É notório que o emprego de unidades de processamento gráfico (GPU) pode acelerar significativamente métodos numéricos de aplicações científicas. Para suportar essa nova tecnologia, é necessário que programas sejam readaptados, exigindo flexibilidade do código. Nesse trabalho, é apresentada a arquitetura de um programa de elementos finitos (MEF) para a análise de estruturas, com suporte ao processamento em GPU. A orientação a objetos é usada para guiar o desenvolvimento e modelar o código em uma estrutura flexível. A escalabilidade do programa é dada pela extensão de suas funcionalidades através de componentes carregados em tempo de execução. Para ilustrar a robustez do código, o software é aplicado para o estudo de dinâmica estrutural, considerando aspectos complexos de não linearidade de material (plasticidade) e geometria (grandes deslocamentos). A acurácia do código é verificada através da comparação com problemas conhecidos da literatura e com as soluções MEF comerciais (ABAQUS). As comparações mostraram uma boa concordância nos resultados. O speedup da GPU é analisado em relação aos tempos de CPU do próprio programa, sendo observado ganhos de desempenho de até 10 vezes. / It has been recognized that the adoption of graphics processing units (GPU) can significantly boost numerical methods in scientific applications. In order to support such technology, it is necessary to readapt the program, which requires code flexibility. In this work, it is presented the architecture of a finite element (FEM) analysis program for structural analysis with GPU support. Object-oriented design is used to guide development and to build code into a flexible structure. Program scalability is achieved by extensibility of its features, provided by run-time loaded components. In order to demonstrate code robustness, the software is directed to the study of structural dynamics, considering complex non-linear aspects of material (plasticity) and geometry (large displacements). Code accuracy is checked by comparing with known literature problems and with commercial solver packages (ABAQUS). The comparison shows good agreement in the results. The GPU code speedup is analysed against timings of CPU program code, where it is observed performance gain up to 10 times.

Orientadores: Pedro Luis Dias Peres, Ricardo Coração de Leão Fontoura de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T15:07:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lacerda_MarcioJunior_D.pdf: 1206868 bytes, checksum: c5abb83323581461eb40c95f27c95097 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho apresenta novas condições na forma de desigualdades matriciais lineares para o projeto de filtros H-infinito de ordem completa em três diferentes contextos: i) sistemas lineares incertos discretos com um atraso variante no tempo afetando os estados; ii) sistemas lineares com parâmetros variantes no tempo, contínuos e discretos, sujeitos a incertezas nas medições dos parâmetros; iii) sistemas não lineares quadráticos contínuos e discretos no tempo. Para cada contexto, o objetivo é projetar filtros: i) com termos atrasados nos estados; ii) dependentes dos parâmetros incertos medidos; iii) com termos quadráticos. Em cada um dos casos, o ponto de partida é a existência de uma função de Lyapunov que assegure estabilidade e um limitante para a norma H-infinito do sistema aumentado, ou seja, o sistema original conectado com o filtro de ordem completa. As condições de projeto são obtidas impondo-se uma determinada estrutura para as variáveis de folga, resultando em desigualdades matriciais com parâmetros escalares. A eficácia das condições apresentadas é ilustrada por meio de comparações numéricas utilizando exemplos da literatura / Abstract: This work presents new conditions in the form of linear matrix inequalities for full order H-infinity filter design in three different contexts: i) uncertain linear discrete-time systems with a time-varying delay affecting the states ii) linear parameter-varying systems, continuous and discrete-time, subject to inexactly measured parameters; iii) continuous and discrete-time nonlinear quadratic systems. For each context, the aim is to design filters: i) with state-delayed terms; ii) dependent upon the inexactly measured parameters; iii) with quadratic terms. In each case, the starting point is the existence of a Lyapunov function that assures stability and a bound to the H-infinity norm of the augmented system, that is, the original system conected with the full order filter. The design conditions are obtained by imposing a given structure to the slack variables, resulting in matrix inequalities with scalar parameters. The effectiveness of the proposed conditions is illustrated by means of numerical comparisons and benchmark examples from the literature / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientador: Romis Ribeiro de Faissol Attux / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-22T21:42:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Boccato_Levy_D.pdf: 9602973 bytes, checksum: 0bfc5a3c46d2a9041890600ab877144c (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: As redes neurais com estados de eco (em inglês, echo state networks, ESNs) são estruturas recorrentes capazes de aliar processamento dinâmico a um processo de treinamento relativamente simples, o qual se resume à adaptação dos coeficientes do combinador linear da saída no sentido de mínimo erro quadrático médio (em inglês, mean squared error, MSE), enquanto os pesos das conexões no reservatório de dinâmicas são ajustados de maneira antecipada e permanecem fixos. A presente tese trata dos principais elementos que caracterizam as ESNs e propõe: (i) uma unificação entre as abordagens de computação com reservatórios, como as ESNs e as liquid state machines (LSMs), e as extreme learning machines (ELMs), sob o termo geral de máquinas desorganizadas, o qual estabelece uma conexão com as pioneiras idéias conexionistas de Alan Mathison Turing; (ii) uma nova arquitetura de ESN, cuja camada de saída é composta por um filtro de Volterra e por um estágio de compressão baseado em Análise de Componentes Principais (em inglês, Principal Component Analysis, PCA); (iii) o uso de critérios de aprendizado baseados em teoria da informação e em normas Lp em lugar do critério MSE para a adaptação dos parâmetros da camada de saída de ESNs; e (iv) uma estratégia não-supervisionada de projeto da camada recorrente de ESNs baseada em interações laterais, modeladas segundo a função chapéu mexicano, e na auto-organização dos pesos de entrada. As propostas elaboradas neste trabalho são analisadas através de simulações no contexto de diferentes problemas de processamento da informação, como equalização de canais de comunicação, separação de fontes e predição de séries temporais / Abstract: Echo state networks (ESNs) are recurrent structures capable of allying dynamic processing to a relatively simple training process, which amounts to adapting the coefficients of the linear combiner at the output in the minimum mean squared error (MSE) sense, while the connection weights in the dynamical reservoir are adjusted in advance and remain fixed. The present thesis deals with the main elements that characterize ESNs and proposes: (i ) a unification between reservoir computing approaches, such as ESNs and liquid state machines (LSMs), and extreme learning machines (ELMs), under the general term of unorganized machines, which establishes a connection with the pioneering connectionist ideas of Alan Mathison Turing; (ii ) a novel ESN architecture whose output layer is composed of a Volterra filter and of a compression stage based on Principal Component Analysis (PCA); (iii ) the use of information-theoretic learning criteria and those based on Lp norms instead of the MSE criterion for the adaptation of the parameters of the ESN output layer; and (iv) an unsupervised strategy for designing the recurrent layer of ESNs based on lateral interactions, modeled according to the mexican hat function, and on the self-organization of the input weights. The proposals developed in this work are analyzed through simulations in the context of different information processing problems, such as channel equalization, source separation and time series prediction / Doutorado / Engenharia de Computação / Doutor em Engenharia Elétrica

Orientadores: Romis Ribeiro de Faissol Attux, Leonardo Tomazeli Duarte / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-23T17:30:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ando_RafaelAssato_M.pdf: 1700685 bytes, checksum: 9befef5632e55e27a24af3e73c648c47 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Neste trabalho, estudamos o problema de BSS no contexto de misturas polinomiais sob três perspectivas: uma teórica - voltada ao estudo de separabilidade estrutural -, uma ligada à proposta de novas abordagens - especialmente como extensões de metodologias baseadas em redes recorrentes - e uma relacionada ao tratamento de problemas práticos como redução do efeito show-through na digitalização de documentos. A primeira dessas perspectivas levou à proposta de uma nova abordagem do problema de separação não-linear baseada numa formulação do problema instantâneo de inversão como uma tarefa de solução de um sistema de equações algébricas não-lineares. Essa abordagem levou à proposição de novos métodos para lidar com o problema LQ e também pode ser aplicada a outros modelos de mistura. A segunda perspectiva levou à construção de um arcabouço para tratamento do problema LQ baseado numa rede imunológica artificial, o qual trouxe uma menor demanda por informação a priori sobre o problema e provê maior robustez em termos de convergência global. Por fim, a aplicação do ferramental desenvolvido a problemas práticos de tratamento de imagens levou a um desempenho bastante satisfatório, encorajando a extensão futura para outros cenários de teste (como sensores químicos) / Abstract: In this work, the BSS problem in the context of polynomial mixtures will be studied under three perspectives: a theoretical one, regarding the structural separability analysis; another related to the proposal of new methodologies - especially as extensions of algorithms based on recurrent networks - and finally, one regarding the solutions to real world problems, such as the reduction of the show-through effect produced by digitally scanning documents. The first such perspectives led to the proposal of a new approach to the nonlinear BSS problem, based on a formulation to the instantaneous inversion problem as the solution of a non-linear algebraic equation system. This approach led to the proposal of new methods to deal with the LQ problem, which may also be applied to other mixing models. The second perspective led to the development of an algorithm based on artificial immune system (AIS) to solve the LQ model, requiring less a priori information about the problem and providing better robustness in terms of global convergence. Finally, the application of the pro-posed methods to the practical problem of image treatment presented a very satisfactory performance, encouraging the possible extension to other test scenarios in the future, such as chemical sensors / Mestrado / Engenharia de Computação / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Márcia Aparecida Gomes Ruggiero, Sandra Augusta Santos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-21T10:21:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Begiato_RodolfoGotardi_D.pdf: 3815627 bytes, checksum: 59584610cfd737a94e68dc5bf3735e25 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: O objetivo desta tese é tratar da resolução de sistemas não lineares de grande porte, em que as funções são continuamente diferenciáveis, por meio de uma abordagem híbrida que utiliza um método iterativo com duas fases. A primeira fase consiste de versões sem derivadas do método do ponto fixo empregando parâmetros espectrais para determinar o tamanho do passo da direção residual. A segunda fase é constituída pelo método de Newton inexato em uma abordagem matrix-free, em que é acoplado o método GMRES para resolver o sistema linear que determina a nova direção de busca. O método híbrido combina ordenadamente as duas fases de forma que a segunda é acionada somente em caso de falha na primeira e, em ambas, uma condição de decréscimo não-monótono deve ser verificada para aceitação de novos pontos. Desenvolvemos ainda um segundo método, em que uma terceira fase de busca direta é acionada em situações em que o excesso de buscas lineares faz com que o tamanho de passo na direção do método de Newton inexato torne-se demasiadamente pequeno. São estabelecidos os resultados de convergência dos métodos propostos. O desempenho computacional é avaliado em uma série de testes numéricos com problemas tradicionalmente encontrados na literatura. Tanto a análise teórica quanto a numérica evidenciam a viabilidade das abordagens apresentadas neste trabalho / Abstract: This thesis handles large-scale nonlinear systems for which all the involved functions are continuously differentiable. They are solved by means of a hybrid approach based on an iterative method with two phases. The first phase is defined by derivative-free versions of a fixed-point method that employs spectral parameters to define the steplength along the residual direction. The second phase consists of a matrix-free inexact Newton method that employs the GMRES to solve the linear system that computes the search direction. The proposed hybrid method neatly combines the two phases in such a way that the second is called only in case the first one fails. To accept new points in both phases, a nonmonotone decrease condition upon a merit function has to be verified. A second method is developed as well, with a third phase based on direct search, that should act whenever too many line searches have excessively decreased the steplenght along the inexact- Newton direction. Convergence results for the proposed methods are established. The computational performance is assessed in a set of numerical experiments with problems from the literature. Both the theoretical and the experimental analysis corroborate the feasibility of the proposed strategies / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutor em Matemática Aplicada

Orientador: Juan Francisco Camino dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T04:17:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Burghi_ThiagoBassinello_M.pdf: 1840182 bytes, checksum: 3a2bb5b751172b5b4c8d9b1647b20748 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O controle do movimento de robôs móveis em altas velocidades e sob condições adversas do solo é um problema difícil, pois as rodas do robô podem estar sujeitas a diferentes tipos de deslizamento. O deslizamento lateral é um problema particularmente complicado quando se lida com robôs móveis de tração diferencial, já que suas rodas não podem produzir movimento nessa direção. Este trabalho apresenta uma aplicação de alguns resultados da Teoria de Lyapunov para sistemas não lineares perturbados. A abordagem proposta pode ser vista como um método de análise de controladores cinemáticos de robôs móveis sujeitos a deslizamentos laterais e longitudinais. Um exemplo de aplicação é dado ao se analisar a estabilidade de um robô móvel de tração diferencial quando este é controlado por uma lei adaptativa não linear cinemática capaz de estimar o deslizamento longitudinal. É mostrado que sob condições razoáveis, as soluções da dinâmica do erro de postura do robô são uniformemente finalmente limitadas. Simulações numéricas são apresentadas para ilustrar esse exemplo. Para tratar um problema de otimização que surge durante a análise de estabilidade, técnicas de decomposição em soma de quadrados (SOS) para otimização polinomial são estudadas e aplicadas. Um estudo minucioso dos recursos computacionais necessários para a resolução de problemas de decomposição SOS também é apresentado / Abstract: Motion control of mobile robots at high speeds and under adverse ground conditions is a difficult problem because the robots¿ wheels may be subject to different kinds of slip. Lateral slip is a particularly complicated problem for differential drive mobile robots to deal with, since their wheels cannot directly produce movement in that direction. This work presents an application of some results from Lyapunov Theory for nonlinear perturbed systems. The proposed approach can be seen as a method for analyzing kinematic controllers of mobile robots subject to longitudinal and lateral slip. An example of application is given by analyzing the stability of a differential drive mobile robot when it is controlled by an adaptive nonlinear kinematic controller capable of estimating longitudinal slip. It is shown that under reasonable conditions, the solutions to the robot¿s posture error dynamics are uniformly ultimately bounded. Numerical simulations are presented to illustrate this example. To tackle an optimization problem which arises during the stability analysis, SOS techniques for polynomial optimization are studied and applied. A thorough study of the computational resources required for solving SOS problems is also presented / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica / 33003017 / CAPES

Orientador: Samuel da Silva / Abstract: Structural Health Monitoring (SHM) methodologies aim to develop techniques able to detect, localize, quantify and predict the progress of damages in civil, aerospatial and mechanical structures. In the hierarchical process, the damage detection is the first and most important step. Despite the existence of numerous methods of damage detection based on vibration signals, two main problems can complicate the application of classical approaches: the nonlinear phenomena and the uncertainties. This thesis demonstrates the importance of the use of a stochastic nonlinear model in the damage detection problem considering the intrinsically nonlinear behavior of mechanical structures and the measured data variation. A new stochastic version of the Volterra series combined with random Kautz functions is proposed to predict the behavior of nonlinear systems, considering the presence of uncertainties. The stochastic model proposed is used in the damage detection process based on hypothesis tests. Firstly, the method is applied in a simulated study assuming a random Duffing oscillator exposed to the presence of a breathing crack modeled as a bilinear oscillator. Then, an experimental application considering a nonlinear beam subjected to the presence of damage with linear characteristics (loss of mass in a bolted connection) is performed, with the direct comparison between the results obtained using a deterministic and a stochastic model. Finally, an experimental application considering a n... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: As metodologias de Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM) visam desenvolver técnicas capazes de detectar, localizar, quantificar e prever o progresso de danos em estruturas civis, aeroespaciais e mecânicas. Nesse processo hierárquico, a detecção de danos é o primeiro e mais importante passo. Apesar da existência de inúmeros métodos de detecção de danos baseados em sinais de vibração, dois problemas principais podem complicar a aplicação de abordagens clássicas: os fenômenos não lineares e as incertezas. Esta tese demonstra a importância do uso de um modelo não linear estocástico no problema de detecção de danos, considerando o comportamento intrinsecamente não linear de estruturas mecânicas e a variação dos dados medidos. Uma nova versão estocástica das séries de Volterra, combinada com funções aleatórias de Kautz, é proposta para prever o comportamento de sistemas não lineares, considerando a presença de incertezas. O modelo estocástico proposto é utilizado no processo de detecção de danos com base em testes de hipótese. Primeiramente, o método é aplicado em um estudo simulado, assumindo um oscilador Duffing aleatório exposto à presença de uma trinca respiratória modelada como um oscilador bilinear. Em seguida, uma aplicação experimental é realizada considerando uma viga não linear sujeita à presença de um dano com características lineares (perda de massa em uma conexão parafusada), com a comparação direta entre os resultados obtidos utilizando um modelo determinístic... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Estimar a região de estabilidade de um ponto de equilíbrio assintoticamente estável é importante em aplicações tais como sistemas de potência, economia e ecologia. A compreensão da estrutura qualitativa da fronteira da região de estabilidade é fundamental para estimar com eficiência a região de estabilidade. Caracterizações topológicas e dinâmicas da fronteira da região de estabilidade foram desenvolvidas ao longo das últimas décadas. Estas caracterizações foram desenvolvidas sob hipóteses de hiperbolicidade dos pontos de equilíbrio na fronteira e transversalidade. Para sistemas que dependem de parâmetros, a condição de hiperbolicidade pode ser violada em pontos de bifurcações. Estaremos interessados em estimar a região de estabilidade, para sistemas sujeitos a variações de parâmetros, onde ocorre a violação da condição de hiperbolicidade dos pontos de equilíbrio na fronteira da região de estabilidade devido ao aparecimento de uma bifurcação sela-nó do tipo zero nesta fronteira. Apresentaremos neste trabalho uma caracterização completa da fronteira da região de estabilidade na presença de um ponto de equilíbrio não hiperbólico sela-nó do tipo zero. Motivados também em oferecer um algoritmo conceitual para obter estimativas da região de estabilidade perturbada via conjunto de nível de uma dada função energia na vizinhança de um parâmetro de bifurcação sela-nó do tipo zero, buscaremos exibir resultados que permitam compreender o comportamento da região de estabilidade e de sua fronteira sob a influência das variações do parâmetro, incluindo variações do parâmetro próximo a um parâmetro de bifurcação sela-nó do tipo zero. / Estimating the stability region of an asymptotically stable equilibrium point is fundamental in applications such as power systems, economy and ecology. The knowledge of the qualitative structure of the stability boundary is essential to estimate with efficiency the stability region. Topological and dynamical characterizations of the stability boundary have been developed over the past decades. These characterizations were developed under assumptions of hyperbolicity of equilibrium points on the stability boundary and transversality. For systems that depend on parameters, the condition of hyperbolicity can be violated at points of bifurcations. We will be primarily interested in estimating the stability region, for systems subjected to parameter variations, when the condition of hyperbolicity of equilibrium points on the stability boundary is violated due to the appearance of a type-zero saddle-node bifurcation on the stability boundary. We will develop in this work, a complete characterization of the stability boundary in the presence of a type-zero saddle-node non-hyperbolic equilibrium point. Also, motivated to providing a conceptual algorithm to obtain estimates of the perturbed stability region via level sets of a given energy function in the neighborhood of a type-zero saddle-node bifurcation parameter, we offer results that explain the behavior of the stability region and its boundary under the influence of parameter variations, including variations of the parameter close to a type-zero saddle-node bifurcation parameter.

A utilização de Redes Neurais Artificias para fins de identificação e controle de sistemas dinâmicos têm recebido atenção especial de muitos pesquisadores, principalmente no que se refere a sistemas não lineares. Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a utilização de um tipo em particular de Rede Neural Artificial, uma Perceptron Multicamadas com Atraso de Tempo, na estimação de estados da etapa fermentativa do processo de Reichstein para produção de vitamina C. A aplicação de Redes Neurais Artificiais a este processo pode ser justificada pela existência de problemas associados à esta etapa, como variáveis de estado não mensuráveis e com incertezas de medida e não linearidade do processo fermentativo, além da dificuldade em se obter um modelo convencional que contemple todas as fases do processo. É estudado também a eficácia do algoritmo de Levenberg-Marquadt, na aceleração do treinamento da Rede Neural Artificial, além de uma comparação do desempenho de estimação de estados das Redes Neurais Artificiais estudadas com o filtro estendido de Kalman, baseado em um modelo não estruturado do processo fermentativo. A análise do desempenho das Redes Neurais Artificiais estudadas é avaliada em termos de uma figura de mérito baseada no erro médio quadrático sendo feitas considerações quanto ao tipo da função de ativação e o número de unidades da camada oculta. Os dados utilizados para treinamento e avaliação da Redes Neurais Artificiais foram obtidos de um conjunto de ensaios interpolados para o intervalo de amostragem desejado. / ldentification and Control of dynamic systems using Artificial Neural Networks has been widely investigated by many researchers in the last few years, with special attention to the application of these in nonlinear systems. ls this works, a study on the utilization of a particular type of Artificial Neural Networks, a Time Delay Multi Layer Perceptron, in the state estimation of the fermentative phase of the Reichstein process of the C vitamin production. The use of Artificial Neural Networks can be justified by the presence of problems, such as uncertain and unmeasurable state variables and process non-linearity, and by the fact that a conventional model that works on all phases of the fermentative processes is very difficult to obtain. The efficiency of the Levenberg Marquadt algorithm on the acceleration of the training process is also studied. Also, a comparison is performed between the studied Artificial Neural Networks and an extended Kalman filter based on a non-structured model for this fermentative process. The analysis of lhe Artificial Neural Networks is carried out using lhe mean square errors taking into consideration lhe activation function and the number of units presents in the hidden layer. A set of batch experimental runs, interpolated to the desired time interval, is used for training and validating the Artificial Neural Networks.

Existem métodos de integração de equações algébrico diferenciais não lineares (DAEs) considerados clássicos pela literatura. Porém, neste trabalho, através uma abordagem geométrica, apresenta-se um método de integração de DAEs. Tal método é inspirado na teoria de desacoplamento de sistemas não lineares explícitos, quando se considera que as saídas são restrições algébricas. Neste caso, a DAE pode ser identificada como dinâmica zero. O resultado principal desta abordagem é que, dada uma DAE, sob certas condições, é possível a construção de um sistema explícito, de tal maneira, que as soluções desse sistema explícito convergem para as soluções da DAE. / Classical methods for numerical integration of diferential algebraic equations (DAEs) can be formal in the literature. In this work, using a diferential geometric approach, a numerical method of integration of DAEs is established. This method is inspired in the decoupling theory of nonlinear explicit systems, when one considers that the outputs are algebraic constraints. The main result is the construction of an explicit system, whose solutions converge to the solutions of the DAE.