Study of Chaos in the buck Converter

A dc-dc buck converter controlled by naturallysampled, constant-frequency pulsewidth modulation in continuous conduction mode gives rise to a great variety of behavior, depending on the values of the parameters of the circuit. We analyze the one-periodic and two-periodic orbits which cross the voltage ramp once per cycle, and we study their stability by computing the characteristic multipliers associated with each one. Subharmonics, bifurcations, and the presence of a strange attractor are also studied. A plot of the number of crossings in the ramp is drawn. This becomes a helpful tool for investigating the evolution of the trajectories when they are close to the attractor. When analytic computations are impossible, we resort to numerical algorithms to simulate the orbits.Peer Reviewe

Stability analysis of the extended state observers by Popov criterion

AbstractThe analysis and design of the extended state observer (ESO) involves a continuous non-smooth structure, thus the study of the ESO dynamic requires mathematical tools of the nonlinear systems analysis. This paper establishes the sufficient conditions for absolute stability of the ESO. Based on this study, a methodology to estimate several nonlinear functions in dynamics systems is proposed

Técnica ZAD aplicada a un convertidor "buck": análisis de estabilidad y de transición al caos

En este trabajo se presentan algunos resultados obtenidos al analizar el convertidor buck controlado mediante un modulador de anchura de pulsos (PWM) centrado. El ciclo de trabajo se calcula obligando a que una salida, definida como una ecuación diferencial de primer orden en el error de tensión, tenga promedio cero en cada ciclo. Los resultados obtenidos han mostrado que la técnica garantiza frecuencia de conmutación fija y una variedad de fenómenos no lineales como bifurcaciones y caos, en la medida en que el parámetro asociado a la dinámica de primer orden, varía. Estos fenómenos han sido estudiados en el presente trabajo de forma analítica y numérica. Finalmente a nivel de simulación se ha hecho uso de la técnica Time Delay Auto Synchronization para controlar el sistema.Peer Reviewe

Structural stability of the two-fold singularity

At a two-fold singularity, the velocity vector of a flow switches discontinuously across a codimension one switching manifold, between two directions that both lie tangent to the manifold. Particularly intricate dynamics arises when the local flow curves toward the switching manifold from both sides, a case referred to as the Teixeira singularity. The flow locally performs two different actions: it winds around the singularity by crossing repeatedly through, and passes through the singularity by sliding along, the switching manifold. The case when the number of rotations around the singularity is infinite has been analyzed in detail. Here we study the case when the flow makes a finite, but previously unknown, number of rotations around the singularity between incidents of sliding. We show that the solution is remarkably simple: the maximum and minimum numbers of rotations made anywhere in the flow differ only by one and increase incrementally with a single parameter -the angular jump in the flow direction across the switching manifold at the singularity

Aproximación analítica de consumo de combustible y comportamiento periódico para un vehículo que viaja a través de una serie de semáforos

In this paper, we present a piecewise smooth system, that describes the dynamics of a single vehicle moving through a street that has a sequence of lights that turn on and off with a specific frequency. The model presents three dynamic ways: accelerated, decelerated and zero state. Besides, we show the description of the mathematical model used to simulate the system. The simulation was developed under an event-based scheme and implemented in Matlab. To make the numerical analysis, we take as a parameter study the cycle traffic light, which provides benefits to vehicular traffic system due to its configuration is achieved implementing optimization strategies for the phenomenon of green wave and reduces the travel time as the vehicle minimizes the number of stops along the road. Also, the stability was studied for the periodic orbits one and two. Finally, we made an approximation of fuel consumption. We assume that this is proportional to the mechanical energy produced by the motor. From this point of view, it can be concluded that it is possible to apply modeling and simulation strategies based on dynamic systems to understand the complex behaviors associated with the travel of vehicles in a traffic controlled by traffic lights.En el siguiente artículo, se presenta un sistema suave por tramos que describe la dinámica de un vehículo que se mueve a través de una calle con semáforos que se encienden y apagan con una frecuencia específica. El modelo presenta tres comportamientos dinámicos: acelerado, desacelerado y detenido. Además, se muestra la descripción del modelo matemático utilizado para simular el sistema. La simulación se desarrolló bajo un esquema basado en eventos y se implementó en Matlab. Para realizar el análisis numérico, se toma como parámetro el ciclo de los semáforos, que mejora el sistema de tráfico vehicular debido a que con su configuración se logran implementar estrategias de optimización permitiendo que los vehículos se desplacen en ola verde y reduzcan el tiempo de viaje, minimizando así, el número de paradas a lo largo del camino y reduciendo el consumo de combustible debido a las paradas y aceleradas. Además, se estudió la estabilidad de las órbitas periódicas uno y dos que presenta el modelo de simulación, así como sus implicaciones dinámicas. Finalmente, se presenta una propuesta para calcular el consumo de combustible, asumiendo que es proporcional a la energía mecánica producida por el motor, resulta en una propuesta novedosa que permite a las secretarias de movilidad comprender los comportamientos de los vehículos en vías principales de las ciudades. Desde este punto de vista, se puede concluir que es posible aplicar estrategias de modelado y simulación basadas en sistemas dinámicos para comprender los comportamientos complejos asociados al desplazamiento de los vehículos en una via controlada por semáforos

Aplicación de la teoría de redes para el modelado de una red de drenaje de una cuenca: caso de estudio departamento del Quindío Colombia

Background: The hydrographic network of the basins of the department of Quindio, located in Colombia, South America, suffers from pollution due to industries such as tanneries, mining, food processing, among others. Goals: Represent a hydrographic network of a basin employing a graph and study its most representative measures of centrality; as a case study, we considered the hydrologic network of the basins of the department of Quindío. Methods: The theory of networks and the analysis of centrality measures such as degree distribution, PageRank, and eccentricity; also, topological measures such as density and assortativity.  Results: The study provided a different approach to research on the properties of river networks. The grade distribution shows a network with input grades of one, two, and three, while the output grade is only one or zero, consistent with a typical mountain basin. Measurements such as density and assortativity showed a low-density network with no defined connection patterns. The centrality of PageRank and eccentricity highlighted the leading causes and the most important rivers according to the way the hydrographic network is connected. Conclusions: The study concluded that by using network theory, we obtained a global vision of the network, understanding its structure and allowing us to visualize which areas of the network are vulnerable. PageRank’s centrality allowed us to identify well-monitored nodes in the network and those that need care; this same distribution highlighted zones in the network that are more prone to contamination. Finally, the eccentricity determined the center of the network (sector of “La María”) as one of the network’s most vulnerable areas. Antecedentes: La red hidrográfica de las cuencas del departamento del Quindío, ubicado en Colombia,  Sudamérica, experimenta contaminación debido a industrias como las curtiembres, la minería,  procesadoras de alimentos, entre otras. Objetivo:  Representar una red hidrográfica de una cuenca mediante un grafo y estudiar sus medidas de centralidad más representativas; como caso de estudio, se tomó la red hidrológica de las cuencas del departamento del Quindío. Métodos: La teoría de redes  y el análisis de las medidas de centralidad como la distribución de grado, el PageRank y la excentricidad; además, algunas medidas topológicas como la densidad y la asortatividad. Resultados: El estudio proporcionó un enfoque diferente en las investigaciones sobre las propiedades de redes fluviales. La distribución de grado muestra una red con grados de entrada de  uno, dos y tres, mientras que el grado de salida sólo es de uno o cero, lo cual concuerda con una cuenca típica de montaña. Medidas como la densidad y la asortatividad  mostraron una red poco densa y sin patrones definidos de conexión. La centralidad de PageRank y de excentricidad resaltaron los causes principales y los ríos más importantes según la forma como está conectada la red hidrográfica. Conclusiones: El estudio permitió concluir que al utilizar la teoría de redes, se obtiene una visión global de la red, entendiendo su estructura y permitiendo visualizar qué zonas de la red son más vulnerables. La centralidad de PageRank determinó que partes de la red están bien monitoreadas por las entidades encargadas de su cuidado, pero permitió ver otras zonas necesitan puntos de monitoreo; esta misma distribución destacó zonas en la red que son más propensas a la contaminación.  Además, la  excentricidad determinó el centro de la red   (sector de “la María”) como una de las  zonas más vulnerables de la red

Bounding the output error in a buck power converter using perturbation theory

We show the main results obtained when applying the average theory to Zero Average Dynamic control technique in a buck power converter with pulse-width modulation (PWM). In particular, we have obtained the bound values for output error and sliding surface. The PWM with centered and lateral pulse configurations were analyzed. The analytical results have confirmed the numerical and experimental results already obtained in previous publications. Moreover, through an important lemma, we have generalized the theory for any stable second-order system with relative degree 2, using properties related to transformations and stability of linear systems.Peer Reviewe

Dinámica de un sistema lineal en R2 conmutado por histéresis

This paper examines the local and global behavior of a two-variable piece-wise smooth dynamic system by studying the flow of two non- homogeneous linear dynamic systems that switch on the boundaries of a hysteresis band. Both equilibrium solutions and parametric domains that guarantee the existence of periodic orbits within the band, were determined analytically. While, phase portraits and basins of attraction of the system for different values of the parameters were performed through numerical simulations. Results show the coexistence of multiple stationary states of different types when different parameter values are used.En este artículo se analiza el comportamiento local y global de un sistema dinámico suave a trozos en dos variables, estudiando el flujo de dos sistemas dinámicos lineales no homogéneos que conmutan con las fronteras de una banda de histéresis. Analíticamente se determinan las soluciones de equilibrio y los dominios paramétricos que garantizan la existencia de órbitas periódicas entre la banda. Se realizan simulaciones numéricas para obtener los retratos de fases y los dominios de atracción con diferentes valores de los parámetros. Los resultados muestran la coexistencia de múltiples estados estacionarios de diferente tipo para determinados valores de los parámetros