PetIGA: A framework for high-performance isogeometric analysis

We present PetIGA, a code framework to approximate the solution of partial differential equations using isogeometric analysis. PetIGA can be used to assemble matrices and vectors which come from a Galerkin weak form, discretized with Non-Uniform Rational B-spline basis functions. We base our framework on PETSc, a high-performance library for the scalable solution of partial differential equations, which simplifies the development of large-scale scientific codes, provides a rich environment for prototyping, and separates parallelism from algorithm choice. We describe the implementation of PetIGA, and exemplify its use by solving a model nonlinear problem. To illustrate the robustness and flexibility of PetIGA, we solve some challenging nonlinear partial differential equations that include problems in both solid and fluid mechanics. We show strong scaling results on up to 4096 cores, which confirm the suitability of PetIGA for large scale simulations

Analysis of Embedded Controllers Subject to Computational Overruns

Microcontrollers have become an integral part of modern everyday embedded systems, such as smart bikes, cars, and drones. Typically, microcontrollers operate under real-time constraints, which require the timely execution of programs on the resource-constrained hardware. As embedded systems are becoming increasingly more complex, microcontrollers run the risk of violating their timing constraints, i.e., overrunning the program deadlines. Breaking these constraints can cause severe damage to both the embedded system and the humans interacting with the device. Therefore, it is crucial to analyse embedded systems properly to ensure that they do not pose any significant danger if the microcontroller overruns a few deadlines.However, there are very few tools available for assessing the safety and performance of embedded control systems when considering the implementation of the microcontroller. This thesis aims to fill this gap in the literature by presenting five papers on the analysis of embedded controllers subject to computational overruns. Details about the real-time operating system's implementation are included into the analysis, such as what happens to the controller's internal state representation when the timing constraints are violated. The contribution includes theoretical and computational tools for analysing the embedded system's stability, performance, and real-time properties.The embedded controller is analysed under three different types of timing violations: blackout events (when no control computation is completed during long periods), weakly-hard constraints (when the number of deadline overruns is constrained over a window), and stochastic overruns (when violations of timing constraints are governed by a probabilistic process). These scenarios are combined with different implementation policies to reduce the gap between the analysis and its practical applicability. The analyses are further validated with a comprehensive experimental campaign performed on both a set of physical processes and multiple simulations.In conclusion, the findings of this thesis reveal that the effect deadline overruns have on the embedded system heavily depends the implementation details and the system's dynamics. Additionally, the stability analysis of embedded controllers subject to deadline overruns is typically conservative, implying that additional insights can be gained by also analysing the system's performance

Simultaneous Iterative Learning and Feedback Control Design

Iterative learning controllers aim to produce high precision tracking in operations where the same tracking maneuver is repeated over and over again. Model-based iterative learning control laws are designed from the system Markov parameters which could be inaccurate. Chapter 2 examines several important learning control laws and develops an understanding of how and when inaccuracy in knowledge of the Markov parameters results in instability of the learning process. While an iterative learning controller can compensate for unknown repeating errors and disturbances, it is not suited to handle non-repeating, stochastic errors and disturbances, which can be more effectively handled by a feedback controller. Chapter 3 explores feedback and iterative learning combination controllers, showing how a one-time step behind disturbance estimator and one-repetition behind disturbance estimator can be incorporated together in such a combination. Since learning control applications are finite-time by their very nature, frequency response based design techniques are not best suited for designing the feedback controller in this context. A finite-time feedback controller design approach is more appropriate given the overall aim of zero tracking error for the entire trajectory, even for shorter trajectories where the system response is still in its transient phase and has not yet reached steady state. Chapter 4 presents a combination of finite-time feedback and learning control as a natural solution for such a control objective, showing how a finite-time feedback controller and an iterative learning controller can be simultaneously synthesized during the learning process. Finally, Chapter 5 examines different configurations where a combination of a feedback controller and an iterative learning controller can be implemented. Numerical results are used to illustrate the feedback and iterative controller designs developed in this thesis

Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

A compressed sensing approach to block-iterative equalization: connections and applications to radar imaging reconstruction

The widespread of underdetermined systems has brought forth a variety of new algorithmic solutions, which capitalize on the Compressed Sensing (CS) of sparse data. While well known greedy or iterative threshold type of CS recursions take the form of an adaptive filter followed by a proximal operator, this is no different in spirit from the role of block iterative decision-feedback equalizers (BI-DFE), where structure is roughly exploited by the signal constellation slicer. By taking advantage of the intrinsic sparsity of signal modulations in a communications scenario, the concept of interblock interference (IBI) can be approached more cunningly in light of CS concepts, whereby the optimal feedback of detected symbols is devised adaptively. The new DFE takes the form of a more efficient re-estimation scheme, proposed under recursive-least-squares based adaptations. Whenever suitable, these recursions are derived under a reduced-complexity, widely-linear formulation, which further reduces the minimum-mean-square-error (MMSE) in comparison with traditional strictly-linear approaches. Besides maximizing system throughput, the new algorithms exhibit significantly higher performance when compared to existing methods. Our reasoning will also show that a properly formulated BI-DFE turns out to be a powerful CS algorithm itself. A new algorithm, referred to as CS-Block DFE (CS-BDFE) exhibits improved convergence and detection when compared to first order methods, thus outperforming the state-of-the-art Complex Approximate Message Passing (CAMP) recursions. The merits of the new recursions are illustrated under a novel 3D MIMO Radar formulation, where the CAMP algorithm is shown to fail with respect to important performance measures.A proliferação de sistemas sub-determinados trouxe a tona uma gama de novas soluções algorítmicas, baseadas no sensoriamento compressivo (CS) de dados esparsos. As recursões do tipo greedy e de limitação iterativa para CS se apresentam comumente como um filtro adaptativo seguido de um operador proximal, não muito diferente dos equalizadores de realimentação de decisão iterativos em blocos (BI-DFE), em que um decisor explora a estrutura do sinal de constelação. A partir da esparsidade intrínseca presente na modulação de sinais no contexto de comunicações, a interferência entre blocos (IBI) pode ser abordada utilizando-se o conceito de CS, onde a realimentação ótima de símbolos detectados é realizada de forma adaptativa. O novo DFE se apresenta como um esquema mais eficiente de reestimação, baseado na atualização por mínimos quadrados recursivos (RLS). Sempre que possível estas recursões são propostas via formulação linear no sentido amplo, o que reduz ainda mais o erro médio quadrático mínimo (MMSE) em comparação com abordagens tradicionais. Além de maximizar a taxa de transferência de informação, o novo algoritmo exibe um desempenho significativamente superior quando comparado aos métodos existentes. Também mostraremos que um equalizador BI-DFE formulado adequadamente se torna um poderoso algoritmo de CS. O novo algoritmo CS-BDFE apresenta convergência e detecção aprimoradas, quando comparado a métodos de primeira ordem, superando as recursões de Passagem de Mensagem Aproximada para Complexos (CAMP). Os méritos das novas recursões são ilustrados através de um modelo tridimensional para radares MIMO recentemente proposto, onde o algoritmo CAMP falha em aspectos importantes de medidas de desempenho

THE TOOLS AND MONTE CARLO WORKING GROUP Summary Report from the Les Houches 2009 Workshop on TeV Colliders

This is the summary and introduction to the proceedings contributions for the Les Houches 2009 "Tools and Monte Carlo" working group.Comment: 144 Pages. Workshop site http://wwwlapp.in2p3.fr/conferences/LesHouches/Houches2009/ . Conveners were Butterworth, Maltoni, Moortgat, Richardson, Schumann and Skand

Multi-resolution time-domain modelling technique and its applications in electromagnetic band gap enhanced antennas

PhDNewly emerged Electromagnetic Band Gap (EBG) structures possess multiple frequency bands that prohibit wave propagation and such stop bands are basically determined by the periodicity of the structure. Such desirable features make EBG hybrid antenna an interesting topic. Traditional full-wave techniques lack the efficiency to fully cope with the complexity of these hybrid structures, since the periodical elements are often much smaller in size than the accompanying antenna components. The Haar wavelet based Multi-Resolution Time Domain (MRTD) technique provides improved numerical resolution over the conventional Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method, as well as simplicity in formulation. One-dimensional, two-dimensional and three-dimensional level-one codes are developed to assist the numerical modelling of the hybrid EBG antennas. An explicit form of Perfectly Matched Layer (PML) configuration is proposed, proved and presented. As a generic approach, its extensions suit every single level of Haar wavelet functions. A source expansion scheme is proposed thereafter. The concept of a multi-band multi-layer EBG hybrid antenna is presented. The theoretical prediction of antenna resonances is achieved through an effective medium model. It has been verified via numerical simulations and measurements. The 3D MRTD code is later applied to simulate such a structure. In addition, EBG enhanced circularly polarized photonic patch antennas have been studied. It is demonstrated that split-resonant rings (SRRs) and the like in EBG antennas can lead to antenna gain enhancement, backward radiation reduction and harmonic suppression. Furthermore, a circularly polarized two-by-two antenna array with spiral EBG elements is presented. The spiral element with ground via is more compact in size than the traditional mushroom structure, which is proven very efficient in blocking unwanted surface wave. Hence it reduces the mutual coupling of the array antenna significantly

Network Partitioning in Distributed Agent-Based Models

Agent-Based Models (ABMs) are an emerging simulation paradigm for modeling complex systems, comprised of autonomous, possibly heterogeneous, interacting agents. The utility of ABMs lies in their ability to represent such complex systems as self-organizing networks of agents. Modeling and understanding the behavior of complex systems usually occurs at large and representative scales, and often obtaining and visualizing of simulation results in real-time is critical. The real-time requirement necessitates the use of in-memory computing, as it is difficult and challenging to handle the latency and unpredictability of disk accesses. Combining this observation with the scale requirement emphasizes the need to use parallel and distributed computing platforms, such as MPI-enabled CPU clusters. Consequently, the agent population must be partitioned across different CPUs in a cluster. Further, the typically high volume of interactions among agents can quickly become a significant bottleneck for real-time or large-scale simulations. The problem is exacerbated if the underlying ABM network is dynamic and the inter-process communication evolves over the course of the simulation. Therefore, it is critical to develop topology-aware partitioning mechanisms to support such large simulations. In this dissertation, we demonstrate that distributed agent-based model simulations benefit from the use of graph partitioning algorithms that involve a local, neighborhood-based perspective. Such methods do not rely on global accesses to the network and thus are more scalable. In addition, we propose two partitioning schemes that consider the bottom-up individual-centric nature of agent-based modeling. The First technique utilizes label-propagation community detection to partition the dynamic agent network of an ABM. We propose a latency-hiding, seamless integration of community detection in the dynamics of a distributed ABM. To achieve this integration, we exploit the similarity in the process flow patterns of a label-propagation community-detection algorithm and self-organizing ABMs. In the second partitioning scheme, we apply a combination of the Guided Local Search (GLS) and Fast Local Search (FLS) metaheuristics in the context of graph partitioning. The main driving principle of GLS is the dynamic modi?cation of the objective function to escape local optima. The algorithm augments the objective of a local search, thereby transforming the landscape structure and escaping a local optimum. FLS is a local search heuristic algorithm that is aimed at reducing the search space of the main search algorithm. It breaks down the space into sub-neighborhoods such that inactive sub-neighborhoods are removed from the search process. The combination of GLS and FLS allowed us to design a graph partitioning algorithm that is both scalable and sensitive to the inherent modularity of real-world networks