Poorly damped electromechanical modes detection in a power system and corresponding stability margins prediction are very important in power system planning and operation, and can provide significant help to power system operators with preventing stability problems. <br /><br /> Stochastic subspace identification is proposed in this thesis as a technique to extract the critical mode(s) from the measured ambient noise without requiring artificial disturbances (e. g. a line outage), allowing these critical modes to be used as an on-line index, which is referred here to as System Identification Stability Indices (SISI) to predict the closest oscillatory instability. The SISI is not only independent of system models and truly representative of the actual system, but also computationally efficient. In addition, readily available signals in a power system and several identification methods are categorized, and merits and pitfalls of each one are addressed in this work. <br /><br /> The damping torque of linearized models of power systems is studied in this thesis as another possible on-line security index. This index is estimated by means of proper system identification techniques applied to both power system transient response and ambient noise. The damping torque index is shown to address some of drawbacks of the SISI. <br /><br /> This thesis also demonstrates the connection between the second order statistical properties, including confidence intervals, of the estimated electromechanical modes and the variance of model parameters. These analyses show that Monte-Carlo type of experiments or simulations can be avoided, hence resulting in a significant reduction in the number of samples. <br /><br /> In these types of studies, the models available in simulation packages are extremely important due to their unquestionable impact on modal analysis results. Hence, in this thesis, the validity of generator subtransient model and a typical STATCOM transient stability (TS) model are also investigated by means of system identification, illustrating that under certain conditions the STATCOM TS model can yield results that are too optimistic, which can lead to errors in power system planning and operation. <br /><br /> In addition to several small test systems used throughout this thesis, the feasibility of the proposed indices are tested on a realistic system with 14,000 buses, demonstrating their usefulness in practice.

The dynamic response and bifurcations of a harmonic oscillator with a hysteretic restoring force and sinusoidal excitation are investigated. A multilinear model of hysteresis is presented. A hybrid system approach is used to formulate and study the problem. A novel method for obtaining exact transient and steady state response of the system is discussed. Simple periodic orbits of the system are analyzed using the KBM method and an analytic criterion for existence of bound and unbound resonance is derived. Results of KBM analysis are compared with those from numerical simulations. Stability and bifurcations of higher period orbits are studied using Poincar´e maps. The Poincar´e map for the system is constructed by composing the corresponding maps for the individual subsystems of the hybrid system. The novelty of this work lies in a.) the study of a multilinear model of hysteresis, and, b.) developing a methodology for obtaining the exact transient and steady state response of the system.

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We introduce numerical methods for the analysis of random dynamical systems. The subdivision and the continuation algorithm are powerful tools which will be demonstrated for a system from ship dynamics. With our software package we are able to show that the well known safe basin is a moving fractal set. We will also give a numerical approximation of the attracting invariant set (which contains a local attractor) and its evolution.

We study the classical nonlinear dynamics and the quantum vibrational energy eigenstates of the molecule HOCl. The classical vibrational dynamics, at energies below the HO+Cl dissociation energy, contains several saddle-center and period doubling bifurcations. The saddle-center bifurcations are shown to be due to a 2:1, and at higher energies a 3:1, nonlinear resonance between bend and stretch motions in various periodic orbits. The sequence of bifurcations takes the system from nearly integrable at low energies to almost completely chaotic at energies near the HO+Cl dissociation energy. At energies above dissociation we study the chaotic scattering of the Cl atom off the HO dimer. This scattering is governed by a homoclinic tangle formed by the stable and unstable manifolds of a parabolic periodic orbit at infinity. We construct the first three segments of the homoclinic tangle in phase space and use scattering functions to investigate its higher-order structure. For the quantum system we use a discrete variable representation to efficiently calculate the Hamiltonian matrix. We find 365 even and 357 odd parity eigenstates with energies below the dissociation energy. By plotting the eigenstates in configuration space we show that almost every quantum eigenstate can be associated with one or more of the classical periodic orbits. The classical bifurcations that give rise to new periodic orbits are manifest quantum mechanically through the sudden appearance of new classes of eigenstates. Despite the high degree of chaos in the classical dynamics at energies near the dissociation energy most quantum eigenstates remain highly ordered with recognizable nodal patterns. We use R-matrix theory together with a discrete variable representation to calculate quasibound states with energies above the dissociation energy. We find quasibound states with lifetimes ranging over 5 orders of magnitude. Using configuration space plots and Husimi distributions we show that the long-lived quasibound states are supported by unstable periodic orbits in the classical dynamics and medium-lived quasibound states are spread throughout the chaotic region of the classical phase space. Short-lived quasibound states show some similarity to unstable periodic orbits that stretch along the dissociation channel. / text

We study bifurcations of periodic solutions with spatio-temporal symmetries of functional differential equations (FDEs). The two main results are: (1) a centre manifold reduction around a periodic solution of FDEs with spatio-temporal symmetries, and (2) symmetry-breaking bifurcations for symmetric rings of delay-coupled lasers. For the case of ODEs, symmetry-breaking bifurcations from periodic solutions has already been studied. We extend this result to the case of symmetric FDEs using a Centre Manifold Theorem for symmetric FDEs which reduces FDEs into ODEs on an integral manifold around a periodic solution. We show that the integral manifold is invariant under the spatio-temporal symmetries which guarantees that the symmetry structure of the system of FDEs is preserved by this reduction. We also consider a problem in rings of delay-coupled lasers modeled using the Lang-Kobayashi rate equations. We classify the symmetry of bifurcating branches of solutions from steady-state and Hopf bifurcations that occur in 3-laser systems. This involves finding isotropy subgroups of the symmetry group of the system, and then using the Equivariant Branching Lemma and the Equivariant Hopf Theorem. We then utilize this result to find the bifurcating branches of solutions in DDE-Biftool. Symmetry often causes eigenvalues to have multiplicity, and in some cases, this could lead DDE-Biftool to incorrectly predict the bifurcation points. We address this issue by developing a method of finding bifurcation points which can be used for the general case of n-laser systems with unidirectional and bidirectional coupling. / Thesis (Ph.D, Mathematics & Statistics) -- Queen's University, 2012-04-30 11:25:01.011

Nous présentons dans cette étude le développement de la convection à partir de différentes perturbations de l'état conductif d'une couche fluide confinée dans une cavité cylindrique, chauffée par le bas et avec une surface supérieure libre. La discrétisation spatiale du domaine repose sur la méthode des éléments spectraux et les itérations temporelles sont assurées par une méthode splitting.Au déclenchement de la convection, les structures convectives correspondent à des modes de Fourier, et les seuils critiques dépendent du rapport de forme de la cavité, et des nombres de Biotet de Marangoni qui caractérisent la surface libre. Les transitions d'écoulements au-delà du seuil primaire sont caractérisées quantitativement en fonction du nombre de Rayleigh pour différentes valeurs du nombre de Biot et Ma = 0. Les résultats présentés sont obtenus en résolvant l'ensemble des équations non-linéaires de conservation à travers une méthode de continuation. Lorsque la convection se déclenche sous la forme d'un mode axisymétrique m = 0, l'évolution non-linéaire montre la coexistence de différentes structures convectives, des structures axisymétriques avec écoulement montant ou descendant au centre de la cavité et des structures correspondant à des combinaisons de modes qui apparaissent sur des branches secondaires sous-critiques.L'action d'un champ magnétique constant est ensuite étudiée pour des fluides conducteurs dans une même configuration comprenant une surface supérieure libre. Nous montrons l'effet stabilisateur du champ magnétique sur les seuils primaires ainsi que son action sélective sur les différents modes de convection. Nous analysons l'évolution des structures convectives au delà de ces seuils et montrons comment le champ magnétique modifie les transitions entre ces structures.En soumettant le bain fondu à un champ magnétique tournant, le mouvement de rotation du fluide se superpose aux mouvements de convection thermique et on observe une diminution des fluctuations de température et un retard du déclenchement de l'instabilité de Rayleigh-Bénard(lorsque les deux parois haut/bas du bain sont rigides). La rotation influe sur ce déclenchement qui de stationnaire devient oscillatoire, à l'exception du mode m = 0 de Fourier, pour qui la transition reste stationnaire jusqu'à une certaine valeur critique du nombre de Taylor magnétique.La dynamique de l'écoulement axisymétrique de part et d'autre de cette valeur critique sera étudiée en détail.

The blood is a complex fluid that contains, in addition to water, cells, macro-molecules and a large number of smaller molecules. The physical properties of the blood are therefore the result of non-linear interactions of its constituents, which are influenced by the local flow field conditions. Hence, the local blood viscosity is a function of the local concentration of the blood constituents and the local flow field itself. This study considers the flow of blood-like fluids in generalised 90-degree bifurcating pipes and patient-specific arterial bifurcations relevant to the large aortic branches in humans. It is shown that the Red Blood Cell (RBC) distribution in the region of bifurcations may lead to large changes in the viscosity, with implications on the concentrations of the various cells in the blood plasma. This in turn implies that the flow in the near wall regions is more difficult to estimate and predict than that under the assumption of a homogeneous fluid. The rheological properties of blood are complex and are difficult to measure, since the results depend on the measuring equipment and the inherent flow conditions. We attempt to model the viscosity of water containing different volume fractions of non-deforming RBC-like particles in tubes. The apparent viscosities of the mixtures obtained from these model experiments have been compared to the predictions of the different rheological models found in the literature. The same rheological models have also been used in the different simulations, where the local RBC concentration and local shear rate are used in the viscosity models. The flow simulations account for the non-linearity due to coupling between the flow and fluid rheology. Furthermore, from a physiological perspective, it is shown that oscillatory wall shear stresses are affected by changes in RBC concentration in the regions of the bifurcation associated with atherogenesis. The intrinsic shear thinning rheological property of the blood, in conjunction with stagnation in separated flows, may be responsible for elevated temporal wall shear stress gradients (TWSSG) influencing endothelial cell behaviour, which has been postulated to play a role in the development of atherosclerosis. The blood-like fluid properties along with variations in the RBC concentration could also lead to variations in the developing flow structures in the larger arteries that could influence the work the heart has to bear. / <p>QC 20131206</p>

Cette thèse traite de la synchronisation et de la désynchronisation des systèmes dynamiques. Dans une première partie nous abordons, sous l'angle de la biologie systémique, le problème de la désynchronisation qui consiste à induire un comportement chaotique dans un système ayant une dynamique stable. Nous étudions ce problème sur un réseau génétique appelé V-système, inventé afin de coupler le plus simplement possible une bifurcation de Hopf et une hystérèse. Après avoir démontré qu'un champ de vecteurs de R^n présentant un tel couplage peut, sous certaines conditions, avoir un comportement chaotique, nous donnons un ensemble de paramètres pour lequel le V-système associé satisfait ces conditions et vérifions numériquement que le mécanisme responsable du chaos prend place dans ce système. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la synchronisation de systèmes organisés hiérarchiquement. Nous commençons par définir une structure hiérarchique pour un ensemble de 2^n systèmes par une matrice représentant les étapes d'un processus de regroupement deux par deux. Cela nous amène naturellement au cas d'un ensemble de Cantor de systèmes, pour lequel nous obtenons un résultat de synchronisation globale généralisant le cas fini. Enfin nous traitons de la situation où certains défauts apparaissent dans la hiérarchie, i.e que certains liens entre les systèmes sont brisés. Nous montrons que l'on peut accepter un nombre infini de liens brisés, tout en gardant une synchronisation locale, à condition que ces liens soient uniquement présents aux N premiers étages de la hiérarchie (pour un N fixé) et qu'ils soient suffisamment espacés dans ces étages.

Ce travail propose différents modèles de mathématiques issus à des phénomènes naturels. L'outil indispensable à cette étude sont les inclusions différentielles, les équations (ou les systèmes d'équations) différentielles ou aux dérivées partielles et la théorie des bifurcations. La nature des ces équations dépend du problème traité: il peut s'agir d'équations de transport, de réaction-diffusion, d'équations non-locales, etc. Nous souhaitons apporter ici quelques informations et explications sur les différents modèles que nous allons étudier. Dans la première partie, il s'agit d'étudier l'existence des solutions, critère de compacité pour l'ensemble de solutions ainsi que la continuité de l'opérateur solution pour certaines classes d'inclusions différentielles impulsives de type neutre, un exemple d'application est traité à la fin de cet première partie, c'est une extension des résultats obtenus dans l'étude théorique. La seconde partie s'attache à l'analyse d'un autre modèle mathématique décrivant l'évolution de la maladie du cancer, il s'agit d'un système d'équations différentielles avec impulsions, les équations différentielles représentent l'évolution des cellules normales, cancéreuses sensibles et cancéreuses résistantes. Les impulsions représentent la chimiothérapie. On considère le cas de l'absence des cellules de la tumeur et on utilise un traitement préventif pour éradiquer la maladie, on étudie tout d'abord les conditions de stabilité des solutions triviales qui représentent l'éradication de la maladie, puis on traite le cas des bifurcations de solutions non triviales qui représentent le retour de maladie. On s'intéresse dans la dernière partie à la modélisation de la maladie d'Alzheimer. On construit un modèle qui décrit d'une part la formation de plaque amyloide {in vivo}, et d'autre part les interactions entre les oligomères A$\beta$ et la protéine prion qui induiraient la perte de mémoire. On mène l'analyse mathématique de ce modèle dans un cas particulier puis dans un cas plus général où le taux de polymérisation est une loi de puissance.