This research explores the idea of developing an optimal path generator that can be used in conjunction with a feedback steering controller to automate track testing experiment. This study specifically concentrates on applying optimization concepts to generate paths that meet two separate objective functions; minimum time and maximum tire forces. A three-degree-of freedom vehicle model is used to approximate the handling dynamics of the vehicle. Inputs into the vehicle model are steering angle and longitudinal force at the tire. These two variables approximate two requirements that are essential in operating a vehicle. The Third order Runge-Kutta integration routine is used to integrate vehicle dynamics equations of motion. The Optimization Toolbox of Matlab is used to evaluate the optimization algorithm. The vehicle is constrained with a series of conditions, includes, a travel within the boundaries of the track, traction force limitations at the tire, vehicle speed, and steering. The simulation results show that the optimization applied to vehicle dynamics can be useful in designing an automated track testing system. The optimal path generator can be used to develop meaningful test paths on existing test tracks. This study can be used to generate an accelerated tire wear test path, perform parametric study of suspension geometry design using vehicle dynamics handling test data, and to increase repeatability in generating track testing results. <i> Vita removed at author's request. GMc 3/13/2013</i> / Master of Science

Dans ce travail, la modélisation, la simulation, l'optimisation dynamique et la commande nonlinéaire d'un procédé industriel de polymérisation en émulsion produisant du polyacétate de vinyle (PVAc) sont étudiées. La réaction est modélisée comme un système à deux phases constitué d'une phase aqueuse et une phase particulaire. Un modèle détaillé est développé pour calculer la masse molaire moyenne en poids, la masse molaire moyenne en nombre et la dispersité. Les moments de chaînes en croissance et terminés sont utilisés pour représenter l'état du polymère et pour calculer la distribution de masse molaire (MWD). L'étude de cas correspond à un réacteur industriel fonctionnant dans une entreprise de produits chimiques à Bogotá. Un réacteur à l'échelle industrielle (11 m3 de capacité) est simulé dans lequel une réaction semi-batch de polymérisation en émulsion de l'acétate de vinyle est effectuée. Le problème d'optimisation dynamique est résolu directement en utilisant un solveur de programmation non linéaire. L'intégration des équations différentielles est faite en utilisant la méthode de Runge-Kutta. Trois problèmes d'optimisation différents sont résolus, depuis le plus simpliste (une seule variable d'optimisation : la température du réacteur) au plus complexe (trois variables d'optimisation : la température du réacteur, le débit de l'amorceur et le débit du monomère) en vue de minimiser le temps final de réaction. Une réduction de 25% du temps de traitement par batchs est réalisée par rapport aux conditions normales de fonctionnement appliquées dans l'entreprise. Les résultats montrent qu'il est possible de minimiser la durée de réaction alors que certaines qualités de polymères souhaitées (conversion, masse molaire et contenu en solides) satisfont les contraintes définies. Une technique de commande non linéaire géométrique à l'aide de la linéarisation entrée/sortie est adaptée à la régulation de la température du réacteur. Un filtre Kalman étendu (EKF) est mis en oeuvre pour estimer les états non mesurés et il est testé dans différents cas, dont une étude de robustesse où des erreurs du modèle sont introduites pour vérifier son bon fonctionnement. Après vérification des performances du régulateur, certains changements d'opération du procédé ont été proposés afin d'améliorer la productivité du procédé et la qualité du polymère. Enfin, le profil de température optimale et les politiques d'alimentation optimales de débits du monomère et de l'amorceur, obtenues dans l'étape d'optimisation dynamique, ont fourni les consignes optimales pour la commande non linéaire. Les résultats montrent que le régulateur non linéaire conçu ici convient pour suivre les trajectoires optimales de température calculées précédemment / In this work, modeling, simulation, dynamic optimization and nonlinear control of an industrial emulsion polymerization process to produce poly-vinyl acetate (PVAc) are proposed. The reaction is modeled as a two-phase system composed of an aqueous phase and a particle phase. A detailed model is used to calculate the weight average molecular weight, the number average molecular weight and the dispersity. The moments of the growing and dead chains are used to represent the state of the polymer and to calculate the molecular weight distribution (MWD). The case study corresponds to an industrial reactor operated at a chemical company in Bogotá. An industrial scale reactor (11 m3 of capacity) is simulated where a semi-batch emulsion polymerization reaction of vinyl acetate is performed. Dynamic optimization problem is solved directly using a Nonlinear Programming solver. Integration of differential equations is made using Runge-Kutta method. Three different optimization problems are solved from the more simplistic (only one control variable: reactor temperature) to the more complex (three control variables : reactor temperature, initiator flow rate and monomer flow rate) in order to minimize the reaction time. A reduction of 25% of the batch time is achieved with respect to the normal operating conditions applied at the company. The results show that is possible to minimize the reaction time while some polymer desired qualities (conversion, molecular weight and solids content) satisfy the defined constraints. A nonlinear geometric control technique by using input/output linearization is adapted to the reactor temperature control. An extended Kalman filter (EKF) is implemented to estimate unmeasured states and it is tested in different cases including a robustness study where model errors are introduced to verify its good performance. After verification of controller performance, some process changes were proposed in order to improve process productivity and polymer quality. Finally, the optimal temperature profile and optimal feed policies of the monomer and initiator, obtained in a dynamic optimization step, are used to provide the optimal set points for the nonlinear control. The results show that the nonlinear controller designed here is appropriate to follow the optimal temperature trajectories calculated previously

In this dissertation, we study the single machine scheduling problem with an objective of minimizing the total completion time subject to release dates. The problem, denoted 1|rj £UCj ,was known to be strongly NP-hard and both theoretically and practically important. The focus of the research in this dissertation is to develop the efficient algorithms for solving the 1|rj|£UCj problem. This thesis contains two parts. In the first part, the theme concerns the approximation approach. We derive a necessary and sufficient condition for local optimality, which can be implemented as a priority rule and be used to construct three heuristic algorithms with running times of O(n log n). By ¡¨local optimality¡¨, we mean the optimality of all candidates whenever a job is selected in a schedule, without considering the other jobs preceding or following. This is the most broadly considered concepts of locally optimal rule. We also identify a dominant subset which is strictly contained in each of all known dominant subsets, where a dominant subset is a set of solutions containing all optimal schedules. In the second part, we develop our optimality algorithms for the 1|rj |£UCj problem. First, we present a lemma for estimating the sum of delay times of the rest jobs, if the starting time is delayed a period of time in a schedule. Then, using the lemma, partially, we proceed to develop a new partition property and three dominance theorems, that will be used and have improved the branch-and-bound algorithms for our optimization approach. By exploiting the insights gained from our heuristics as a branching scheme and by exploiting our heuristics as an upper bounding procedure, we propose three branch-and-bound algorithms. Our algorithms can optimally solve the problem up to 120 jobs, which is known to be the best till now.

Nous adaptons une heuristique de recherche à voisinage variable pour traiter le problème du voyageur de commerce avec fenêtres de temps (TSPTW) lorsque l'objectif est la minimisation du temps d'arrivée au dépôt de destination. Nous utilisons des méthodes efficientes pour la vérification de la réalisabilité et de la rentabilité d'un mouvement. Nous explorons les voisinages dans des ordres permettant de réduire l'espace de recherche. La méthode résultante est compétitive avec l'état de l'art. Nous améliorons les meilleures solutions connues pour deux classes d'instances et nous fournissons les résultats de plusieurs instances du TSPTW pour la première fois. / We adapt a general variable neighborhood search heuristic to solve the traveling salesman problem with time windows (TSPTW) where the objective is to minimize the completion time. We use efficient methods to check the feasibility and the profitability of a movement. We use a specific order to reduce the search space while exploring the neighborhoods. The resulting method is competitive with the state-of-the-art. We improve the best known solutions for two classes of instances and provide the results of multiple instances of TSPTW for the first time.