This work addresses the problem of stabilizing attitude dynamics with an unknown delay in feedback. Two cases are considered: 1) constant time-delay 2) time-varying time-delay. This is to our best knowledge the first result that provides asymptotically stable closed-loop control design for the attitude dynamics problem with an unknown delay in feedback. Strict upper bounds on the unknown delay are assumed to be known. The time-varying delay is assumed to be made of the constant unknown delay with a time-varying perturbation. Upper bounds on the magnitude and rate of the time-varying part of the delay are assumed to be known. A novel modification to the concept of the complete type Lyapunov-Krasovskii (L-K) functional plays a crucial role in this analysis towards ensuring stability robustness to time-delay in the control design. The governing attitude dynamic equations are partitioned to form a nominal system with a perturbation term. Frequency domain analysis is employed in order to construct necessary and sufficient stability conditions for the nominal system. Consequently, a complete type L-K functional is constructed for stability analysis that includes the perturbation term. As an intermediate step, an analytical solution for the underlying Lyapunov matrix is obtained. Departing from previous approaches, where controller parameter values are arbitrarily chosen to satisfy the sufficient conditions obtained from robustness analysis, a systematic numerical optimization process is employed here to choose control parameters so that the region of attraction is maximized. The estimate of the region of attraction is directly related to the initial angular velocity norm and the closed-loop system is shown to be stable for a large set of initial attitude orientations. / text

This thesis is concerned with drawing out high-level insight from otherwise complex mathematical models of physical processes. This is achieved through detailed analysis of model behaviour as constituent parameters are varied. A particular focus is the well-posedness of parameter estimation from noisy data, and its relationship to the parametric sensitivity properties of the model. Other topics investigated include the verification of model performance properties over large ranges of parameters, and the simplification of models based upon their response to parameter perturbation. Several methodologies are proposed, which account for various model classes. However, shared features of the models considered include nonlinearity, parameters with considerable scope for variability, and experimental data corrupted by significant measurement uncertainty. We begin by considering models described by systems of nonlinear ordinary differen- tial equations with parameter dependence. Model output, in this case, can only be obtained by numerical integration of the relevant equations. Therefore, assessment of model behaviour over tracts of parameter space is usually carried out by repeated model simulation over a grid of parameter values. We instead reformulate this as- sessment as an algebraic problem, using polynomial programming techniques. The result is an algorithm that produces parameter-dependent algebraic functions that are guaranteed to bound user-defined aspects of model behaviour over parameter space. We then consider more general classes of parameter-dependent model. A theoretical framework is constructed through which we can explore the duality between model sensitivity to non-local parameter perturbations, and the well-posedness of parameter estimation from significantly noisy data. This results in an algorithm that can uncover functional relations on parameter space over which model output is insensitive and parameters cannot be estimated. The methodology used derives from techniques of nonlinear optimal control. We use this algorithm to simplify benchmark models from the systems biology literature. Specifically, we uncover features such as fast-timescale subsystems and redundant model interactions, together with the sets of parameter values over which the features are valid. We finally consider parameter estimation in models that are acknowledged to im- perfectly describe the modelled process. We show that this invalidates standard statistical theory associated with uncertainty quantification of parameter estimates. Alternative theory that accounts for this situation is then developed, resulting in a computationally tractable approximation of the covariance of a parameter estimate with respect to noise-induced fluctuation of experimental data.

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.