Control of systems modeled by hyperbolic partial diferential equations

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017.Sistemas com parâmetros distribuídos representam uma vasta gama de processos da engenharia. Neste caso, as variáveis do sistema irão conter termos dependentes do tempo assim como gradientes espaciais e, portanto, é natural representa-los por equações diferenciais parciais. Exemplos podem ser encontrados em diversas áreas: desde processos químicos e térmicos, sistemas de produção e distribuição de energia, e problemas relacionados ao transporte de fluidos e ciência médica. Esta tese trata dois tipos de problemas: estabilização de equações diferenciais parciais lineares hiperbólicas com variável de controle na condição de contorno e controle regulatório de sistemas descritos por equações diferenciais parciais quasi-lineares hiperbólicas com variável de controle no domínio. Com relação ao primeiro, estudaram-se duas metodologias de controle: (i) uma lei de controle estática que garante convergência do sistema para o ponto de equilíbrio desejado. A metodologia de controle utiliza uma função de Lyapunov para encontrar os valores dos parâmetros do controlador que garantem estabilidade exponencial em malha fechada. Resultados de simulação para o problema de supressão de golfadas em sistemas de produção de petróleo são apresentados para ilustrar a eficiência do método; (ii) uma lei de controle baseada nas ferramentas clássicas do domínio da frequência. Neste caso, aplicamos a transformada de Laplace na equação diferencial parcial para obter uma função de transferência irracional e então, ferramentas clássicas do domínio da frequência são usadas para projetar o controlador, de maneira similar aos sistemas de dimensão finita com função de transferência racional. Estes resultados foram aplicados experimentalmente no problema de controle de oscilações termoacústicas do tubo de Rijke, mostrando a efetividade do método. Para o segundo problema, utiliza-se o método das características combinado com a técnica de controle por modos deslizantes. O método das características é usado para transformar o sistema de equações diferenciais parciais em um conjunto de equações diferenciais ordinárias que descrevem o sistema original. O projeto de controle é então realizado a partir deste conjunto de equações diferenciais ordinárias através de resultados bem conhecidos da teoria de equações diferenciais ordinárias. Os resultados obtidos foram testados experimentalmente em dois sistemas de escala industrial: uma planta solar e um fotobiorreator tubular.Abstract : Distributed parameter systems represent a wide range of engineeringprocesses. In this case, the system variables will contain temporally dependentterms as well spatial gradients and, therefore, it is natural to representthem by partial dierential equations. Examples can be found in manyelds: chemical and thermal processes, production and distribution energysystems, and problems related to uid transport and medical science.This thesis deals with two dierent problems: stabilization of linear hyperbolicpartial dierential equations with boundary control and regulatorycontrol of systems described by quasilinear hyperbolic partial dierentialequations with in domain control. Concerning the boundary control problem,we studied two control methodologies: (i) a static control law thatguarantees convergence of the system to the desired equilibrium point. Thiscontrol methodology uses a Lyapunov function to nd the values of thecontrol parameters that guarantee closed-loop exponential stability. Simulationresults for the slugging control problem in oil production facilities arepresented to illustrate the eciency of the methodology; (ii) a control lawbased on the frequency domain tools. In this case, we applied the Laplacetransform on the partial dierential equation to obtain an irrational transferfunction and then classical frequency domain tools are used to designthe control law. These results were applied experimentally to the controlproblem of thermoacoustic oscillations in the Rijke tube, showing the effectivenessof the method. Regarding the regulatory control problem, weuse the method of characteristics together with the sliding mode controlmethodology. The method of characteristics is used to transform the partialdierential equations into a system of ordinary dierential equations thatdescribes the original system without any kind of approximation. Then,the control design is performed on the ordinary dierential equations withwell-known results of the theory of lumped parameter systems. The resultswere validated experimentally in two industrial scale systems: a solar powerplant and a tubular photobioreactor

Search for dark matter produced in association with bottom or top quarks in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

A search for weakly interacting massive particle dark matter produced in association with bottom or top quarks is presented. Final states containing third-generation quarks and miss- ing transverse momentum are considered. The analysis uses 36.1 fb−1 of proton–proton collision data recorded by the ATLAS experiment at √s = 13 TeV in 2015 and 2016. No significant excess of events above the estimated backgrounds is observed. The results are in- terpreted in the framework of simplified models of spin-0 dark-matter mediators. For colour- neutral spin-0 mediators produced in association with top quarks and decaying into a pair of dark-matter particles, mediator masses below 50 GeV are excluded assuming a dark-matter candidate mass of 1 GeV and unitary couplings. For scalar and pseudoscalar mediators produced in association with bottom quarks, the search sets limits on the production cross- section of 300 times the predicted rate for mediators with masses between 10 and 50 GeV and assuming a dark-matter mass of 1 GeV and unitary coupling. Constraints on colour- charged scalar simplified models are also presented. Assuming a dark-matter particle mass of 35 GeV, mediator particles with mass below 1.1 TeV are excluded for couplings yielding a dark-matter relic density consistent with measurements