada, e o deslocamento total da torre será dado pela somatória da componente estática com a componente flutuante do vento. / The theme is related to the constant growth in the need to deploy new telecommunications towers due to the accelerated growth of telecommunications infrastructure in Brazil. Every day, new systems of transmission and reception of electromagnetic waves are being implanted in the Brazilian territory. The objective of this work is to propose a safe and efficient procedure for the structural analysis of telecommunication towers with high slenderness constructed in reinforced concrete, based on a dynamic nonlinear model, submitting it to the wind load. These loads are simulated by the synthetic wind method proposed by Franco (1993). The analysis of the reinforced concrete will be held according to NBR-6118 (ABNT, 2007). In order to determine accurately the displacements of the structure subjected to wind loading, an iterative computational method will be held to obtain non-linear responses. A linear analysis is carried out and, with the results of the forces, the tensions and the fissured portion of each cross section are obtained and then 2nd order displacements of the tower. In each iteration, a P-Delta type procedure will be held to take into account the geometric non-linearity of the structure. The boundary conditions of the problem are related to the restriction of the stress level, displacements and vibration frequencies of the structure. At the end, a dynamic analysis around the nonlinear configuration will be performed, and the total displacement of the tower will be given by the sum of the static component with the floating component of the wind.

Neste trabalho de tese, estudamos o modelo de crescimento logístico de populações biológicas utilizando a abordagem de espaço de estados. Os estados não observados são as biomassas anuais, a equação de observação é linear e a equação de estado é não linear. As distribuições de probabilidade utilizadas para os termos de erro de observação aditivos são: Normal, t-student, Skew-normal e Skew-t. As distribuições Log-normal, Log-t, Log-skew-normal e Log-skew-t são consideradas para os erros de observação multiplicativos. A inferência nos modelos é realizada considerando-se métodos Bayesianos e as distribuições a posterior de interesse são aproximadas utilizando-se algoritmos MCMC e a aproximação de Laplace. Apresentamos duas aplicações, a primeira referente a pesca de camarão marinho na costa do Chile, na qual a variável observável é o rendimento médio anual de pesca (captura por unidade de esforço média). Na segunda é considerada a pesca de lagostim vermelho na costa de Chile, na qual além do rendimento médio anual da pesca, observa-se as estimativas anuais de biomassa vulnerável, obtidas através de estudos de área varrida. Para o primeiro conjunto de dados, os modelos com erros de observação multiplicativos têm melhor performance, particularmente os modelos Log-skew-normal e Log-skew-t. Considerando estes resultados, no segundo caso utilizamos somente erros multiplicativos e a distribuição a posteriori preditiva mostra que cada variável observável parece ter sua própria família de distribuição de probabilidades. Além disso, os resultados também revelam uma crescente complexidade do modelo ao incorporar a classe mais geral de distribuições assimétricas. / We study the logistic population growth model using a state-space approach. The non observable states are the annual biomass of the population with a linear observation equation and a non-linear state equation. The probability distribution used for the additives observation error terms are Normal, Student-t, Skew-normal and Skew-t, and Log-normal, Log-t, Log-skew-normal and Log-skew-t for multiplicative observation errors terms. The inference about the parameters of the models is performed using Bayesian methods, with MCMC algorithms and Laplace approximations. We present two applications to real data sets. The first in marine shrimp population off the coast of Chile, where observable variable is the average annual fishing yield. The second application is for the population of the red squat lobster off Chile, where in addition to the average annual fishing yield, a second observable variable was included. In the first case, the multiplicative observational errors models presented the best results. Particularly the Log-skew-normal and Log-skew-t models has the better performances. Considering these results, in the second application we use only multiplicative observation errors models.

Model order reduction is necessary even in a time where the parallel processing is usual in almost any personal computer. The recent Model Reduction Methods are useful tools nowadays on reducing the problem processing. This work intends to describe a combination between POD (Proper Orthogonal Decomposition) and Ritz vectors that achieve an efficient Galerkin projection that changes during the processing, comparing the development of the error and the convergence rate between the full space and the projection space, in addition to check the stability of the projection space, leading to an adaptive model order reduction for nonlinear dynamical problems more efficient. This model reduction is supported by a secant formulation, which is updated by BFGS (Broyden - Fletcher - Goldfarb - Shanno) method to accelerate convergence of the model, and a tangent formulation to correct the projection space. Furthermore, this research shows that this method permits a correction of the reduced model at low cost, especially when the classical POD is no more efficient to represent accurately the solution. / A Redução de ordem de modelo é necessária, mesmo em uma época onde o processamento paralelo é usado em praticamente qualquer computador pessoal. Os recentes métodos de redução de modelo são ferramentas úteis nos dias de hoje para a redução de processamento de um problema. Este trabalho pretende descrever uma combinação entre POD (Proper Orthogonal Decomposition) e vetores de Ritz para uma projecção de Galerkin eficiente que sofre alterações durante o processamento, comparando o desenvolvimento do erro e a taxa de convergência entre o espaço total e o espaço de projeção, além da verificação de estabilidade do espaço de projeção, levando a uma redução de ordem do modelo adaptativo mais eficiente para problemas dinâmicos não-lineares. Esta redução de modelo é assistida por uma formulação secante, que é atualizado pela formula de BFGS (Broyden - Fletcher- Goldfarb - Shanno) com o intuito de acelerar a convergência do modelo, e uma formulação tangente para a correção do espaço de projeção. Além disso, esta pesquisa mostra que este método permite a correção do modelo reduzido com baixo custo, especialmente quando o clássico POD não é mais eficiente para representar com precisão a solução.