An optimization-based control strategy for energy efficiency of discrete manufacturing systems

In order to reduce the global energy consumption and avoid highest power peaks during operation of manufacturing systems, an optimization-based controller for selective switching on/off of peripheral devices in a test bench that emulates the energy consumption of a periodic system is proposed. First, energy consumption models for the test-bench devices are obtained based on data and subspace identification methods. Next, a control strategy is designed based on both optimization and receding horizon approach, considering the energy consumption models, operating constraints, and the real processes performed by peripheral devices. Thus, a control policy based on dynamical models of peripheral devices is proposed to reduce the energy consumption of the manufacturing systems without sacrificing the productivity. Afterward, the proposed strategy is validated in the test bench and comparing to a typical rule-based control scheme commonly used for these manufacturing systems. Based on the obtained results, reductions near 7% could be achieved allowing improvements in energy efficiency via minimization of the energy costs related to nominal power purchased.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Optimal control methodologies for the optimisation of maintenance scheduling and production in processes using decaying catalysts

In this thesis, optimal control methodologies are developed for solving problems involving the optimisation of maintenance scheduling and production in processes using decaying catalysts. Previously, such problems were solved using a category of methods which involve making decisions of discrete as well as continuous nature, called mixed-integer optimisation techniques. However, these techniques are combinatorial in nature and can solve differential equations only by approximations as collections of steady state equality constraints, and such features can cause these techniques difficulties in obtaining optimal and accurate solutions for these problems. The goal behind developing optimal control methodologies is to effectively solve these problems while overcoming the drawbacks that mixed-integer optimisation techniques face or would face in solving these problems. First, an optimal control methodology is developed to optimise maintenance scheduling and production in a process containing a reactor using decaying catalysts. This methodology involves using a multistage mixed-integer optimal control problem (MSMIOCP) formulation and obtaining solutions as a standard nonlinear optimisation problem, without using mixed-integer optimisation techniques. Two different solution implementations are required, each which has its own relative advantages. The methodology using the second procedure is particularly successful in effectively obtaining solutions within the stipulated tolerances. Further, the methodology possesses features of robustness because it enables a relatively small problem size, reliability because it solves differential equations using state-of-the-art integrators, and efficiency because it is not combinatorial in nature. These features indicate the methodology’s success in overcoming the drawbacks of using mixed-integer optimisation techniques to solve this problem. Next, the abovementioned methodology is extended to form an optimal control methodology to optimise maintenance scheduling and production in a process containing parallel lines of reactors using decaying catalysts. This methodology, when applied to a case study of such a process, is also able to effectively obtain solutions within the stipulated tolerances. Further, the solutions obtained, once again, possess features of robustness, reliability and efficiency, which indicate that the methodology can overcome the drawbacks that mixed-integer optimisation techniques would face, if used to solve such problems. And lastly, an optimal control methodology is developed for considering uncertainties in kinetic parameters in the optimisation of maintenance scheduling and production in a process containing a reactor using decaying catalysts. The methodology involves using a multiple scenario approach to consider parametric uncertainties and formulating a stochastic MSMIOCP, which is solved as a standard nonlinear optimisation problem as per the previously developed procedure. The results obtained provide insights into the effects of parametric uncertainties and the number of scenarios generated on the optimal operations, and indicate that the methodology is capable of solving this problem. Further, the robust, reliable and efficient nature of the results obtained suggest that the methodology can overcome the disadvantages that mixed-integer methods would introduce in the conventional methodologies, if such methodologies are used to solve such problems.Cambridge India Ramanujan Scholarship awarded by the Cambridge Trust and the Science and Engineering Research Board of Indi

Challenges in simulating light-induced processes in DNA

© 2016 by the authors; licensee MDPI, Basel, Switzerland. In this contribution, we give a perspective on the main challenges in performing theoretical simulations of photoinduced phenomena within DNA and its molecular building blocks. We distinguish the different tasks that should be involved in the simulation of a complete DNA strand subject to UV irradiation: (i) stationary quantum chemical computations; (ii) the explicit description of the initial excitation of DNA with light; (iii) modeling the nonadiabatic excited state dynamics; (iv) simulation of the detected experimental observable; and (v) the subsequent analysis of the respective results. We succinctly describe the methods that are currently employed in each of these steps. While for each of them, there are different approaches with different degrees of accuracy, no feasible method exists to tackle all problems at once. Depending on the technique or combination of several ones, it can be problematic to describe the stacking of nucleobases, bond breaking and formation, quantum interferences and tunneling or even simply to characterize the involved wavefunctions. It is therefore argued that more method development and/or the combination of different techniques are urgently required. It is essential also to exercise these new developments in further studies on DNA and subsystems thereof, ideally comprising simulations of all of the different components that occur in the corresponding experiments

Active Control of an Axial Flow Compressor via Pulsed Air Injection

This paper presents the use of pulsed air injection to control the onset of rotating stall in a low-speed, axial flow compressor. By measuring the unsteady pressures near the rotor face, a control algorithm determines the magnitude and phase of the first mode of rotating stall and controls the injection of air in the front of the rotor face. Experimental results show that this technique slightly extends the stall point of the compressor and eliminates the hysteresis loop normally associated with rotating stall. A parametric study is used to determine the optimal control parameters for suppression of stall. Analytic results---using a low-dimensional model developed by Moore and Greitzer combined with an unsteady shift in the compressor characteristic to model the injectors---give further insights into the operation of the controller. Based on this model, we show that the behavior of the experiment can be explained as a change in the bifurcation behavior of the system under nonlinear feedback. A higher fidelity simulation model is then used to further verify some of the specific performance characteristics that are observed in experiments

Influence of Early Bilingual Exposure in the Developing Human Brain.

190 p.La adquisición del lenguaje es un proceso que ese encuentra determinado tanto por mecanismos de desarrollo cognitivo, como por la experiencia lingüística durante los primeros años de vida. Aunque se trata de un proceso relativamente complejo, los bebés muestran una gran habilidad para el aprendizaje del lenguaje. Un entorno de aprendizaje lingüístico bilingüe podría considerarse aun más complejo, ya que los bebés están expuestos a las características lingüísticas de dos lenguas simultáneamente. En primer lugar, los bebés que crecen en un entorno bilingüe tienen que ser capaces de darse cuenta de que están expuestos a dos lenguas diferentes, y posteriormente deben separar y aprender las características especificas de cada una de ellas; por ejemplo, los distintos fonemas, palabras o estructuras gramaticales. Aunque la exposición lingüística total de los bebés bilingües debería ser comparable a la de los bebés monolingües, es probable que la exposición a cada una de las lenguas de su entorno sea menor, ya que tienen que dividir su tiempo de exposición entre ambas. Si bien los bebés bilingües parecen no tener problemas para enfrentarse a un contexto de aprendizaje potencialmente más complejo, ya que alcanzan las distintas etapas de adquisición del lenguaje a un ritmo similar a los bebés monolingües, sí se han observado adaptaciones a nivel conductual y a nivel de funcionamiento cerebral que podrían producirse como consecuencia de este contexto.Basque Center on cognition, brain and languag

Influence of Early Bilingual Exposure in the Developing Human Brain.

190 p.La adquisición del lenguaje es un proceso que ese encuentra determinado tanto por mecanismos de desarrollo cognitivo, como por la experiencia lingüística durante los primeros años de vida. Aunque se trata de un proceso relativamente complejo, los bebés muestran una gran habilidad para el aprendizaje del lenguaje. Un entorno de aprendizaje lingüístico bilingüe podría considerarse aun más complejo, ya que los bebés están expuestos a las características lingüísticas de dos lenguas simultáneamente. En primer lugar, los bebés que crecen en un entorno bilingüe tienen que ser capaces de darse cuenta de que están expuestos a dos lenguas diferentes, y posteriormente deben separar y aprender las características especificas de cada una de ellas; por ejemplo, los distintos fonemas, palabras o estructuras gramaticales. Aunque la exposición lingüística total de los bebés bilingües debería ser comparable a la de los bebés monolingües, es probable que la exposición a cada una de las lenguas de su entorno sea menor, ya que tienen que dividir su tiempo de exposición entre ambas. Si bien los bebés bilingües parecen no tener problemas para enfrentarse a un contexto de aprendizaje potencialmente más complejo, ya que alcanzan las distintas etapas de adquisición del lenguaje a un ritmo similar a los bebés monolingües, sí se han observado adaptaciones a nivel conductual y a nivel de funcionamiento cerebral que podrían producirse como consecuencia de este contexto.Basque Center on cognition, brain and languag

Microkinetic Model Development for Methane Oxidation over Palladium Catalysts

Der Einsatz von Erdgasmotoren für Anwendungen im Schiffs-, Lkw- und Pkw-Verkehr, stellt im Vergleich zu konventionellen Diesel- oder Benzinmotoren eine direkte Maßnahme dar, um die verkehrsbedingten CO2-Emissionen, sowie Stickoxid (NO), Kohlenmonoxid (CO) und Feinstaub (PM) Belastungen weiter zu senken. Synthetisches Methan, das unter Verwendung erneuerbarer Energien im Power-To-Gas Verfahren erzeugt wird, stellt eine erweiterte Option dar, damit die Ziele, die CO2-Emissionen, im Verkehrsbereich und bei stationären Anwendungen, zu reduzieren, sowie mittel bis langfristig vollständig zu eliminieren, erreicht werden. Typische für Erdgasmotoren eingesetzte Katalystoren verwenden Palladium (Pd) basierte Beschichtungen zur vollständigen Oxidation von Methan. Diese sind aufgrund ihrer hohen Methan Aktivität in der Lage, motorseitig unverbranntes Methan katalytisch zu konvertieren. Dies ist notwendig, weil Methan über einen Zeithorizont von 100 Jahren ein Globales Erderwärmungs Potential (GWP) von über 25 aufweist und damit als starkes Treibhausgas gilt. Ein deutlich verbessertes mechanistisches und modellbasiertes Verständnis dieser am Katalysator ablaufenden Prozesse ist deshalb insbesondere im Hinblick auf die zu erzielende System-Optimierung und Verbesserung, als auch zur Unterstützung des Entwicklungprozesses solcher katalytischen Systeme von großer Relevanz. Das Pd-Katalysator-System zeigt dabei ein äußertst komplexes Verhalten, das sowohl von der Zusammensetzung der Gasphase, der Temperatur als auch von der Vorbehandlung des Katalysators beeinflusst wird. Die Reaktionskinetik der oxidierten Pd-Phase (PdO) unterscheidet sich dabei grundlegend von der reduzierten Pd-Phase. Zusätzliche Änderungen der Pd-Partikelstruktur können während einer Phasenumwandlung ebenso auftreten. Eine damit einhergehende Veränderung spiegelt sich im Reaktionsverhalten wider. Wasser, das sich bei der Verbrennung im Erdgasmotor bildet und folglich als Nebenprodukt über den Abgasstrang in den Katalysator gelangt, wirkt sich negativ auf den Methanumsatz aus. Im Abgas auftretende Reduktionsmittel, CO und H2, sind in der Lage, die katalytisch sehr aktive PdO-Phase chemisch zu reduzieren und so die Aktivität zu mindern. Eine zusätzliche Herausforderung zur Aufrechterhaltung einer stabilen Katalysatoraktivität stellt die in Verbindung mit hohen Temperaturen eintretende thermische Reduktion der PdO-Phase dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei detaillierte Reaktions Mechanismen entwickelt. Der Mechanismus für die Pd-Phase umfaßt dabei folgende Merkmale: • Beinhaltet folgende Gasphasen Spezies: CH4/O2/CO/CO2/H2/H2O • Berücksichtigt Total-/Partialoxidation von Methan, Wasserdampf Reformierung und Wasser-Gas-Shift Reaktionen • Energetische Berechnungen mit semi-empirischer UBI-QEP-Methode • Eine aktive Pd-Oberflächenspezies; Mean Field Näherung • Verschiedene Methan Aktivierungspfade in Abhängigkeit der Sauerstoff Oberflächenbedeckung • Voraussage ortsaufgelöster Konzentrationsprofile Die Besonderheiten des PdO-Mechanismus zeichnen sich durch folgenden Punkte aus: • Beinhaltet folgende Gasphasen Spezies: CH4/O2/CO2/H2O • Format-Oberflächenspezies; bestätigt durch in-situ DRIFTS • Berücksichtigt Total-Oxidation von Methan • Energetische Parameter basieren auf DFT–Rechnungen • Modellentwicklung als Mean Field Erweiterung für zwei koordinativ ungesättigte (cus) Pd- und O-Adsorptionszentren • Reaktionspfade gemäß Mars-van-Krevelen Mechanismus • Vorhersage des Wasser-Inhibierungseffektes • Voraussage von Light-off Verläufen Beide Mechanismen wurden mittels eines Oxidationsgrad abhängigen Ansatzes verknüpft, um so den Effekt der temperaturabhängigen Phasenumwandlung auf die Kinetik zu berücksichtigen. Eine zusätzliche Validierung des Oxidationsgrad abhängigen Ansatzes in Kombination mit den Mechanismen erfolgte dabei anhand von zyklischen Light-off und Light-out Experimenten