Impact of random and targeted disruptions on information diffusion during outbreaks

Outbreaks are complex multi-scale processes that are impacted not only by cellular dynamics and the ability of pathogens to effectively reproduce and spread, but also by population-level dynamics and the effectiveness of mitigation measures. A timely exchange of information related to the spread of novel pathogens, stay-at-home orders, and other containment measures can be effective at containing an infectious disease, particularly during in the early stages when testing infrastructure, vaccines, and other medical interventions may not be available at scale. Using a multiplex epidemic model that consists of an information layer (modeling information exchange between individuals) and a spatially embedded epidemic layer (representing a human contact network), we study how random and targeted disruptions in the information layer (\eg, errors and intentional attacks on communication infrastructure) impact outbreak dynamics. We calibrate our model to the early outbreak stages of the SARS-CoV-2 pandemic in 2020. Mitigation campaign can still be effective under random disruptions, such as failure of information channels between a few individuals. However, targeted disruptions or sabotage of hub nodes that exchange information with a large number of individuals can abruptly change outbreak characteristics such as the time to reach the peak infection. Our results emphasize the importance of using a robust communication infrastructure that can withstand both random and targeted disruptions.Comment: 10 pages, 6 figure

Real Time Hybrid Model Predictive Control for the Current Profile of the Tokamak a Configuration Variable (TCV)

Plasma stability is one of the obstacles in the path to the successful operation of fusion devices. Numerical control-oriented codes as it is the case of the widely accepted RZIp may be used within Tokamak simulations. The novelty of this article relies in the hierarchical development of a dynamic control loop. It is based on a current profile Model Predictive Control (MPC) algorithm within a multiloop structure, where a MPC is developed at each step so as to improve the Proportional Integral Derivative (PID) global scheme. The inner control loop is composed of a PID-based controller that acts over the Multiple Input Multiple Output (MIMO) system resulting from the RZIp plasma model of the Tokamak a Configuration Variable (TCV). The coefficients of this PID controller are initially tuned using an eigenmode reduction over the passive structure model. The control action corresponding to the state of interest is then optimized in the outer MPC loop. For the sake of comparison, both the traditionally used PID global controller as well as the multiloop enhanced MPC are applied to the same TCV shot. The results show that the proposed control algorithm presents a superior performance over the conventional PID algorithm in terms of convergence. Furthermore, this enhanced MPC algorithm contributes to extend the discharge length and to overcome the limited power availability restrictions that hinder the performance of advanced tokamaks

Power Management for Energy Systems

The thesis deals with control methods for flexible and efficient power consumption in commercial refrigeration systems that possess thermal storage capabilities, and for facilitation of more environmental sustainable power production technologies such as wind power. We apply economic model predictive control as the overriding control strategy and present novel studies on suitable modeling and problem formulations for the industrial applications, means to handle uncertainty in the control problems, and dedicated optimization routines to solve the problems involved. Along the way, we present careful numerical simulations with simple case studies as well as validated models in realistic scenarios. The thesis consists of a summary report and a collection of 13 research papers written during the period Marts 2010 to February 2013. Four are published in international peer-reviewed scientific journals and 9 are published at international peer-reviewed scientific conferences

Participation of distributed loads in power markets that co-optimize energy and reserves

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversityAs the integration of Renewable Generation into today's Power Systems is progressing rapidly, capacity reserve requirements needed to compensate for the intermittency of renewable generation is increasing equally rapidly. A major objective of this thesis is to promote the affordability of incremental reserves by enabling loads to provide them through demand response. Regulation Service (RS) reserves, a critical type of bi-directional Capacity Reserves, are provided today by expensive and environmentally unfriendly centralized fossil fuel generators. In contrast, we investigate the provision of low-cost RS reserves by the demand-side. This is a challenging undertaking since loads must first promise reserves in the Hour Ahead Markets, and then be capable of responding to the dynamic ISO signals by adjusting their consumption effectively and efficiently. To this end, we use Stochastic Control, Optimization Theory, and Approximate Dynamic Programming to develop a decision support framework that assists Smart Neighborhood Operators or Smart Building Operators (SNOs/SBOs) to become demand-side-providers of RS reserve. We first address the SNO/SBO short time scale operational task of responding to the Independent System Operator's (ISO) dynamic RS requests. We start by developing a model-based Markovian decision problem that trades off ISO RS tracking against demand response related utility loss. Starting with a model based approach we obtain near optimal operational policies through a novel approximate policy iteration technique and an actor critic approach which is robust to partial knowledge of the underlying system dynamics. We then abandon the model based terrain and solve the dynamic operational problem through reinforcement learning that is capable of modeling a population of duty cycle appliances with realistic thermodynamics. We finally propose a smart thermostat design and develop an adaptive control policy that can drive the smart thermostat effectively. The latter approach is particularly suited for systems whose dynamics and dynamically changing consumer preferences are not known or observed beyond the total power consumption. We then address the SNO/SBO task of bidding RS reserves to the hour ahead market. This task determines the maximal RS reserves that the SNO/SBO can promise based on information available at the beginning of an hour, so as to maximize the associated hour-ahead revenues minus the expected average operating cost that will be incurred during the operational task to follow. To accomplish this task, we (i) develop probabilistic constraints that model the feasible maximum reserves which can be offered to the market without exceeding the SNO/SBO's ability to later track the unanticipated dynamic ISO RS signal, and (ii) calibrate a describing function that approximates the average operational cost as a function of the maximal reserves that can be feasibly offered in the day ahead market. The above is made possible by statistical analysis of the controlled system's stochastic dynamics and properties of the optimal dynamic policies that we derive. The contribution of the thesis is twofold: The solution of a difficult stochastic control problem that is crucial for effective demand-response-based provision of regulation service, and, the characterization of key properties of the stochastic control problem solution, which allow its integration into the hour-ahead market bidding problem

Air Force Institute of Technology Research Report 2013

This report summarizes the research activities of the Air Force Institute of Technology’s Graduate School of Engineering and Management. It describes research interests and faculty expertise; lists student theses/dissertations; identifies research sponsors and contributions; and outlines the procedures for contacting the school. Included in the report are: faculty publications, conference presentations, consultations, and funded research projects. Research was conducted in the areas of Aeronautical and Astronautical Engineering, Electrical Engineering and Electro-Optics, Computer Engineering and Computer Science, Systems Engineering and Management, Operational Sciences, Mathematics, Statistics and Engineering Physics

Design of switching strategies with applications in photovoltaic energy generation

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014.Abstract : This work presents control strategies and stability analysis for switched systemswith a proposed application to photovoltaic energy generation systems.The conditions are based on Linear Matrix Inequalities (LMIs).Initially, a general description of the photovoltaic systems is presented coveringthe following aspects: the modeling of a photovoltaic array, some commonconnection topologies, the main objectives, techniques for maximizingthe generated power, among other informations. This content is necessary forthe control design method proposed in this work.Next, a design technique for the stabilization of affine switched systems isshown. The methodology used is based on the Lyapunov?s theory for stabilityof systems, describing sufficient conditions for the proposed switchingrule design in the form of LMIs and solving them using existing softwarepackages. In the sequel, the switching strategy is extended for a class ofnonlinear systems of great interest, especially for the control of photovoltaicsystems. This class is composed of systems containing sector-bounded nonlinearities.Furthermore, a method for stability analysis of switched systemsis proposed, extending the class of switched systems analyzed by the currentliterature. Numerical examples illustrate all the approaches developed.At the end, the application of the nonlinear control techniques to photovoltaicgeneration systems is presented. The main objectives considered are thetracking of the maximum power generation, with robustness to variations ofthe input parameters of the photovoltaic array, and the delivery of only activepower to the grid. Finally, simulation results demonstrate the applicabilityof the methodology for the control of this type of system, evidencing thecompliance of the stated objectives.Resumo expandido : Durante a última década, a tecnologia de sistemas fotovoltaicos tem mostrado potencial para se tornar uma das principais fontes de energia para o mundo, com crescimento contínuo e robusto, mesmo em tempos de crise econômica e financeira. Visando ampliar o aproveitamento da energia gerada e até mesmo reduzir os custos do sistema, o projeto de técnicas de controle eficientes apresenta grande importância para este tipo de sistema. Em sistemas fotovoltaicos o controle é realizado através de conversores de potência, que são sistemas chaveados. Por este motivo, o foco principal deste trabalho é a apresentação de estratégias de controle e análise de estabilidade para sistemas chaveados com uma proposta de aplicação para sistemas de geração de energia fotovoltaica. As condições de projeto e análise são todas baseadas em desigualdades matriciais lineares (LMIs). Inicialmente, uma descrição geral dos sistemas fotovoltaicos é apresentada, contendo a modelagem de um arranjo fotovoltaico, algumas topologias comuns de conexão, os principais objetivos, técnicas para a maximização da potência gerada, dentre outras informações necessárias para o projeto da técnica de controle proposta para este sistema. Na sequência é mostrada uma técnica de projeto de estratégias de chaveamento, cujo objetivo principal é garantir estabilidade e desempenho de sistemas comutados. A metodologia usada é baseada na teoria de estabilidade de Lyapunov, de modo a descrever condições suficientes para o projeto da lei de chaveamento em forma de LMIs e resolvê-las usando pacotes computacionais existentes. O método se aplica à classe de sistemas chaveados onde cada subsistema tem um campo vetorial afim e considera-se uma lei de chaveamento baseada no máximo entre funções auxiliares. A estabilidade do sistema em malha fechada é garantida mesmo se modos deslizantes ocorram em qualquer superfície de chaveamento resultante do projeto. Os resultados são apresentados para os casos de realimentação completa e realimentação parcial dos estados do sistema. Em seguida, uma das principais contribuições da tese, a proposta de uma extensão da lei de chaveamento para uma classe de sistemas chaveados não lineares é apresentada. O sistema pode conter não linearidades dependentes do estado limitadas em setor, como é o caso da não linearidade existente no modelo de painéis fotovoltaicos. As funções não lineares podem conter também parâmetros incertos, contanto que a função permaneça dentro dos limites do setor dado para toda a faixa de valores de interesse do parâmetro. Além disso, condições de projeto de leis de chaveamento independentes do equilíbrio são fornecidas e, portanto, neste caso a técnica se torna robusta a mudanças no ponto de operação desejado. Por fim, considerações sobre limitar a frequência de chaveamento são discutidas. A aplicação das técnicas descritas anteriormente para topologias comuns de conexão de sistemas fotovoltaicos é apresentada em seguida. Alguns dos desafios superados são a presença de referências variáveis, não linearidades limitadas em setor e medição parcial de estados no mesmo sistema. A aplicabilidade da metodologia para controlar o sistema fotovoltaico é ilustrada através de simulações baseadas em um exemplo numérico usando parâmetros de um sistema real. Como resultado requisitos importantes são satisfeitos, como o rastreamento do ponto de máxima potência e robustez com relação aos parâmetros incertos do painel fotovoltaico. Para a obtenção da robustez foram derivadas equações para determinar um setor que contem a não linearidade para quaisquer valores dos parâmetros. As dificuldades e perspectivas para o caso mais complexo (conexão com a rede elétrica) também são apresentadas. Motivado pela falta de técnicas de análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins contendo modos deslizantes na literatura atual, condições LMI suficientes para resolver este problema são propostas, resultando em outra importante contribuição da tese. As condições são baseadas em uma função de Lyapunov composta pela combinação convexa de funções quadráticas diferentes para cada região do sistema. As condições propostas incluem o importante caso onde o ponto de equilíbrio está localizado na fronteira entre subsistemas afim. Adicionalmente, condições suficientes para análise independentemente da parametrização das superfícies de chaveamento são derivadas, isto é, a superfície de chaveamento pode ser desconhecida neste caso. A nova técnica leva a uma metodologia unificada para a análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins e de sistemas chaveados afins com uma superfície de chaveamento previamente projetada. Esta tese é organizada em sete capítulos, quatro apêndices e referências. O Capítulo 1 tem o objetivo de contextualizar e motivar de forma breve o assunto da tese. O conhecimento básico sobre sistemas fotovoltaicos necessário para a aplicação proposta no documento é concentrado no Capítulo 2. O Capítulo 3 apresenta uma técnica de projeto de uma lei de chaveamento para o controle de sistemas chaveados com campos vetoriais afim. Esta técnica serve de base para as principais contribuições teóricas desta tese, apresentadas nos Capítulos 4, 5 e 6. No Capítulo 4, é apresentado o projeto de leis de chaveamento para sistemas chaveados contendo não linearidades limitadas em um setor, enquanto o Capítulo 5 apresenta a aplicação desta técnica para o controle de sistemas fotovoltaicos. No Capítulo 6, um método para análise de estabilidade de sistemas seccionalmente afins é introduzida. Exemplos numéricos são utilizados para ilustrar todas as contribuições da tese em seus respectivos capítulos. Algumas conclusões são discutidas no Capítulo 7, incluindo uma lista de sugestões para trabalhos futuros. Por fim, três apêndices demonstram o equacionamento de ferramentas de circuitos elétricos trifásicos utilizadas na tese e um apêndice apresenta resumos das publicações geradas pelo autor durante o período de doutorado