The stepwise replacement of conventional power plants by renewable-based ones such as wind power plants could a ect the system behaviour and planning. First, the network stability may be compromised as it becomes less resilient against sudden changes in the loads or generator trips. This is because wind turbines are not synchronized with network frequency but they are usually connected to the grid through fast controllable electronic power converters. And second, due to the stochastic nature of wind, the electrical power generated by wind power plants is neither constant non controllable. This aff ects the network planning as the expected generation level depends on non reliable wind forecasts. Also it aff ects the power quality as the fast fluctuations of wind power can cause harmonics and flicker emissions. For these reasons, network operators gradually set up more stringent requirements for the grid integration of wind power. These regulations require wind power plants to behave in several aspects as conventional synchronized generating units. Among other requirements, it is set the provision of some ancillary services to the grid as frequency and voltage control, the capability of withstanding short-circuits and faults, and to respect some threshold level with regard to the quality of the power generated. Accordingly, energy storage systems may play an important role in wind power applications by enhancing the controllability of the output of wind power plants and providing ancillary services to the power system and thus, enabling an increased penetration of wind power in the system. This thesis focuses on the potential uses of flywheel energy storage systems in wind power. The thesis introduces the basis of several energy storage systems as well as identi es their applications in wind power based on an extensive literature review. It follows with the presentation of the design and setting up of a scale-lab flywheel-based energy storage system. From this work, research concentrates on the application of flywheel devices for power smoothing of wind power plants. The developed concepts are proved by simulations but also experimentally using the above mentioned scale-lab test bench. In particular, research focuses on the de nition of an optimization criteria for the operation of flywheel devices while smoothing the wind power, and the design and experimental validation of the proposed control algorithms of the storage device. The last chapters of the thesis research on the role of wind power plants in system frequency control support. In this sense, an extensive literature review on the network operator's requirements for the participation of wind power plants in system frequency control related-tasks is off ered. Also, this review covers the proposed control methods in the literature for enabling wind turbines to participate in system frequency control. The results of this work open the door to the design of control systems of wind turbines and wind power plants for primary frequency control. The contribution of flywheel devices is also considered. Results highlight the tremendous potential of energy storage systems in general for facilitating the grid integration of wind power plants. Regarding the uses of flywheel devices, it is worth noting that some of their characteristics as the high-ramp power rates can be exploited for reducing the variability of the power generated by wind turbines, and thus for improving the quality of the power injected to the grid by wind power plants. Also, they can support wind power plants to ful l the requirements for their participation in system frequency control support related tasks. / El progressiu despla cament de plantes de generaci o convencionals per part de plantes de generaci o de tipus renovable, com els parcs e olics, pot afectar el comportament i la plani caci o del sistema el ectric. Primer, l'estabilitat pot ser compromesa ja que el sistema el ectric resulta m es vulnerable davant canvis abruptes provocats per les c arregues del sistema o desconnexions no programades de generadors. Aix o es degut a que les turbines e oliques no estan sincronitzades amb la freqü encia el ectrica del sistema ja que la seva connexi o es a trav es de convertidors electr onics de pot encia. Segon, degut a la gran variabilitat del vent, la pot encia el ectrica generada per les turbines e oliques no es constant ni controlable. En aquest sentit, la qualitat de la pot encia del parc e olic es pot veure compromesa, ja que es poden detectar nivells apreciables d'harm onics i emissions de "flicker" degudes a les r apides variacions de la pot encia generada pel parc e olic. Per aquests motius, els operadors dels sistemes el ectrics fan gradualment m es restrictius els requeriments de connexi o dels parcs e olics al sistema el ectric. Aquestes regulacions requereixen als parcs e olics que es comportin en molts aspectes com plantes de generaci o convencional. Entre d'altres requeriments, els parcs e olics han de proveir serveis auxiliars per a la operaci o del sistema el ectric com tamb e el suport en el control dels nivells de tensi o i freqü encia de la xarxa; oferir suport durant curtcircuits; i mantenir uns nivells m nims en la qualitat de la pot encia generada. Els sistemes d'emmagatzematge d'energia poden millorar la controlabilitat de la pot encia generada pels parcs e olics i ajudar a aquests a proveir serveis auxiliars al sistema el ectric, afavorint aix la seva integraci o a la xarxa. Aquesta tesi tracta l'aplicaci o en parcs e olics dels sistemes d'emmagatzematge d'energia basats en volants d'in ercia. La tesi introdueix les bases de diversos sistemes d'emmagatzematge i identi ca les seves potencials aplicacions en parcs e olics en base a una extensa revisi o bibliogr a ca. El treball continua amb la posta a punt d'un equipament de laboratori, que con gura un sistema d'emmagatzematge d'energia basat en un volant d'in ercia. Següents cap tols de la tesi estudien l'aplicaci o dels volants d'in ercia per a esmorteir el per l fluctuant de la pot encia generada pels parcs e olics. Els treballs es focalitzen en la de nici o dels criteris per a la operaci o optima dels volants d'in ercia per la seva aplicaci o d'esmorteir el per l fluctuant de potencia e olica, i tamb e en el disseny i validaci o experimental dels algoritmes de control desenvolupats per governar el sistema d'emmagatzematge. Els cap tols finals de la tesi tracten sobre el suport al control de freqü encia per part dels parcs e olics. S'ofereix una extensa revisi o bibliografica respecte els requeriments indicats pels operadors del sistema el ectric en aquest sentit. A m es, aquesta revisi o cobreix els m etodes de control dels parcs e olics i turbines e oliques per la seva participaci o en el suport al control de freqü encia. Les conclusions extretes serveixen per proposar sistemes de control de parcs e olics i de turbines e oliques per proveir el servei de control de freqüencia. Aquest treball, tamb e contempla la inclusi o de volants d'in ercia en els parcs e olics. Dels resultats de la tesi se'n dedueix l'important potencial dels sistemes d'emmagatzematge d'energia per a afavorir la integraci o a la xarxa dels parcs e olics. La controlabilitat de la pot encia dels volants d'in ercia, afavoreix el seu us per reduir la variabilitat de la pot encia generada pels parcs e olics, millorant aix la qualitat de pot encia del mateix. A m es, els volants d'in ercia poder ajudar als parcs e olics a complir amb els requeriments per a la seva integraci o a xarxa, com la participaci o en el control de freqüencia del sistema el ectric.

La principal causa de las vibraciones generadas por la circulación de un tren reside en el contacto rueda-carril, concretamente en las fluctuaciones de la fuerza de contacto provocadas por las irregularidades del perfil de ruedas y carriles. La medición experimental del estado dinámico de estas vibraciones requiere del empleo de un procedimiento de medición complejo. Adicionalmente, el conocimiento de la influencia de los diversos elementos de la vía en la generación y transmisión de la vibración al paso de un tren, es importante a la hora de diseñar y ejecutar nuevos trazados de ferrocarriles subterráneos, de cara a evaluar el impacto ambiental y para la selección de los tipos de vía más adecuados desde el punto de vista de sus características antivibratorias. Por todo lo anterior, se ha desarrollado un modelo matemático que permite predecir la fuerza de contacto generada en la zona de interacción rueda-carril. La modelización incluye una caracterización de la vía ferroviaria y de sus elementos constitutivos, las características de la suspensión del coche, y el empleo de la teoría no lineal de Hertz para estudiar el contacto ruedacarril. A partir de la historia temporal de la fuerza de contacto rueda-carril, se obtienen registros descriptivos del comportamiento vibratorio de un tren que se desplaza a velocidad constante sobre la vía. El registro temporal de vibración del carril al paso de una rueda se obtiene mediante una metodología de convolución de núcleo variable. Para ello ha sido necesario hallar las respuestas impulsionales de la vía, correspondientes a diferentes distancias entre un punto de excitación de vibraciones del carril y el punto donde se desea conocer la respuesta vibratoria del mismo. La respuesta frecuencial del sistema se calcula para el rango de frecuencias comprendido entre 10 y 400 Hz, adecuado para las bajas velocidades de desplazamiento, usuales en los ferrocarriles existentes en una vía suburbana. En algunas redes metropolitanas se han instalado tramos en los cuales la vía se encuentra sostenida por una losa intermedia de concreto, sobre la cual es posible emplear cualquier tipo de vía. La presente tesis doctoral evalúa la influencia de la losa en la respuesta dinámica de la vía. Para ello se ha realizado una modelización de la misma, incorporándola al modelo de vía descrito. En este trabajo se describe además, un análisis cuantitativo destinado a comparar el comportamiento de distintos tipos de vía, utilizadas usualmente en ferrocarriles suburbanos, en cuanto a la generación y transmisión de vibraciones a la base de la vía, considerando la influencia de las características de inercia, rigidez y amortiguamiento de cada tipo de vía. Los resultados obtenidos mediante el modelo propuesto, se han validado mediante medidas experimentales efectuadas en distintas líneas del Ferrocarril Metropolitano de Barcelona para diversos tipos de vía. La transmisión de las vibraciones generadas por el contacto rueda-carril en los trenes de un ferrocarril suburbano hacia el entorno del túnel y los edificios colindantes es a menudo causa de molestias para el vecindario. Por tal motivo, se propone una metodología para estimar el nivel de vibración en la pared del túnel y en las zonas aledañas a la vía al paso de un tren. Esta metodología se basa en la utilización del modelo analítico que describe el comportamiento dinámico del sistema rueda-vía, y en la utilización de un modelo de propagación de las vibraciones desde la vía hacia la pared del túnel, ajustado experimentalmente. Para comprobar la bondad de la estimación obtenida con el método de propagación propuesto, se han contrastado los resultados obtenidos a través de la simulación numérica con medidas obtenidas en diversas líneas del Ferrocarril Metropolitano de Barcelona. Estas medidas se han realizado mediante acelerómetros colocados en el carril, en el centro de la vía y en la pared, y corresponden a la velocidad de vibración en dirección vertical.

Con el espectro radioeléctrico cada vez más saturado, los filtros y duplexores son elementos claves de la tecnología en el mercado de dispositivos discretos para la telefonía móvil. El segmento de usuario de los sistemas de comunicaciones inalámbricas aprovecha las destacadas propiedades de los dispositivos filtrantes basados en resonadores acústicos. Generalmente, el diseño de dispositivos de onda acústica ha sido asumido por técnicas de optimización debido a las restrictivas limitaciones impuestas por la viabilidad tecnológica de los resonadores SAW y BAW, así como las exigentes especificaciones eléctricas. Una respuesta de transmisión muy restrictiva y factores tecnológicos muy limitantes conducen a hacer el diseño más y más complejo y una tarea muy desafiante. El objetivo del trabajo está enfocado en facilitar el diseño de filtros/duplexores y hacerlo más eficiente. En consecuencia, la formulación inicial del problema se ha centrado en la viabilidad tecnológica para implementar filtros de onda acústica. Proporcionar una metodología sistemática es útil para acelerar la curva de aprendizaje de nuevos diseñadores. Los filtros de microondas con elevada selectividad son posibles si sus funciones de transferencia incorporan ceros de transmisión finitos. La introducción de nodos no-resonantes (NRN) da la posibilidad de diseñar filtros con el máximo número de ceros de transmisión finitos sin tener que implementar acoplamientos directos entre la fuente y la carga. Además, las configuraciones en línea con NRN permiten la extracción de los elementos analíticamente. La típica configuración de filtro ladder presenta similitudes características de acuerdo con las redes de prototipo en línea con nodos resonantes y no-resonantes, que son las propiedades de modularidad, para controlar los ceros de transmisión con resonadores independientes, y respuestas completamente canonícas sin acoplamiento fuente-carga directo. Los elementos de la red pasobanda son dados por ecuaciones explícitas en términos de aquellos en los prototipos en línea con NRN que pueden ser sintetizados analíticamente. Como consecuencia, es posible definir una metodología de síntesis directa para obtener los parámetros pasobanda eléctricos de un filtro RF general que está basado en resonadores acústicos. Este trabajo presenta una metodología que proporciona un procedimiento de síntesis sistemático para diseñar filtros y duplexores ladder basados en resonadores de onda micro-acústica. La metodología de diseño utiliza un enfoque nodal basado en NRN y nodos resonantes. La representación de la red mediante una matriz de acoplamiento mixta de nodos resonantes y no resonantes es capaz de gestionar de forma eficiente las restricciones tecnológicas. El procedimiento es eficiente en tiempo, preciso en los resultados y proporciona un profundo entendimiento de las particulares interacciones que se producen entre las restricciones tecnológicas y el funcionamiento del dispositivo. Un completo paquete de software, con un simulador rápido, preciso y de fácil uso, ha sido desarrollado, permitiendo obtener diseños de primera etapa exitosos. Como resultado de la metodología sistemática, hemos desarrollado un método de diseño que combina y sistemáticamente gestiona redes filtrantes compuestas de bloques de polo extraído con bloques de resonadores acoplados, es decir, celdas ladder con secciones CRF. Además, la metodología has sido extendida exitosamente para tener en cuenta el diseño de divisores de potencia con respuesta filtrante por medio de dos topologías diferentes: la configuración ladder y las secciones CRF. La metodología propuesta ofrece una solución que combina el completo cumplimiento de las máscaras de espectro con topologías preparadas para acomodar las restricciones tecnológicas de la tecnología micro-acústica. La metodología ha sido desarrollada orientada nativamente a gestionar la tecnología, como es el ajuste de la limitación en el acoplo electromagnético, y basada en fundamentos de síntesis rigurosos. / With a spectrum more and more overcrowded, filters and duplexers are drivers of the technology in the discrete device mobile market. The user segment of wireless communication systems takes profit of the outstanding performance of filtering devices based on acoustic resonators. Usually, the design of acoustic wave devices have been mainly entrusted to optimization techniques because the stringent constraints imposed by the technological feasibility of SAW and BAW resonators and the challenging electrical specifications. A stringent transmission response and very restrictive technological factors lead the design to a more and more complex and challenging task. The aim of the work is focused on easing the filters/duplexers designs and making it more efficient. Consequently, the initial formulation of the problem was focused on the technological feasibility of acoustic wave filters. Providing a systematic methodology is useful to accelerate the learning curve of new entrant designers. Microwave filters with high selectivity are possible if their transfer functions incorporates finite transmission zeros. The inclusion of non-resonant nodes gives the possibility of designing filters with the maximum number of finite transmission zeros without implementing direct couplings between source and load. Furthermore, inline configuration with NRN allows the extraction of the elements analytically. The common ladder filter configuration exhibits characteristic similarities regarding inline prototype networks with resonant and non-resonant nodes, which are the property of modularity, to control transmission zeros by independent resonators, and fully canonical response without a direct source-load coupling. The elements of the lowpass prototype are given by explicit equations in terms of those in in-line prototypes with non-resonating nodes that can be synthesized analytically. As a consequence it is possible to define a direct synthesis methodology to obtain the bandpass electric parameters of a general RF filter that is based on acoustic resonators. This work presents a methodology that provides a systematic synthesis procedure for designing ladder filters and duplexers based on acoustic wave resonators. The methodology uses a nodal approach based on resonating and non-resonating nodes. The coupling matrix representation with a mix of different nature nodes, resonant and non-resonant, is able to efficiently manage the technological restrictions. The procedure is time efficient, precise in the outcomes and provides a deep understanding of the particular interactions between technological constraints and device performance. A complete software package with fast, accurate and easy-to-use simulator has been developed, enabling starting point design success. As a result of the systematic methodology, we have developed a design method that combines and systematically manages a filtering network composed of extracted-pole blocks with coupling resonators blocks, so it is ladder cells with CRF sections. Moreover, the methodology has been successfully extended to take into consideration filtering power dividers by means of two different topologies: ladder configuration and CRF sections. The proposed methodology offers a solution that combines a complete spectrum fulfillment with topologies ready to accommodate technological constraints of micro-acoustics technologies. The methodology has been developed natively oriented to manage with the technology, such as accommodating electromechanical coupling constraints, leveraged in rigorous synthesis foundations.

Mejorar el acabado superficial de una pieza plana o cilíndrica, se puede hacer de manera relativamente sencilla, utilizando para ello un proceso de rectificado. Sin embargo lograr un buen acabado superficial en una superficie de configuración geométrica compleja, es un problema difícil de tratar y es uno de los retos que tiene la industria de la manufactura de piezas a día de hoy.Muchos elementos mecánicos como los moldes y matrices se caracterizan por tener en su geometría varias superficies complejas. De manera general casi cada producto comercial contiene, al menos, un componente crítico hecho en un molde o una matriz. Es por esto que este problema está siendo ampliamente estudiado por los investigadores de la rama de la fabricación de piezas. En esta tesis se estudia como mejorar el acabado superficial de geometrías complejas a través de un proceso de deformación plástica: el bruñido con bola. Este proceso puede sustituir al habitualmente utilizado en este tipo de superficies, específicamente el pulido manual. Como característica fundamental del mismo, se puede decir que es un proceso automatizado que se desarrolla en la propia máquina donde está siendo elaborada la pieza en cuestión. Para llevar a cabo este estudio se definen tres etapas. En la primera se desarrolla, en pasos sucesivos, un modelo físico para el proceso; a través del cual se podrá describir el fenómeno que ocurre durante el bruñido con bola. El objetivo final, es saber que parámetros son necesarios definir y ajustar durante la aplicación de dicho proceso. Se parte de hacer un análisis de fuerzas sobre un elemento diferencial de área y se van incorporando al modelo, las variables que están presentes en el sistema. El resultado final es un modelo en que los valores teóricos de presión se ven afectados por la influencia de los fenómenos que están presente en el sistema analizado, como son la velocidad con la que se deforma el material y el efecto del endurecimiento que va sufriendo el mismo a medida que va desarrollándose el proceso.Una vez obtenido el modelo se realiza la caracterización a través de ensayos del material de las piezas de trabajo para poder introducir sus propiedades en el mismo y a continuación se diseñan y realizan los experimentos necesarios para validar los resultados obtenidos.En una segunda etapa, se adicionan al modelo físico algunas variables no consideradas explícitamente hasta el momento, como el ancho de pasada lateral de la herramienta, la estrategia de mecanizado a seguir en el proceso y la influencia sobre la fuerza de bruñido, de la presión hidráulica del sistema y la profundidad de penetración del cabezal de la herramienta. Además se ajusta el modelo para el bruñido de superficies complejas. Todo esto se lleva a cabo a través del diseño de experimentos. Los resultados obtenidos se llevan a una hoja resumen donde se puede observar lo que se esperan obtener con el proceso bajo determinadas condiciones de trabajo. Como indicadores de la bondad del modelo se miden la rugosidad superficial media Ra y la rugosidad máxima total en la longitud de evaluación Rt.En la tercera y última etapa, se realiza un estudio sobre la dureza superficial y las tensiones residuales en el material de las piezas ensayadas, para determinar los valores añadidos que aporta el proceso. Al finalizar se llegan a conclusiones importantes sobre el proceso de bruñido con bola estudiado y sobre el cumplimiento de los objetivos planteados en la tesis. Por otra parte se recomienda toda una serie de trabajos pendientes a los cuales se les podría dar solución en un futuro inmediato. / It is quite easy to improve the surface finish of a flat surface or a cylindrical one by using a grinding process. But achieving a good finish on a surface of complex geometry is a difficult task. And this is one of the challenges the manufacturing industry faces today. The geometry of many mechanical parts such as moulds and dies is characterised by several complex surfaces. In general almost each trade product has at least one critical component made in a mould or die. That is why this issue has been widely studied by researchers in the manufacturing industry. This thesis aims to research on how to improve the surface finish of complex geometry through a process of plastic deformation; the ball burnishing. This process can replace the one commonly used for this kind of surface, specially the manual polishing. The main feature is an automated process that takes place in the machine itself where the part is actually being produced. To carry out this research three stages need to be defined. At the first one, a physical model is gradually developed for the process. This model allows to describe the phenomenon happening before the ball burnishing. It purpose is to define and to set the parameters required for implementing the process. First an analysis of forces is made on an area differential element and the system variables are then added to the model. The final outcome is a model with theoretical pressure values which are determined by the phenomena happening in the analysed system; such as the speed at which the material is deformed and the hardening effect while the process develops. Once the model has been made, the workpiece characterisation is tested to introduce the properties into the model and after that the required tests are made to validate the results. At a second stage following variables not openly considered up to the previous stage are added to the physical model: the side cut width of the tool, the machining strategy to be applied to the process, the influence on the burnishing strength by the hydraulic pressure system, as well as the penetration depth of the tool head. The model for burnishing of complex surfaces is also fitted. And all this is done by means of the Design of Experiments techniques (DOE). The outcome is offered on a summary sheet that shows what the process can deliver under certain conditions. As goodness indicators for the model the average surface roughness Ra and the total maximum roughness are measured in the evaluation length Rt.At the third and final stage the surface hardness and the residual stress of the tested workpiece material are verified in order to determine the added values that the process is capable of providing. Finally interesting conclusions are drawn about the ball burnishing process and about how to reach the goals outlined in this thesis. Furthermore a range of pending research studies still need to be done to find solutions in the near future. / RÉSUMÉL'amélioration de la qualité de surface d'une pièce plane ou cylindrique, peut se faire d'une manière relativement simple, utilisant pour cela un processus de rectification. Cependant obtenir un bon état superficiel sur une surface de géométrie complexe (comme les surfaces gauches), est un problème difficile à traiter et correspond à l'un des objectifs que l'industrie mécanique recherche aujourd'hui.Beaucoup d'éléments mécaniques comme les moules et les matrices comportent dans leur géométrie plusieurs surfaces gauches. De manière générale et quelque soit le domaine concerné (automobile, aéronautique, ferroviaire, etc..) quasiment chaque produit commercial contient, au moins, un composant réalisé à partir d'un moule ou d'une matrice. C'est la raison pour laquelle ce problème est amplement étudié par les chercheurs du domaine de la fabrication mécanique.Dans cette thèse on propose une technique d'amélioration de l'état de surface de géométries complexes à travers d'un processus de déformation plastique: le rodage par déformation plastique à l'aide d'une bille. Ce processus peut remplacer le polissage manuel, long et couteux, habituellement utilisé pour ce type de surfaces. Le rodage par bille a comme avantage principal d'être un procédé automatisé qui peut s'effectuer dans la même machine où la pièce a été élaborée (centre d'usinage à Commande Numérique CN).Pour mener à bien cette étude, on définit trois étapes. Dans la première, on développe, par phases successives, un modèle physique pour le processus; à travers duquel on pourra décrire le phénomène qui se développe durant la déformation plastique. L'objectif final, est de savoir quels sont les paramètres prépondérants et de déterminer leur réglage durant l'opération de finition. L'étude commence avec une analyse des efforts sur un élément différentiel d'une aire élémentaire de contact et on continue en incorporant dans le modèle, les variables présentes dans le système. Le résultat final est un modèle qui montre que les valeurs théoriques de pression sont affectées par des phénomènes présents dans le système analysé, comme : la vitesse de déformation du matériau et l'effet de durcissement superficiel et progressif pendant le processus de rodage.Une fois le modèle obtenu, on effectue la validation à travers d'essais sur différents matériaux et pièces. Pour tenir compte des propriétés de ces matériaux, on a conçu et on a réalisé, les expériences nécessaires pour valider le modèle.Dans une seconde étape, on rajoute au modèle physique, plusieurs variables non considérés explicitement sur le modèle initial, tels que le pas de balayage, la stratégie d'usinage à suivre durant le processus et l'influence sur l'effort de rodage de la pression hydraulique du système et de la profondeur de pénétration de l'outil. Tout ceci se réalise par la mise en place d'un plan d'expériences. Les résultats obtenus sont présentés sur une feuille résumée où l'on peut observer les performances du système, sous certaines conditions de travail. Comme indicateurs de la qualité du modèle on mesure la rugosité moyenne de la surface Ra et la rugosité maximale totale Rt. Dans la troisième et dernière étape, on réalise une étude sur la dureté superficielle et sur les contraintes résiduelles du matériau à partir des différents échantillons pour mesurer les améliorations qu'apporte le procédé de parachèvement étudié.La thèse se termine en proposant un certain nombre de conclusions et perspectives sur le processus de « rodage par bille » étudié et en faisant un bilan par rapport aux objectifs initiaux de la thèse. En guise de perspective, on recommande un certain nombre de pistes d'amélioration qui seront développées dans un avenir proche.

Multi-beam satellite systems have been studied a lot in the last ten years. They have many promising features like power gain, interference reduction, high flexibility to adapt the asymmetric traffic distribution, and the improvement of the system capacity compared with single-beam systems. In multi-beam satellite systems, the beamforming antenna can generate a number of spot beams over the coverage area. However, each beam will compete with others for resources to achieve satisfactory communication. This is due to the fact that the traffic demand is potentially highly asymmetrical throughout the satellite coverage. Therefore, in order to achieve a good match between offered and requested traffic, the satellite requires a certain degree of flexibility in allocating power, bandwidth and time-slot resources. Current multibeam satellite systems with regular frequency reuse and uniform power allocation can not satisfy these increasing requirements, which motivate us to investigate new transmission schemes to replace the current ones. In this dissertation, we first propose a novel system design, flexible system, which is an extension of current multi-beam systems. It is characterized by the non-regular frequency reuse and the flexibility in bandwidth and power allocation. Then, the Beam Hopping (BH) system is proposed to evaluate the performance improvement with the flexibility in time/space and power domain. As we know, the flexible system and BH system operate in frequency and time/space domain, respectively. In order to know which domain shows the best overall performance, we propose a novel formulation of the Signal-to-Interference plus Noise Ratio (SINR) which allows us to prove the time/frequency duality of these two schemes. Furthermore, to efficiently utilize the satellite resources (e.g., power and bandwidth), we propose two capacity optimization approaches subject to per-beam SINR constraints. Moreover, due to the realistic implementation, a general methodology is formulated including the technological constraints, which prevent the two systems dual of each other (named as technological gap). The Shannon capacity (upper bound) and the state-of-art Modulation and Coding (MODCOD) are analyzed in order to quantify the gap and evaluate the performance of the two candidate schemes. Comparing with the current conventional systems, simulation results show significant improvements in terms of power gain, spectral efficiency and traffic matching ratio. They also show that the BH system is less complex design and outperforms the flexible system specially for non-real time services. This part of the Ph.D. work supported by an ESA-funded project on next generation system of “Beam Hopping Techniques for Multi-beam Satellite Systems”. This research is in close collaboration with the leading space industry (e.g. INDRA, MDA) and space research institutions (e.g., ESA, DLR (German Space Agency)). In addition, we extend the work to mobile environments (e.g., railway scenario). Since the current air interface standards (e.g., DVB-S2/RCS) lack of specification for mobile scenarios, a new Fade Mitigation Technique (FMT), i.e., Link Layer Forward Error Correction (LL-FEC) is introduced as a fading countermeasure for DVB-S2/RCS in mobile environments. This part of the work points out that LL-FEC can overcome the deep fading in mobile satellite scenarios (e.g. railway) by optimizing the FEC codes (e.g. Reed-Solomon and Raptor codes). We have to note that such air interface standards might need change to adapt to the new proposed systems: flexible and BH. However, the methodology presented is also applicable. We further investigate the secure communication of multibeam satellite systems by using the system model developed in the BH project. The physical (PHY) layer security technique is investigated to protect the broadcasted data and make it impossible to be wiretapped. A novel multibeam satellite system is designed to minimize the transmit power under the constraints of the individual secrecy rate requested per user. The main contributions of this Ph.D. dissertation can be summarized as: a. We study the resource allocation optimization in multi-domain (frequency, time, space and power) for multi-beam satellite systems. First, we develop novel matricial-based analytical multibeam system-level models that directly allows testing different payloads technology and system assumptions. Second, we prove that the system performance can be increased by dynamically adapting the resource allocation to the characteristics of the system, e.g., traffic requested by the terminal. b. Theoretical studies and simulations prove that the proposed novel transmission schemes perform better than the current system design in terms of power gain, spectral efficiency, etc.. In addition, BH system turns out to show a less complex design and superior performance than the flexible system. c. Our analytical models allows us to also prove the theoretical duality between the flexible and BH systems, which work in frequency domain and time domain, respectively. Moreover, we develop a general methodology to include technological constraints due to realistic implementation, obtain the main factors that prevent the two technologies dual of each other in practice, and formulate the technological gap between them. d. We extend the work to mobile scenarios and prove that LL-FEC is applicable for mobile satellite systems (e.g., railway) to compensate the fade due to the mobility by optimizing the FEC codes (Reed-Solomon and Raptor codes). The results show that Multiple Protocol Encapsulation Inter-burst FEC (MPE-IFEC) and extended MPE-FEC with Raptor codes - as finally specified in DVB Return Channel via Satellite for Mobile Scenario (DVB-RCS+M) - consistently perform better than other LL-FEC schemes for mobile scenarios. e. We point out that how to change the signalling of current version of standards (e.g., DVB-S2/RCS+M) in order to allow achievable performance in the mobile scenarios. The proposal has been finally adopted by the DVB-RCS+M standard. f. We finally make use of our developed system models to investigate whether the multibeam scenario allows the use of PHY layer security, a very valuable feature that would broaden multibeam satellite applications. We prove that our models are directly applicable for the study of PHY layer security in terms of joint optimization of power control and beamforming for the BH payload. Moreover, the proposed algorithm can ensure the minimum power consumption subject to the individual secrecy rate requested per user. Based on the work of the Ph.D., three journal papers and eleven international conference papers have been published, and these publications systematically cover all the contributions of this doctoral thesis work.

Data validation and reconciliation techniques have been extensively used in the process industry to improve the data accuracy. These techniques exploit the redundancy in the measurements in order to obtain a set of adjusted measurements that satisfy the plant model. Nevertheless, not many applications deal with closed cycles with complex connectivity and recycle loops, as in absorption refrigeration cycles. This thesis proposes a methodology for the steady-state data validation of absorption refrigeration systems. This methodology includes the identification of steady-state, resolution of the data reconciliation and parameter estimation problems and the detection and elimination of gross errors. The methodology developed through this thesis will be useful for generating a set of coherent measurements and operation parameters of an absorption chiller for downstream applications: performance calculation, development of empirical models, optimisation, etc. The methodology is demonstrated using experimental data of different types of absorption refrigeration systems with different levels of redundancy. / Los procedimientos de validación y reconciliación de datos se han utilizado en la industria de procesos para mejorar la precisión de los datos. Estos procedimientos aprovechan la redundancia enlas mediciones para obtener un conjunto de datos ajustados que satisfacen el modelo de la planta. Sin embargo, no hay muchas aplicaciones que traten con ciclos cerrados, y configuraciones complejas, como los ciclos de refrigeración por absorción. Esta tesis propone una metodología para la validación de datos en estado estacionario de enfriadoras de absorción. Estametodología incluye la identificación del estado estacionario, la resolución de los problemas de reconciliación de datos y estimación de parámetrosy la detección de errores sistemáticos. Esta metodología será útil para generar un conjunto de medidas coherentes para aplicaciones como: cálculo de prestaciones, desarrollo de modelos empíricos, optimización, etc. La metodología es demostrada utilizando datos experimentales de diferentes enfriadoras de absorción, con diferentes niveles de redundancia.

Es los últimos años se han llevado a cabo importantes trabajos de investigación, tomando el gas radón como elemento de evaluación en modelos de transporte atmosférico y así estimar el flujo de partículas. Además la utilización del radón ha encontrado otras aplicaciones en el estudio de las emisiones de gases de efecto invernadero a escala regional; en la actualidad en algunos proyectos europeos como el Ttorch y el InGOS se realizan medidas en continuo de radón atmosférico junto con otros gases de efecto invernadero. En este marco de actuación, la presente tesis quiere caracterizar una nueva estación de radón atmosférico en El Arenosillo, en la cuenca sur de España, llevando a cabo medidas de radón a diferentes alturas gracias a una torre de 100 metros. Además otro objetivo de la tesis ha sido la caracterización del flujo de radón en esta área geográfica. Este trabajo incluye, además de un análisis de las concentraciones de radón mediante un sistema de esfera por electrodeposición, las observaciones de los parámetros meteorológicos en la estación de El Arenosillo. El flujo de radón en la misma área ha sido estudiado tanto con métodos directos como indirectos. Para poder estudiar el origen de las masas de aire ricas o pobres en radón que llegan a la estación, se ha realizado un análisis cualitativo con retro trayectorias. / An intensive research has been carried out during the last decade on a global scale using 222Rn for global atmospheric transport models evaluation as well as for estimating fluxes of atmospheric constituents. Furthermore, a new application in recent years has been the use of radon for estimating regional scale greenhouse gas emission. Nowadays, some European projects and data base, such as the TTtorch and the InGOS, are carrying out continuous measurements of the atmospheric 222Rn gas concentrations together with others greenhouse gases measurements at tall towers. In this framework, the present thesis aims to characterize a new atmospheric radon station at the El Arenosillo station, in the Southwest coast of Spain, by performing atmospheric radon concentration measurements at different heights thank to the presence of a 100 m tall tower. Furthermore, the study wants to properly characterize the radon flux background in this area. Therefore, this work includes the analysis of atmospheric radon gas concentration by electrostatic chamber method under seasonal meteorological parameters at two heights and the characterization of the radon flux of the El Arenosillo station area by direct and by indirect radon flux inventories. Finally, a qualitative back trajectories analysis has been performed to study the origin of air masses rich or poor in radon and to confirm the specific regions as radon source regions. During the Autumn season the geometric mean of radon data at 10 m is 4.48 Bq m-3 with a st. dev. of 2.03 Bq m-3 .and at 100 m is 2.93 with 1.98 Bq m-3 . In the Winter season the geometric mean of radon concentration data at 10 m is 3.82 Bq m-3 with a st. dev. of 2.34. At 100 m the geometric mean is and 3.06 Bq m-3 with 1.72. These radon concentrations are not as high as would be expected for winter and can be explained by the high frequency of radon-poor air masses coming from the Atlantic Ocean and from South Portugal during this season. The Spring season shows a geometric mean of radon concentration data at 10 m of 3.60 Bq m-3 with a st. dev. equal to 2.18 and at 100 m is 2.05 Bq m-3 with 2.20. These average radon concentrations indicate good atmospheric layer separation during this season. Finally, during the summer season the radon concentration data at 10 m is 2.64 Bq m-3 with a st. dev. of 1.86. At 100 m height, the geometric mean is 2.41 Bq m-3 with standard deviation of 1.88. These values indicate good statistics for this season and a strong mixing layer, as was expected for an unstable summer. The local radon flux contribution at el Arenosillo station is really low, of 5.3 ± 1.8 Bq m-2 h-1 which means that the atmospheric radon concentrations data will not have any strong noisly radon background and can be used in order to estimate remote radon source. The 222Rn flux observed from the close phosphogypsum pile and confirmed by different monitors and methods shows an average value of 33.5 ± 5.6 Bq m-2 h-1 , which is really low if compared with material 226Ra activity concentration of 550 Bq kg-1. The experimental analysis of atmospheric radon behaviour at El Arenosillo station has pointed out the existence of specific regions poor/rich in radon where the air masses use to come from such as the Sierra Morena system, the Betic system, the North of Portugal, the Atlantic Ocean, the Marocco area and the Guadalquivir Valley. A back-trajectory analysis has been performed by the transport model HYSPLIT4 in order to confirm the air masses origin from specific sectors and to justify the poor/rich radon concentrations transported and measured at El Arenosillo station.

En esta tesis se realizó un estudio teórico-experimental de un expansorscroll de pequeña potencia, comercializado como compresor, con la finalidad de integrarlo en sistemas de refrigeración por absorción para producir energía mecánica. El estudio consistió en primer lugar encaracterizar el expansor con aire y con amoniaco con objetode establecer sus prestaciones en distintas condiciones de operación. Luego se modelizó mediante un modelo semi-empírico en que la expansión se realiza según un proceso isentrópico seguido de uno isocórico, y las fugas internas del fluido como el paso de un flujo a través de una tobera convergente isentrópica. El modelo permite estimar la potencia mecánica neta, el caudal másico y la temperatura de salida del expansor a partir de la presión y temperatura de entrada, relación de presiones y frecuencia de giro, siendo las desviaciones máximas entre las variables calculadas y las medidas para el amoniaco del ±9%, ±5% y ±4 K, respectivamente. Adicionalmente, el modelo fue aplicado a expansores de mayor desplazamiento volumétrico del mismo fabricante con el fin de obtener sus mapas de funcionamiento. Finalmente, se realizó un estudio teórico sobre la integración de los expansores en distintas configuraciones en sistemas de refrigeración por absorción de simple etapa con las mezclas amoníaco/agua, amoniaco/tiocianato sódico y amoniaco/nitrato de litio. Los resultados obtenidos de la simulación termodinámica muestran que en estos sistemas puede producirse hasta unos 29 kW de energía mecánica y hasta 29 kW de refrigeración en distintas proporciones, a partir de fuentes de calor térmicas desde 80 oC a 130 oC y refrigeración a temperaturas de hasta -10 oC. / This thesis presentsthe theoretical and experimental study of a small scroll expander, commerciallyavailable as a compressor, in order to integrate it into absorption systems forthe production of mechanical energy. The expander was characterized with airand ammonia to determine its performance at different operational conditions.Then the expander was modelled to predict its performance assuming that thefluid that enters into the expander carries out an isentropic expansion processfollowed by an adiabatic isochoric process. The leaks are modelled as anisentropic flow through a converging nozzle. The model calculates the netmechanical power, mass flow rate and the exhaust temperature from the supplypressure and temperature, pressure ratio and rotational speed, with a maximumdeviation between the calculated and measured variables for ammonia from ±9%,±5% and ±4 K, respectively. Also the expander model was used to calculatethe performance of other expanders of the same type but with a highervolumetric displacement (TRSA09 and TRSA012). Finally, it was performed a studyabout the integration of expansion system in absorption refrigeration systemsusing three working mixtures: ammonia/water, ammonia/sodium thiocyanate andammonia/lithium nitrate. These systems can produce up to about 29 kW ofmechanical power and 29 kW of cooling capacity at desired proportions from heatsources at low temperatures, from 80 to 130 °C and cooling at temperatures upto -10 °C.

We define the purpose of this work as an analysis of the available mathematical algorithms for solving Mechanisms Synthesis problems with the aim of generating an interactive simulation tool and with the intention of assisting mechanical designers, teachers and the students in the task of solving dimensional synthesis and exact rigid body guidance synthesis problems using symbolic computing tools and 3DCAD software. So we present the objectives of this thesis in several areas: (a) Industrial scope: Providing a useful tool for mechanical designers in order to solve synthesis of mechanisms; (b) Teaching scope: Giving a tool for being used in classroom with which teachers can give synthesis of mechanisms in a flexible and intuitive way, and with which students can self-learn this subject, (c) Institutional scope: Improving and promoting the transformation to the European Higher Education Space of engineering schools through the implementation of novel software tools. So, after an intensive search through all Mechanical Engineering Degree compulsory subjects teaching guides, from all Spanish universities that offer this degree, we found that the synthesis of mechanisms is a subject that only appears in 20 of the 54 available subjects. In order to improve this situation we suggest the following actions: -Implementing various support tools,-as we bring in this research-, in order to facilitate teaching of considerably dense subjects. -Creating specific optional subjects, postgraduates or master studies into which accommodate the knowledge area of mechanisms synthesis, thus providing enough time to teach and to learn subjects that otherwise would be very difficult to include in the syllabus of Mechanical Engineering Degree compulsory subjects. -Using interactive computer tools, with an easy and intuitive use, -as the one presented in our thesis-, that students can use in a quasi-autonomous way as a self-learning tool. After analyzing the most representative tools that nowadays exist in the world of Mechanisms Synthesis, we detected some unmet needs. And for this reason we decided to make a computer application to fill these gaps. The main advantages of our novel and novel software are: -It¿s fully editable by the user, so it can be modified, customized or extended without any limit. -It¿s integrated into the 3DCAD software CATIAv5. This fact allows mechanisms designers to work always in the same environment. -Avoids the introduction of numerical values. This fact makes our software very handy and flexible while avoids unwanted errors. -The result of its calculations is a wrl file, a format directly insertable into most of current 3DCAD platforms.

Esta tesis se basa en el diseño de estrategias de gestión de inventario en cadenas de suministro usando la teoría de control. El principal objetivo es proponer un esquema de control para resolver los principales problemas que aparecen en el controla gestión de inventario de una cadena de suministro (incertidumbre en el retardo, el efecto látigo y el déficit de inventario). Este objetivo principal se divide en dos objetivos: 1. La neutralización de los efectos causados por el retardo de entrega de un pedido. 2. Diseño de políticas de inventario que permitan un balance entre el rechazo a la perturbación (demanda) y el seguimiento del inventario objetivo. Dado que el esquema de control por modelo interno (IMC) permite tratar los objetivos (1) y (2) bajo el mismo paradigma de control, pero de una manera disociada, éste se presenta en esta tesis como una nueva política de reposición de inventario en cadenas de suministro. Sin embargo, el IMC requiere el conocimiento del retardo para compensar sus efectos. Esta situación no es viable cuando el retardo cambia durante el proceso, situación común en las cadenas de suministro. Por lo tanto, la investigación empieza con la identificación del retardo. Así, en esta tesis se formula un algoritmo de identificación que permite estimar el verdadero valor de los retardos de la cadena de suministro. Estos valores se utilizan para adaptar el bloque de retardos en el esquema de control. De ese modo, el objetivo (1) se finaliza. El objetivo (2) se basa en el diseño de los controladores del esquema IMC. El objetivo de los controladores de IMC es mantener los niveles de inventario de la cadena de suministro cerca del inventario objetivo mitigando el efecto látigo. Cada entidad de la cadena de suministro puede operar en varios modos de trabajo durante el tiempo: suministro infinito y suficiente existencia, (SISE), suministro infinito y Bajas existencia, (SIBE), Suministro limitado, (SL). Cuando el tiempo de espera es demasiado largo y existe incertidumbre en la demanda, muchas empresas optan por utilizar una estrategia de inventario de seguridad para garantizar la satisfacción de la demanda del cliente. En virtud de esta estrategia de la cadena de suministro está siempre en el modo de trabajo (SISE). Cuando el inventario es insuficiente, la cadena de suministro puede trabajar en cualquiera de los modos de trabajo (SISE), (SIBE) o (SL). Por lo tanto, comenzamos proponiendo el diseño del sistema de control para una cadena de suministro bajo la estrategia de inventario de seguridad (SISE). El diseño está basado en las directrices del esquema IMC en el cual se realiza un balance entre la mitigación del efecto látigo y el seguimiento del inventario. Después de eso, el sistema de control se diseña para una cadena de suministro trabajando sin inventario de seguridad (es decir, en cualquier modo de funcionamiento (SISE), (SIBE) o (SL)). Por lo tanto, se propone un sistema de control de inventario conmutado bajo la estrategia de control descentralizado. Este consiste en un banco de controladores diseñados para cada posible caso de funcionamiento de cada entidad y una lógica de conmutación que selecciona el mejor controlador en cada instante de tiempo. Así, el objetivo (2) está terminado. / This thesis relies on the design of inventory management strategies in supply chain systems by using control theory approaches. The main objective is to propose a control scheme to solve the principal problems appearing in the inventory control of the supply chain (uncertainty in the lead time, the bullwhip effect and the inventory drift). This objective is divided in two particular objectives: 1. On the one hand, the counteraction of effects caused by the existing delay between the time at which an order is placed on the immediate supplier and the moment at which the petition is satisfied. 2. On the other hand, the design of inventory policies allowing a trade-off between the disturbance (demand) rejection and the inventory target tracking. Since the internal model control scheme (IMC) allows to tackle the objectives (1) and (2) under the same paradigm of control but in a decoupled way, the IMC scheme is presented in this thesis as a novel inventory replenishment policy for the entire supply chain. Nevertheless, the IMC requires the perfect knowledge of the lead time to compensate its effects. This situation is not viable when the delay changes during the process which is a common situation in supply chains. Hence, first of all, the research is focused on the identification of the lead time. As a result of this part of the research, an identification algorithm that allows to estimate the actual delay values of the entire supply chain at each time interval is formulated. The estimated delay values are used to adapt the delay block in the control scheme. Thereby, the particular objective (1) is finalised. The objective (2) relies on the design of the IMC scheme controllers. The aim of the IMC controllers is to keep the inventory levels of the supply chain close to the inventory target mitigating the bullwhip effect. Each echelon of the supply chain may operate under several working modes during the time: Infinite Supply and High stock, (ISHS), Infinite Supply and Low Stock, (ISLS), Limited Supply, (LS). When the lead time is too long and there exist uncertainty in the demand level, many companies choose to use a safety stock strategy to assure the customer demand satisfaction. Under this strategy the supply chain is always in the (ISHS) working mode. When the stock is insufficient, the supply chain may work under any of (ISHS), (ISLS) or (LS) working modes. Therefore, we start proposing the design of the control scheme for supply chain under safety stock strategy (ISHS). The design is based on the IMC guidelines where a trade-off between the bullwhip effect avoidance and inventory tracking is carried out, which is the second objective of the research. After that, the control scheme is designed for a supply chain working without safety stock (i.e. under any working mode (ISHS), (ISLS) or (LS)). Therefore, we propose a switched inventory control system for a serial multivariable supply chain under decentralized control strategy. This consists in a bank of controllers designed for each possible operation case of each echelon and a switching logic that selects the best controller at each instant time. Thus, the objective (2) is finalised.