Os fundamentos teóricos desenvolvidos neste trabalho e que dão suporte aos métodos propostos garantem que as estimativas obtidas sejam sempre conservadoras (no sentido de que elas são sempre subconjuntos da região de estabilidade verdadeira) e, portanto, possuam elevado grau de confiança ao concluir sobre a estabilidade do sistema. Os métodos apresentados consistem em extensões dos métodos Closest UEP e CUEP, utilizados na análise de estabilidade transitória de sistemas elétricos de potência, para sistemas que admitem FEG. Embora os métodos Closest UEP e CUEP forneçam estimativas de forma rápida e precisa, sua aplicação está limitada à existência de uma Função Energia (FE) para o sistema, o que consiste em uma forte limitação. Muitos sistemas não admitem FE e, mesmo quando se pode provar a existência de uma FE, a impossibilidade de exibi-la impede a aplicação dos métodos citados. Outra contribuição deste trabalho consiste em um método computacional que permite a obtenção de uma FEG para sistemas polinomiais. O método apresentado também é aplicado a uma classe de problemas não polinomiais, provenientes da modelagem de sistemas elétricos de potência, mediante uma mudança não linear de variáveis que permite a construção de um sistema polinomial equivalente. Através dos métodos apresentados, visa-se disponibilizar métodos computacionais que permitam a obtenção de estimativas rápidas e precisas e que possam ser aplicados a uma ampla classe de sistemas: aqueles que admitem FEG. Com isso, almeja-se não somente contribuir para o desenvolvimento de métodos para análise de estabilidade de sistemas elétricos de potência mas, também, disponibilizá-los a outras áreas do conhecimento. / In this work, we develop computational methods to estimate stability regions and the relevant part of stability boundary of attracting sets of nonlinear dynamical systems. Such methods are based on Generalized Energy Function (GEF) theory and, therefore, can be applied to a larger class of problems than those based on Energy Functions (EF). The theoretical foundations developed in this work, which support the proposed methods, ensure that the estimates are always conservative (in the sense that they are subsets of the true stability region), providing high confidence level when asserting the stability of a system. The presented methods are extensions of the Closest UEP and the CUEP methods, used in the assessment of stability of electrical power systems, to the systems that admit GEF. Even though the Closest UEP and CUEP methods provide estimates in a fast and accurate way, they are only applicable to systems that admit EFs, which consists in a strong limitation for their usage. Many systems do not admit EF and, even if it is possible to prove the existence of an EF, the impossibility to exhibit it in the form of elementary mathematical functions prevents the application of such methods. Other contribution of this work is a computational method to obtain a GEF for polinomial systems. We also applied the presented method to a class of non polinomial systems arising from electrical power system models, after a nonlinear change of variables that provides an equivalent polinomial system. By means of the proposed methods, we aim to offer computational methods to allow fast and accurate stability region estimates which could be used in a broad class of dynamical systems: those that admit GEF. This way, we plan to contribute for the development of methods used in the assessment of stability of electrical power systems and make such tools available to systems from other areas of science.

Os fundamentos teóricos desenvolvidos neste trabalho e que dão suporte aos métodos propostos garantem que as estimativas obtidas sejam sempre conservadoras (no sentido de que elas são sempre subconjuntos da região de estabilidade verdadeira) e, portanto, possuam elevado grau de confiança ao concluir sobre a estabilidade do sistema. Os métodos apresentados consistem em extensões dos métodos Closest UEP e CUEP, utilizados na análise de estabilidade transitória de sistemas elétricos de potência, para sistemas que admitem FEG. Embora os métodos Closest UEP e CUEP forneçam estimativas de forma rápida e precisa, sua aplicação está limitada à existência de uma Função Energia (FE) para o sistema, o que consiste em uma forte limitação. Muitos sistemas não admitem FE e, mesmo quando se pode provar a existência de uma FE, a impossibilidade de exibi-la impede a aplicação dos métodos citados. Outra contribuição deste trabalho consiste em um método computacional que permite a obtenção de uma FEG para sistemas polinomiais. O método apresentado também é aplicado a uma classe de problemas não polinomiais, provenientes da modelagem de sistemas elétricos de potência, mediante uma mudança não linear de variáveis que permite a construção de um sistema polinomial equivalente. Através dos métodos apresentados, visa-se disponibilizar métodos computacionais que permitam a obtenção de estimativas rápidas e precisas e que possam ser aplicados a uma ampla classe de sistemas: aqueles que admitem FEG. Com isso, almeja-se não somente contribuir para o desenvolvimento de métodos para análise de estabilidade de sistemas elétricos de potência mas, também, disponibilizá-los a outras áreas do conhecimento. / In this work, we develop computational methods to estimate stability regions and the relevant part of stability boundary of attracting sets of nonlinear dynamical systems. Such methods are based on Generalized Energy Function (GEF) theory and, therefore, can be applied to a larger class of problems than those based on Energy Functions (EF). The theoretical foundations developed in this work, which support the proposed methods, ensure that the estimates are always conservative (in the sense that they are subsets of the true stability region), providing high confidence level when asserting the stability of a system. The presented methods are extensions of the Closest UEP and the CUEP methods, used in the assessment of stability of electrical power systems, to the systems that admit GEF. Even though the Closest UEP and CUEP methods provide estimates in a fast and accurate way, they are only applicable to systems that admit EFs, which consists in a strong limitation for their usage. Many systems do not admit EF and, even if it is possible to prove the existence of an EF, the impossibility to exhibit it in the form of elementary mathematical functions prevents the application of such methods. Other contribution of this work is a computational method to obtain a GEF for polinomial systems. We also applied the presented method to a class of non polinomial systems arising from electrical power system models, after a nonlinear change of variables that provides an equivalent polinomial system. By means of the proposed methods, we aim to offer computational methods to allow fast and accurate stability region estimates which could be used in a broad class of dynamical systems: those that admit GEF. This way, we plan to contribute for the development of methods used in the assessment of stability of electrical power systems and make such tools available to systems from other areas of science.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:45:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1273195 bytes, checksum: f2a08950868ce92e14d235d207851dde (MD5) Previous issue date: 2013-07-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this dissertation we study concepts and results about dynamical systems with emphasis at Butler-McGehee Lemma. The purpose of this work is to introduce and to prove three versions of Butler-McGehee Lemma, as well as, two applications of this lemma. Such applications deal with the behavior of solutions to the systems of Ordinary Differential Equations that describe populations of species that interact in the same environment. The adopted conditions show that in the system with two species, one specie is going to extinguish and another is going to survive with constant population. In the system with three species there is coexistence among the species. The Butler-McGehee Lemma has been found to be an efficient tool that helps to acquire information about the regions of attraction and repulsion of certain sets. / Nesta dissertação estudam-se conceitos e resultados de sistemas dinâmicos com ênfase no Lema de Butler-McGehee. O objetivo é apresentar e demonstrar três versões do Lema de Butler-McGehee, bem como, duas aplicações deste lema. Tais aplicações tratam da análise global do comportamento de soluções de sitemas de equações diferenciais ordinárias que representam as populações de espécies que interagem num mesmo ambiente. Com as condições adotadas, para o sistema com duas espécies mostra-se que uma das espécies é extinta e a outra tende a se manter constante. Já no sistema com três espécies mostra-se que há a coexistência entre as três espécies. Conclui-se que o Lema de Butler-McGehee é uma ferrramenta eficiente que auxilia na obtenção de informações a cerca das regiões de atração e repulsão de determinados conjuntos.

Pontos de equilíbrio assintoticamente estáveis de sistemas dinâmicos não lineares geralmente não são globalmente estáveis. Na maioria dos casos, há um subconjunto de condições iniciais, chamada região de estabilidade (ou área de atração), cujas trajetórias tendem ao ponto de equilíbrio quando o tempo tende ao infinito. Devido à importância das regiões de estabilidade em aplicações, e motivado principalmente pelo problema de analise de estabilidade transitória em sistemas elétricos de potência, uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade foi desenvolvida. Esta caracterização foi desenvolvida sob a suposição de que o sistema dinâmico é bem conhecido e que os parâmetros de seu modelo são constantes. Na prática, variações de parâmetros ocorrem e bifurcações desta podem ocorrer. Nesta tese, desenvolveremos uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade de sistemas dinâmicos autônomos não lineares admitindo a existência de pontos de equilíbrio não hiperbólicos do tipo Hopf na fronteira da região de estabilidade. Sob certas condições de transversalidade, apresentaremos uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade admitindo tanto a presença de pontos de equilíbrio não hiperbólicos do tipo Hopf como também a existência de órbitas periódicas na fronteira. Ofereceremos também uma caracterização da fronteira da região de estabilidade fraca do ponto de equilíbrio não hiperbólico Hopf supercrítico do tipo zero e uma caracterização topológica da sua região de atração. Além disso, exibiremos resultados relativos ao comportamento da região de estabilidade de um ponto de equilíbrio assintoticamente estável e da sua fronteira na vizinhança do valor crítico de bifurcação do tipo Hopf. / Asymptotically stable equilibrium points of nonlinear dynamical systems are generally not globally stable. In most cases, there is a subset of initial conditions, called stability region (or attraction area), in which trajectories tend to the equilibrium point when time approaches innity. Due to the importance of stability regions in applications, and mainly motivated by the problem of transient stability analysis in electric power systems, a complete characterization of the boundary of the stability region was developed. This characterization was developed under the assumption that the dynamic system is well known and the parameters of its model are constant. In practice, parameter variations happen and bifurcations may occur. In this thesis, we will develop a complete characterization of the boundary of the stability region of autonomous nonlinear dynamical systems admitting the existence of non-hyperbolic equilibrium points of the type Hopf on the boundary of the stability region. Under certain transversality conditions, we present a complete characterization of the boundary of the stability region admitting the presence of both non-hyperbolic equilibrium points of the type Hopf and periodic orbits on the boundary. Also a complete characterization of the boundary of the region of weak stability of a supercritical Hopf non-hyperbolic equilibrium point of the type zero and a topological characterization of its region of attraction is developed. Furthermore, the behavior of the stability region of an asymptotically stable equilibrium point and its boundary in the neighborhood of a critical value of bifurcation of the type Hopf is studied.

Pontos de equilíbrio assintoticamente estáveis de sistemas dinâmicos não lineares geralmente não são globalmente estáveis. Na maioria dos casos, há um subconjunto de condições iniciais, chamada região de estabilidade (ou área de atração), cujas trajetórias tendem ao ponto de equilíbrio quando o tempo tende ao infinito. Devido à importância das regiões de estabilidade em aplicações, e motivado principalmente pelo problema de analise de estabilidade transitória em sistemas elétricos de potência, uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade foi desenvolvida. Esta caracterização foi desenvolvida sob a suposição de que o sistema dinâmico é bem conhecido e que os parâmetros de seu modelo são constantes. Na prática, variações de parâmetros ocorrem e bifurcações desta podem ocorrer. Nesta tese, desenvolveremos uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade de sistemas dinâmicos autônomos não lineares admitindo a existência de pontos de equilíbrio não hiperbólicos do tipo Hopf na fronteira da região de estabilidade. Sob certas condições de transversalidade, apresentaremos uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade admitindo tanto a presença de pontos de equilíbrio não hiperbólicos do tipo Hopf como também a existência de órbitas periódicas na fronteira. Ofereceremos também uma caracterização da fronteira da região de estabilidade fraca do ponto de equilíbrio não hiperbólico Hopf supercrítico do tipo zero e uma caracterização topológica da sua região de atração. Além disso, exibiremos resultados relativos ao comportamento da região de estabilidade de um ponto de equilíbrio assintoticamente estável e da sua fronteira na vizinhança do valor crítico de bifurcação do tipo Hopf. / Asymptotically stable equilibrium points of nonlinear dynamical systems are generally not globally stable. In most cases, there is a subset of initial conditions, called stability region (or attraction area), in which trajectories tend to the equilibrium point when time approaches innity. Due to the importance of stability regions in applications, and mainly motivated by the problem of transient stability analysis in electric power systems, a complete characterization of the boundary of the stability region was developed. This characterization was developed under the assumption that the dynamic system is well known and the parameters of its model are constant. In practice, parameter variations happen and bifurcations may occur. In this thesis, we will develop a complete characterization of the boundary of the stability region of autonomous nonlinear dynamical systems admitting the existence of non-hyperbolic equilibrium points of the type Hopf on the boundary of the stability region. Under certain transversality conditions, we present a complete characterization of the boundary of the stability region admitting the presence of both non-hyperbolic equilibrium points of the type Hopf and periodic orbits on the boundary. Also a complete characterization of the boundary of the region of weak stability of a supercritical Hopf non-hyperbolic equilibrium point of the type zero and a topological characterization of its region of attraction is developed. Furthermore, the behavior of the stability region of an asymptotically stable equilibrium point and its boundary in the neighborhood of a critical value of bifurcation of the type Hopf is studied.