Journal of applied research and technology

Development of a Synchronous-Generator Experimental Bench for Standstill Time-Domain Tests

This paper presents the development of an experimental bench for performing time-domain tests on synchronous machines at standstill. The test bench allows the collection of experimental data which can then be used in the parameter estimation of mathematical models of synchronous motors and generators. The system development is based on the LabVIEW programming language. It effortlessly allows the calibration of voltage and current sensors, the d-q magnetic axis positioning of the synchronous generator, and the spectral analysis from the collected data. In addition, the testing environment includes non-sophisticated instrumentation elements and a power amplifier. This experimental bench has a friendly user interface which guides the user throughout a defined methodology to allow the achievement of the different time domain tests on synchronous machines. A 7kVA, 220V, 60Hz synchronous generator was used to show the functionality and usefulness of the test bench in research and teaching electrical machine theory.

Este artículo presenta el desarrollo una plataforma para implementar pruebas experimentales en el dominio del tiempo a generadores síncronos en estado de reposo. La plataforma de pruebas permite la obtención de datos experimentales que pueden ser utilizados posteriormente para la estimación de parámetros tanto de los modelos matemáticos de motores como de generadores síncronos. El desarrollo del sistema se basa en el lenguaje de programación LabVIEW, permitiendo de manera sencilla la calibración de los sensores de corriente y de voltaje, el posicionamiento de la máquina síncrona en sus ejes d-q, así como el análisis espectral de las señales adquiridas. Además, el sistema cuenta con elementos de instrumentación no sofisticados y un amplificador de potencia. La plataforma incluye una interfaz amigable que guía al usuario a través de una metodología definida del desarrollo de las diferentes pruebas en el dominio del tiempo en generadores síncronos. Para demostrar la funcionalidad y utilidad de la plataforma de pruebas en la enseñanza e investigación de máquinas eléctricas se empleó un generador síncrono de 7kVA, 220V y 60Hz.

Mixed Acceleration Techniques for Solving Quickly Stochastic Shortest-Path Markov Decision Processes

In this paper we propose the combination of accelerated variants of value iteration mixed with improved prioritized sweeping for the fast solution of stochastic shortest-path Markov decision processes. Value iteration is a classical algorithm for solving Markov decision processes, but this algorithm and its variants are quite slow for solving considerably large problems. In order to improve the solution time, acceleration techniques such as asynchronous updates, prioritization and prioritized sweeping have been explored in this paper. A topological reordering algorithm was also compared with static reordering. Experimental results obtained on finite state and action-space stochastic shortest-path problems show that our approach achieves a considerable reduction in the solution time with respect to the tested variants of value iteration. For instance, the experiments showed in one test a reduction of 5.7 times with respect to value iteration with asynchronous updates.

En este documento proponemos la combinación de variantes aceleradas del algoritmo de iteración de valor combinadas con el algoritmo de barrido priorizado mejorado para la rápida solución de los procesos de decisión de Markov de ruta estocástica más corta. Iteración de valor es un algoritmo clásico para resolver a los procesos de decisión de Markov, pero este algoritmo y sus variantes son lentos para resolver problemas considerablemente grandes. Con el objeto de mejorar el tiempo de solución de este algoritmo, en este documento se han explorado técnicas de aceleración tales como actualizaciones asíncronas, priorización y barrido priorizado. Un algoritmo de reordenamiento topológico también fue comparado con uno de reordenamiento estático. Los resultados experimentales obtenidos en un problema de ruta estocástica más corta con espacios de estados-acciones finitos; muestran que nuestro enfoque logra una considerable reducción en el tiempo de solución con respecto a las variantes de iteración de valor probadas. Por ejemplo, los experimentos mostraron en una prueba una reducción de 5.7 veces con respecto a iteración de valor usando actualizaciones asíncronas.

Plane-and Space-Filling Trees by Means of Chain Coding

An algorithm for constructing fractal trees is presented. Fractal trees are represented by means of the notation called the unique tree descriptor [E. Bribiesca, A method for representing 3D tree objects using chain coding, J. Vis. Commun. Image R. 19 (2008) 184-198]. In this manner, we only have a one-dimensional representation by each fractal tree via a chain of base-five digit strings suitably combined by means of parentheses. The unique tree-descriptor notation is invariant under rotation and translation. Furthermore, using this descriptor it is possible to obtain the mirror image of any fractal tree with ease. In this paper, we focus on fractal plane-filling trees and space-filling trees.

Se presenta un algoritmo para la construcción de árboles fractales. Un árbol fractal es representado por medio de la notación llamada descriptor único de árboles [E. Bribiesca, A method for representing 3D tree objects using chain coding, J. Vis. Commun. Image R. 19 (2008) 184-198]. De esta manera, se tiene solamente una representación unidimensional para cada árbol fractal por medio de una cadena de digitos de base cinco adecuadamente combinados por medio de paréntesis. La notación del descriptor único de árboles es invariante bajo rotación y traslación. Además, usando este descriptor es posible obtener la imagen especular de cualquier árbol fractal con facilidad. El contenido de este artículo se enfoca en el estudio de los árboles fractales que cubren el plano y el espacio.

Numerical and Experimental Analysis in the Manipulation of the Mechanical Properties for Enhancing the Mechanical Resistance of a Material

The evolution and development of mankind has been partly possible thanks to the transformation of diverse types of materials and the manipulation of their mechanical properties. This work is focused on numerical and experimental evaluations of the improvement of the mechanical resistance of one material (AISI 316L) through the application of strain hardening and a residual stress field induction. Additionally, the state of the stresses in the component is determined by the application of the Crack Compliance Method, a destructive method based on the Fracture Mechanics Theory. The relevance of the work lies on the implementation of a new methodology which can be used to improve the mechanical resistance of the component by altering the state of the mechanical properties of this material. This research also demonstrates that strain hardening and induction of a residual stress field must be performed carefully or it could result in a component susceptible to failure. In this respect, bending tests are proposed to provide tensile and compressive stress profiles and to corroborate previous history loading on the material.

La evolución y desarrollo de la humanidad, aunque parcialmente, ha sido posible gracias a la transformación de diversos materiales y la manipulación en sus propiedades mecánicas. El presente trabajo está dirigido a la evaluación numérica y experimental del mejoramiento de la resistencia mecánica en un material (AISI 316L) por medio de la aplicación de endurecimiento por deformación y la inducción de un campo de esfuerzos residuales. Adicionalmente, el estado de esfuerzos en el componente es determinado por la aplicación del Método de Respuesta de Grieta, el cual es un método destructivo y con base en la teoría de la Mecánica de la Fractura. La relevancia de este trabajo se enfoca en presentar una nueva metodología que puede ser usada para mejorar la resistencia mecánica de los componentes por medio de la alteración del estado de las propiedades mecánicas del material. El trabajo de investigación presentado en este artículo también muestra que si el endurecimiento por deformación y la inducción del campo de esfuerzos residuales no son realizados con cuidado, esto puede resultar en el deterioro del componente y hacerlo que esté susceptible a fallar. En el mismo sentido, la prueba de flexión es propuesta para obtener la caracterización de esfuerzos en tensión y en compresión del material y corroborar la posible historia previa en el mismo.

Dynamic Response of Femoral Cartilage in Knees With Unicompartmental Osteoarthritis

The objective of the present work was to determine the dynamic indentation response, stiffness and relaxation curves for the shear and the bulk modulus of femoral knee cartilage with no visual damage in cases under unicompartmental osteoarthritis. A cyclic displacement of 0.5 mm in axial direction was applied with a 3 mm plane-ended cylindrical indenter at specific points in the femoral knee cartilage specimens of seven patients with unicompartmental osteoarthritis (UOA). The indentation force over time was recorded and next the maximum stiffness in all cycles was obtained and compared. Also, the relaxation curves for the shear and the bulk modulus of cartilage were obtained in this work. A decrease in the maximum indentation force was observed comparing between indentation cycles; it was of 6.75 ± 0.71% from cycle 1 to cycle 2 and 4.70 ± 0.31% for cycle 2 to cycle 3. Stiffness values changed with a mean of 3.35 ± 0.39% from cycle 1 to cycle 2 and 1.40 ± 0.71% from cycle 2 to cycle 3. Moreover, relaxation curves for the shear modulus and the bulk modulus showed the nonlinear behavior of articular cartilage with UOA. Our results showed that cartilage specimens with no visual damage in UOA preserve a nonlinear viscoelastic behavior and its stiffness increases through the loading cycles. Our work provides experimental values for generating a more realistic cartilage behavior than those currently used in computer cartilage models for the study of UOA.

El objetivo de este trabajo fue determinar la respuesta dinámica de indentación, la rigidez y las curvas de relajación para módulo cortante y volumétrico de cartílago femoral de rodilla con daño no visual en casos con osteoartritis unicompartmental. Se aplicó un desplazamiento cíclico de 0.5 mm en dirección axial con un indentador cilíndrico plano de 3 mm en puntos específicos de los especímenes de cartílago femoral de rodilla de siete pacientes con osteoartritis unicompartimental (OAU). La fuerza de indentación a través del tiempo fue registrada, obteniéndose y comparándose la máxima rigidez en todos los ciclos. Además, en este trabajo se obtuvieron las curvas de relajación para el módulo cortante y volumétrico de cartílago. Se observó una disminución en la fuerza de indentación máxima comparando entre los ciclos de indentación; ésta fue 6.75 ± 0.71% del ciclo 1 al 2, y 4.70 ± 0.31% del ciclo 2 al 3. Los valores de rigidez cambiaron 3.35 ± 0.39% entre el ciclo 1 y 2, y 1.40 ± 0.71% entre el ciclo 2 y 3. Además, las curvas de relajación para el módulo cortante y volumétrico mostraron el comportamiento no lineal del cartílago articular con OAU. Los resultados mostraron que los especímenes de cartílago con daño no visual en OAU preservan un comportamiento viscoelástico no lineal y su rigidez se incrementa a través de los ciclos de carga. Este trabajo provee valores experimentales para generar un comportamiento de cartílago más real que el utilizado actualmente en modelos computacionales de cartílago para el estudio de OAU.

Network Coding Based Security for Routing Attacks in WRN: Frechet Interference and Rayleigh Outage Evaluation

We present a network coding security method capable of detecting several routing attacks in wireless reconfigurable networks. Routing security attacks include selective forwarding, black holes, and wormholes. The proposed method performs linear network coding over intermediate nodes composing a given route, not only to distribute content, but also to provide data confidentiality by cooperation as a mechanism of detection. The method presents a robust, accurate and fast response under security attacks for varying network conditions, such as interference and outage due to channel fading. It also provides a gain in network throughput by increasing the number of successfully received packets without a significant increase of the bandwidth usage.

Presentamos un método basado en codificación de red capaz de detectar ataques de seguridad a la información de ruteo en redes inalámbricas reconfigurables. Los ataques de seguridad a la información de ruteo incluyen ataques como el envío selectivo de datos, agujeros negros y gusanos. El método propuesto realiza una codificación de red lineal en los nodos intermedios de una ruta determinada, para distribuir datos y para proveer confidencialidad por medio de un mecanismo cooperativo de detección. El método presenta una respuesta robusta, rápida y precisa ante ataques de seguridad bajo condiciones de red variables, tales como interferencia y pérdida de comunicación debido al desvanecimiento del canal. También incrementa los datos que llegan al destino sin incrementar significativamente el uso del ancho de banda.

Combining Artificial Intelligence and Advanced Techniques in Fault-Tolerant Control

We present the integration of artificial intelligence, robust, nonlinear and model reference adaptive control (MRAC) methods for fault-tolerant control (FTC). We combine MRAC schemes with classical PID controllers, artificial neural networks (ANNs), genetic algorithms (GAs), H∞ controls and sliding mode controls. Six different schemas are proposed: the first one is an MRAC with an artificial neural network and a PID controller whose parameters were tuned by a GA using Pattern Search Optimization. The second scheme is an MRAC controller with an H∞ control (H∞). The third scheme is an MRAC controller with a sliding mode controller (SMC). The fourth scheme is an MRAC controller with an ANN. The fifth scheme is an MRAC controller with a PID controller optimized by a GA. Finally, the last scheme is an MRAC classical control system. The objective of this research is to generate more powerful FTC methods and compare the performance of above schemes under different fault conditions in sensors and actuators. An industrial heat exchanger process was the test bed for these approaches. Simulation results showed that the use of Pattern Search Optimization and ANNs improved the performance of the FTC scheme because it makes the control system more robust against sensor and actuator faults.

Se presenta la integración de métodos de Inteligencia Artificial, Control Robusto, Control No lineal y Control Adaptable por Modelo de Referencia (MRAC) en el Control Tolerante a Fallas (FTC). Se combinan diferentes esquemas de MRAC con controladores PID clásicos, redes neuronales, algoritmos genéticos, controladores H∞ y controladores por modo deslizante. Se proponen seis diferentes esquemas: el primer esquema es un MRAC con una red neuronal y un PID cuyos parámetros fueron optimizados con un algoritmo genético utilizando Optimización por Búsqueda de Patrones. El segundo esquema es un controlador MRAC con un controlador H∞. El tercer esquema es un controlador MRAC con un controlador por modo deslizante. El cuarto esquema es un controlador MRAC con una red neuronal. El quinto esquema es un controlador MRAC con un controlador PID optimizado por un algoritmo genético. Finalmente, el último esquema es un controlador clásico MRAC. El objetivo de esta investigación es generar métodos de FTC más poderosos y comparar su desempeño bajo diferentes condiciones de fallas tanto en sensores como en actuadores. Se utilizó un intercambiador de calor industrial para realizar dichos experimentos. Los resultados obtenidos de la simulación demostraron que el uso de Optimización por Búsqueda de Patrones con redes neuronales mejoró el desempeño del esquema FTC, ya que el sistema de control se volvió más robusto ante fallas en sensores y en actuadores.

Hurst Parameter Estimation Using Artificial Neural Networks

The Hurst parameter captures the amount of long-range dependence (LRD) in a time series. There are several methods to estimate the Hurst parameter, being the most popular: the variance-time plot, the R/S plot, the periodogram, and Whittle's estimator. The first three are graphical methods, and the estimation accuracy depends on how the plot is interpreted and calculated. In contrast, Whittle's estimator is based on a maximum likelihood technique and does not depend on a graph reading; however, it is computationally expensive. A new method to estimate the Hurst parameter is proposed. This new method is based on an artificial neural network. Experimental results show that this method outperforms traditional approaches, and can be used on applications where a fast and accurate estimate of the Hurst parameter is required, i.e., computer network traffic control. Additionally, the Hurst parameter was computed on series of different length using several methods. The simulation results show that the proposed method is at least ten times faster than traditional methods.

El parámetro de Hurst captura la cantidad de dependencia de rango amplio (LRD) en las series de tiempo. Hay varios métodos para estimar el parámetro de Hurst, siendo los más populares: la gráfica de varianza contra tiempo, la gráfica R/S, el periodograma, y el estimador de Whittle. Los tres primeros son métodos gráficos, y la precisión de la estimación depende de cómo se interprete y calcule la gráfica. Por otro lado, el estimador de Whittle se basa en una técnica de máxima probabilidad y no depende de una lectura gráfica; sin embargo, éste requiere una gran demanda computacional para su cálculo. Se propone un nuevo método para estimar el parámetro de Hurst. Este nuevo método está basado en una red neuronal artificial. Los resultados experimentales muestran que este método supera a los métodos tradicionales, y que puede ser usado en aplicaciones que requieran una estimación precisa y rápida del parámetro de Hurst, por ejemplo en control de tráfico en redes de computadoras. Adicionalmente, el parámetro de Hurst se calculó en series de diferentes tamaños utilizando varios métodos. Los resultados de la simulación muestran que el método propuesto es por lo menos diez veces más rápido que los métodos tradicionales.

Transmission Electron Microscopy (TEM) Through Focused ION Beam (FIB) from Vitrified Chromium Wastes

This study shows how the Focused Ion Beam (FIB) has been applied to vitrified materials obtained from chromium wastes. Due to the issues arising during conventional Ar+ ion milling, it was necessary to thin these samples using FIB. Difficulties came from the heterogeneous size between chromium spinels and the residual glass phase. The FIB was applied to obtain thin foils from vitrified materials. These brittle and heterogeneous samples result in specimens with many perforations and chipping when using conventional thinning below 100 nanometers. Alternatively, FIB allowed thinning in the range of 60 - 80 nanometers from specifically selected areas such as the areas containing spinel crystals Mg(Al,Cr)2O4 in order to facilitate the final Transmission Electron Microscopy (TEM) observations. In this paper, FIB is shown to be a very powerful microtool as a brittle samples preparation method as well as providing an alternative way for performing conventional ceramography and Ar+ ion milling. FIB is a much less destructive method with greater observed capacity in the quantity and analysis of microcrystalline phases.

Este estudio muestra como el Focused Ion Beam (FIB) ha sido aplicado a materiales obtenidos de la vitrificación de residuos de cromo. Debido a problemas de desprendimiento de material cuando se aplicó el proceso de adelgazamiento por el método convencional de Ar+ ion milling fue necesario preparar las muestras usando FIB. Las dificultades se deben al tamaño heterogéneo de las espinelas de cromo y presencia de la fase vítrea residual. El FIB se utilizó para obtener laminillas delgadas de material vitrificado. Las muestras frágiles y heterogéneas que resultan del corte y pulido presentan muchas perforaciones y rebabas cuando se utiliza el método convencional de adelgazamiento a espesores por debajo de los 100 nm. Como método alternativo, el FIB permitió el adelgazamiento de muestras en el orden de 60-80 nm en áreas específicamente seleccionadas conteniendo cristales de espinelas Mg(Al,Cr)2O4 con el fin de facilitar las observaciones en Microscopía Electrónica de Transmisión (MET). Este artículo muestra cómo el FIB representa una micro-herramienta muy poderosa como método de preparación de muestras para corte y adelgazamiento de muestras frágiles, además de ser una alternativa de mayor alcance que la preparación de muestras por ceramografía o por el método de desbaste y pulido con iones Ar+. El método FIB es mucho menos destructivo y con mayor capacidad para observar aéreas de la muestra en cuanto a la cantidad y análisis de las fases microcristalinas presentes.

A Fast Simulation Method for Wave Transformation Processes In Coastal Zones

We develop a numerical model based on the mild-slope equation of water wave propagation over complex bathymetrys, taking into account the combined effects of refraction, diffraction and reflection due to protection structures. The numerical method was developed using a split proposed version of the mild-slope equation in elliptical form and solved by an implicit method in a finite volume mesh, this technique easily allows the modeling of the wave transformations caused by the protection structures in coastal waters, where industrial and other economic activities take place. Study cases controlled have been made and the results match very well with the reference solution. The capability and utility of the model for coastal areas are illustrated by its application to the breakwater of the Laguna Verde Nuclear Power Plant (LVNPP) and the protection structure of the Nautical Marine named "Los Ayala".

Se desarrolla un método numérico para resolver la ecuación de la pendiente suave, para el estudio de la propagación del oleaje en batimetrías complejas, tomando en cuenta los efectos combinados de la refracción, difracción y reflexión causados por estructuras de protección. El método numérico se basa en la descomposición de la ecuación de la pendiente suave en su forma elíptica para resolverla por un método implícito en volúmenes finitos. Esta técnica permite la modelación de las transformaciones del oleaje causadas por las estructuras de protección en aguas costeras, donde actividades industriales y recreativas tienen lugar. Casos de estudio controlados fueron hechos y los resultados coinciden con la solución de referencia. La capacidad y utilidad del modelo para aguas costeras es ilustrado con la aplicación al rompeolas de la Planta Nuclear de Laguna Verde y la estructura de protección en la Marina Náutica "Los Ayala".