Národní úložiště šedé literatury

Automatizace návrhu systémů odolných proti poruchám
Lojda, Jakub; Plíva, Zdeněk; Steininger, Andreas; Sekanina, Lukáš
2023 - English Pokud je požadováno, aby digitální systém dosáhl vysoké úrovně spolehlivosti, musí zachovat funkčnost i v případě přítomnosti přirozeně se objevujících poruch. Mnoho takových systémů využívá hradlová pole FPGA (z angl. Field Programmable Gate Array). Jedním z přístupů ke zvýšení spolehlivosti systému je začlenění mechanismů odolnosti proti poruchám (OPP; angl. Fault Tolerance). Není však snadné navrhovat systémy tak, aby byly OPP. V této disertační práci je navržen, prozkoumán a popsán automatický způsob transformace popisu systému do jeho podoby zvyšující OPP. Prezentovaný výzkum klade důraz na obecnost tohoto procesu, který umožňuje znovupoužitelnost metod mezi odlišnými formáty popisu, různými jazyky a úrovněmi abstrakce. Tato práce zkoumá navrhovanou metodu a její hlavní aspekty: metody úpravy zdrojového kódu, strategie návrhu OPP a akceleraci měření dosažené úrovně OPP. V neposlední řadě práce prezentuje postup návrhu, který cílí na minimalizaci požadovaných měření parametrů, což výrazně urychluje automatický návrh systému OPP. Během výzkumu prezentovaného v této práci bylo experimentálně studováno několik případů. Různé obvody popsané v odlišných jazycích byly optimalizovány dle rozdílných metrik spolehlivosti tak, aby během výzkumu bylo pokryto více scénářů. První kroky ve výzkumu využívají řídicí jednotku robota napsanou v C++ jako cíl pro vyhodnocení manipulace se zdrojovým kódem. Optimalizace se zaměřuje na procentuální zastoupení tzv. kritických bitů (z angl. critical bits) na FPGA. Následně byly místo řídicí jednotky robota použity naše testovací obvody, rovněž popsané v C++. K automatickému přiřazení nejvhodnějších mechanismů OPP (např. třímodulové redundance, z angl. Triple Modular Redundancy - TMR; nebo N-modular Redundancy - NMR) byla nejprve použita strategie založená na Multiple-choice Knapsack Problem (MCKP). Navrhovaná strategie nalezla řešení snižující počet kritických bitů o 18 % a zároveň snížila velikost obvodu (obojí ve srovnání s předchozím přístupem se statickou alokací mechanismů OPP). Poté byly implementovány prostředky pro vkládání mechanismů OPP do VHDL kódů. Testovací obvody popsané ve VHDL byly použity rovněž se strategií MCKP k nalezení řešení s nejlepším mediánem času do selhání (též známým jako t50). Pro tuto případovou studii bylo dosaženo cca 25% úspory velikosti obvodu ve srovnání s referenčním návrhem, ve kterém byly mechanismy OPP přiřazeny staticky a ručně. Prezentovaná metoda totiž umožňuje uživateli omezit oblast na čipu, která je pro daný systém dostupná a získat výsledek o optimální spolehlivosti pro tuto danou oblast (za předpokladů blíže specifikovaných v této práci). Rovněž byla testována obnova systému, která dále zlepšila výsledky t50 o 70 %. Nakonec byla provedena komplexní případová studie na reálném obvodu - řadiči rekonfigurace FPGA. V této případové studii se v praxi představuje způsob nalezení Paretovy fronty optimálních obvodů zohledňujících více kritérií, tj. spotřeba energie, velikost a střední doba do poruchy (z angl. Mean Time to Failure - MTTF). Metoda také umí využít principů dynamické částečné rekonfigurace FPGA pro obnovu systémů. If a digital system is required to maintain a high level of reliability, it must withstand the presence of naturally-emerging failures. Many of such systems utilize Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). One of the approaches to increase the system's reliability is the insertion of the so-called Fault Tolerance (FT) mechanisms. It is, however, a significant challenge to design systems to be FT. In this thesis, an approach is designed and researched, capable of automatically transforming an unhardened design into its FT version. The thesis emphasizes the generality of such a process, which allows for the reusability of the methods among various description formats, languages, and abstraction levels. This thesis describes the proposed method and its main aspects: the source code modification approaches, design strategies, and acceleration of FT parameters measurement. Last but not least, design flows that target the minimization of required measurements are proposed, which significantly accelerates the complete automated design of the FT system. Several cases were experimentally studied during the research presented in this thesis. Multiple circuits described in different languages were targeted with various reliability metrics to cover multiple scenarios. The first steps use a robot controller written in C++ as a target for evaluating the source code manipulations and the so-called critical bits representation of an FPGA design. After that, our C++ benchmark circuits were used instead of the robot controller. At first, a strategy based on the Multiple-choice Knapsack Problem (MCKP) was used to automatically select the most suitable hardening from available hardening schemes (e.g., Triple Modular Redundancy, or N-modular Redundancy). The proposed design strategy found a solution with 18% fewer critical bits while even lowering the design size overhead compared to the previous approach with the static allocation of FT mechanisms. After that, means of FT mechanism insertion were implemented for VHDL. VHDL benchmarks were also used with the MCKP strategy to find solutions with the best Median Time to Failure (a.k.a. t50). For the actual case study, circa 25% savings in the area were achieved compared to the reference design to which the FT mechanisms were assigned statically and manually. The method allows the user to constrain the available chip area and obtain the result optimal on reliability for this given area (under assumptions specified in the thesis). Also, system recovery was tested, which further improved the t50 results by 70%. Finally, a comprehensive case was studied on a real circuit, the FPGA reconfiguration controller. This presents a method of finding a Pareto-frontier of optimal designs considering multiple criteria (i.e., power consumption, size, and Mean Time to Failure - MTTF). The method exploits the principles of dynamic partial reconfiguration. Keywords: Fault-tolerant System Design Automation; Electronic Design Automation; Fault-tolerant System Design Flow; Redundancy Allocation and Insertion; FPGA; VHDL; C++; Automatizace návrhu systémů odolných proti poruchám; automatizace návrhu elektronických systémů; postup návrhu systémů odolných proti poruchám; alokace a vkládání redundance; FPGA; VHDL; C++ Available in a digital repository NRGL Automatizace návrhu systémů odolných proti poruchám

Pokud je požadováno, aby digitální systém dosáhl vysoké úrovně spolehlivosti, musí zachovat funkčnost i v případě přítomnosti přirozeně se objevujících poruch. Mnoho takových systémů využívá hradlová ...

Lojda, Jakub; Plíva, Zdeněk; Steininger, Andreas; Sekanina, Lukáš
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Electrochemická syntéza, charakterizace a aplikace nových typů 1D oxidických struktur přechodných kovů
Alijani, Mahnaz; Prof. Lluis F. Marsal; Tsuchiya, Hiroaki; Macák, Jan
2023 - English Tato disertační práce představuje komplexní výzkum růstu TiO2 nanotrubicových (TNT) vrstev s vysokým poměrem délka/šířka (HAR) a jejich využití v pokročilých světelně-sensorických aplikacích. Výzkumné výstupy dosažené během tohoto doktorského studia zahrnují sérii článků, které se zabývají výzkumem syntézy a charakterizace vrstev HAR TNT na jedné straně a hodnocení výkonu těchto vrstev v různých senzorických modalitách na straně druhé. Počáteční studie se zaměřuje na anodizaci Ti fólií za účelem získání vrstev HAR TNT pomocí speciálně formulované elektrolytu obsahujícího NH4F/H2O/ethylene glycol s přídavkem mléčné kyseliny (LA). Výsledky ukazují, že regulací stáří a složení elektrolytu a použitím dostatečně vysokých potenciálů lze dosáhnout vrstev HAR TNT s vysokým poměrem délka/šířka (přibližně 450) v pozoruhodně krátkých časech anodizace ( 15 minut) ve srovnání s literaturou dostupnou před zahájením této disertační práce. Tento přístup nabízí slibnou cestu k získání robustních vrstev TNT bez dielektrického průrazu, eliminující potřebu řízení dalších procesních parametrů, jako je ohřev nebo ochlazování elektrolytu. Na základě úspěšných výsledků byla v následující práci zkoumána galvanostatická anodizace pro získání vrstev HAR TNT v elektrolytu obsahujícím LA. Bylo zjištěno, že mléčná kyselina účinně předchází dielektrickému průrazu při použití vysokých proudových hustot. Tento nález poukazuje na potenciál galvanostatické anodizace pro výrobu vrstev HAR TNT v podstatně zkrácených časech anodizace při pokojové teplotě. Navazující výzkum v disertační práci se zabývá mikrovlnnou fotoelektrickou vodivostí TNT vrstev s různou tloušťkou (15, 50, 80 a 110 m) při frekvencích X-pásma (~8 GHz) pro aplikace v senzorice a bezdrátové vesmírné komunikaci. Integrace anatasových TNT vrstev s rovinným rezonátorem se rozděleným kroužkem (SRR) umožňuje hodnocení jejich mikrovlnné fotoelektrické vodivosti. Experimentální výsledky odhalily významné variace v rezonanční amplitudě a frekvenčních odezvách TNT vrstev, přičemž TNT vrstvy o tloušťce 80 m vykazovaly nejvyšší citlivost. Byly stanoveny korelace mezi účinností fotoelektrické vodivosti, velikostí krystalitů a tloušťkou vrstev TNT, což podporuje využití optimalizovaných vrstev TNT pro co nejlepší mikrovlnného snímání. Kromě toho práce zkoumá vrstvy TNT na SRR pro detekci viditelného světla. Depozicí CdS tenkých vrstev na TNT vrstvy pomocí technologie depozice atomárních vrstev (ALD) se TNT vrstvy stávají velmi citlivé ve viditelné oblasti spektra, což umožňuje efektivní detekci UV a viditelného světla a detekci světlem indukovaných změn dielektrických vlastností TNT vrstev. Experimentální výsledky souhlasí s teoretickými modely a zdůrazňují výjimečný potenciál senzorů založených na TNT při detekci nebezpečí, monitorování znečištění, analýze materiálů a světelné komunikaci mezi satelity. Celkově tato práce poskytuje komplexní porozumění o růstu HAR TNT vrstev a jejich schopnostem pro pokročilé senzorické aplikace. Získané poznatky z tohoto výzkumu přispějí k rozvoji senzorů založených na nanomateriálech a otevírají nové možnosti jejich využití v různých odvětvích a nových technologiích. This thesis presents a comprehensive investigation of the growth of high-aspect-ratio (HAR) TiO2 nanotube (TNT) layers and their application in advanced light sensing technologies. The research outputs achieved during this Ph.D. study encompass a series of papers that collectively explore the synthesis and characterization of HAR TNT layers on one hand side, and performance evaluation of these layers in various sensing modalities on the other side. The initial study focuses on the successful anodization of Ti foil to obtain HAR TNT layers using a specially formulated electrolyte containing NH4F/H2O/ethylene glycol, with the addition of lactic acid (LA). The results demonstrate that by controlling the electrolyte age and composition, together with the application of sufficiently high potentials, HAR TNT layers with high aspect ratio (of approximately 450) can be achieved within remarkably short anodization times ( 15 minutes) compared to the literature available before the work on this thesis begun. This approach offers a promising pathway to obtain robust TNT layers without dielectric breakdown, eliminating the need for additional process control, such as heating or cooling of the electrolyte. Building up on the successful anodization results, the subsequent investigation explored the galvanostatic anodization for obtaining HAR TNT layers in an LA-containing electrolyte. It was observed that lactic acid effectively prevents dielectric breakdown when high current densities are applied. This finding highlights the potential of galvanostatic anodization to produce HAR TNT layers in significantly reduced anodization times at room temperature. Expanding the research scope, the thesis delves into the microwave photoconductivity of TNT layers with different thicknesses (15, 50, 80, and 110 m) at X-band frequencies (~8 GHz) for applications in sensing and wireless space communication. The integration of anatase TNT layers with a planar split ring resonator (SRR) microwave resonator enables the evaluation of their microwave photoconductivity performance. Experimental results revealed significant variations in the resonant amplitude and frequency responses of the TNT layers, with the 80 m thick TNT layers demonstrating the highest sensitivity. Correlations were established between the photoconductivity efficiency, crystallite size, and thickness of the TNT layers, supporting the development of optimized TNT layers for enhanced microwave sensing capabilities. Furthermore, the thesis explores TNT layers on SRR for visible light detection. By sensitizing the TNT layers to the visible spectral region through the deposition of a CdS coating using Atomic Layer Deposition (ALD), the results demonstrate effective detection of ultraviolet (UV) light, visible (VIS) light and light-induced variations in the dielectric properties of TNT layers. The experimental findings align with theoretical models and highlight the clearly outstanding potential of TNT-based sensors in hazard detection, pollution monitoring, material analysis, and light-based satellite-to-satellite communication. Overall, this thesis provides a comprehensive understanding of HAR TNT layers and their capabilities for advanced sensing applications. The knowledge gained from this research will contribute to the advancement of nanomaterial-based sensors and opens up new possibilities for their utilization in various industries and emerging technologies. Keywords: TiO2 nanotube layers; anodization; high aspect ratio; sensing application; UV detection.; TiO2 nanotrubicové vrstvy; anodizace; vysoký poměr stran; sensorické aplikace; detekce UV světla Available in a digital repository NRGL Electrochemická syntéza, charakterizace a aplikace nových typů 1D oxidických struktur přechodných kovů

Tato disertační práce představuje komplexní výzkum růstu TiO2 nanotrubicových (TNT) vrstev s vysokým poměrem délka/šířka (HAR) a jejich využití v pokročilých světelně-sensorických aplikacích. Výzkumné ...

Alijani, Mahnaz; Prof. Lluis F. Marsal; Tsuchiya, Hiroaki; Macák, Jan
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Paralelismus v číslicovém zpracování signálů
Mego, Roman; Wyrzykowski, Roman; Vágnerová, Jitka; Frýza, Tomáš
2023 - English Dizertační práce je zaměřena na systémy pro číslicové zpracování signálů, jejich architekturu a možnosti vývoje softwaru. Text pojednává o základním rozdělení počítačových systémů z hlediska paralelního zpracování dat. Rovněž demonstruje chování nízkoúrovňových a vysokoúrovňových programovacích jazyků na vícejadrovém signálovém procesoru založeném na architektuře VLIW. Cílem dizertační práce je vytvořit nástroj, který může být použitý při implementaci DSP algoritmů na VLIW procesory s efektivností nízkoúrovňových programovacích jazyků, ale s výhodami vysokoúrovňových programovacích jazyků. Výsledkem je software, který využívá pro popis algoritmů graf signálových toků a generuje kód v jazyce symbolických adres. The doctoral thesis is focused on the systems for digital signal processing, its architecture and possibilities of software development. The text discussed the basic classification of computer systems from the view of parallel processing. It also demonstrates the behavior of the low-level and high-level programming languages on the multicore digital signal processors based on VLIW architecture. The aim of the dissertation thesis is to develop a tool that can be used to implement any DSP algorithm on the any VLIW processor with efficiency of the low-level programming languages, but with the advantages of the highlevel programming languages. Result is the software that uses a signal-flow graph approach to describe an algorithm, and generates the low-level assembly code. Keywords: digital signal processing; VLIW architecture; software development; signal-flow graph; digitální zpracování signálů; VLIW architektura; vývoj softwaru; graf signálových toků Available in a digital repository NRGL Paralelismus v číslicovém zpracování signálů

Dizertační práce je zaměřena na systémy pro číslicové zpracování signálů, jejich architekturu a možnosti vývoje softwaru. Text pojednává o základním rozdělení počítačových systémů z hlediska ...

Mego, Roman; Wyrzykowski, Roman; Vágnerová, Jitka; Frýza, Tomáš
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Umělé uspořádané soubory magnetických nanostruktur
Schánilec, Vojtěch; Mougin, Alexandra; Carrey, Julian; Šikola, Tomáš
2023 - English Uměle vytvořená dvourozměrná pole interagujících nanomagnetů jsou mocným hřištěm pro zkoumání fyziky mřížkových spinových modelů. Tyto umělé spinové systémy byly navrženy tak, aby napodobovaly chování frustrovaných pyrochlorových krystalů. Zdokonalení nanofabrikačních technik nám umožňuje vyrobit jakýkoli požadovaný umělý systém v laboratorně kontrolovaném prostředí. Díky tomu lze vyrábět umělé simulátory hmoty a používat je k pokročilejšímu studiu požadovaných jevů. Výhodou použití nanomagnetických objektů jako stavebních kamenů umělých mřížek je, že malé magnetické struktury lze efektivně považovat za obří klasické Isingovy spiny. Proto transformují problém frustrovaných spinů v pyrochlorových krystalech do takových rozměrů, aby bylo možné systém studovat pomocí zobrazovacích technik reálného prostoru. Pomocí zobrazovacích technik, jako je mikroskopie magnetických sil, lze uspořádání každého Isingova makrospinu vizualizovat v reálném prostoru. To nám umožní podívat se nejen na globální vlastnost systému jako celku, ale také na to, jak jsou realizovány lokální interakce. Schopnost vyrobit umělé systémy zachycující požadovaný fyzikální jev a porovnat jej s~reálným přírodním protějškem ukazuje naše porozumění problému. Může také nabídnout chybějící část informací. Existují vlastnosti systémů, které nejsou zakódovány v teoretických Hamiltoniánech popisujících systémy, ale přesto jsou systému vlastní. Takové vlastnosti se zdánlivě objevují odnikud a díky umělým systémům a schopnosti tyto systémy vizualizovat můžeme takové vlastnosti analyzovat. Tato práce se zaměřuje na studium dvou typů systémů: kagome a čtvercových dipolárních spinových systémů. Oba tyto systémy jsou výsledkem projekcí trojrozměrných pyrochlorových krystalů do roviny. Oba navíc vykazují poměrně neobvyklé chování, které je třeba teprve změřit v reálném prostoru ve velkých měřítcích. Dipolární kagome spinový systém má nízkoenergetickou fázi zvanou \textit{spinová kapalina 2}. Spiny v této fázi jsou uspořádané a neuspořádané současně, což je jedinečná vlastnost systému, která nemá obdoby. Na druhé straně, čtvercový spinový systém je dokonalým hřištěm pro studium exotické fyziky spinových kapalin, Columbovy fáze a chování kvazičástic podobných magnetickým monopólům. Obvyklý přístup při výrobě umělých spinových systémů spočívá v jejich sestavení z jedno-doménových nanomagnetů, které interagují prostřednictvím dipolárních interakcí dlouhého dosahu. Systémy se proto snaží minimalizovat interakce mezi všemi páry Isingových makro-spinů. Ústřední myšlenkou této práce je však propojení všech nanomagnetů do jedné makromřížky, a tedy zavedení mikromagnetických efektů do systémů. Magnetizace se snaží uspokojit mikromagnetické energie v místě spojů. Proto účinně nahrazujeme spinový stupeň volnosti mikromagnetickým regulátorem, který lze použít k vyladění energie každého spoje zavedením speciálně navržených topologických defektů. Přestože oba systémy jsou předmětem zájmu výzkumníků již téměř dvacet let, věříme, že naše modifikace otevírají bránu ke zkoumání exotické fyziky, kterou je třeba teprve odhalit. Two-dimensional artificial arrays of interacting nanomagnets are a powerful playground for probing the physics of the lattice spin models. Artificially designed spin systems were introduced to mimic the behaviour of the frustrated pyrochlore crystals. Recent improvement in nano-fabrication techniques allows us to fabricate any desired artificial system in the lab control environment. Therefore artificial simulators of the matter can be produced and used for more advanced study of the desired phenomenons. The advantage of using nanomagnetic objects as building blocks of artificial lattices is that small magnetic structures can effectively be considered giant classical Ising spins. Therefore elevating the problem of frustrated spins in pyrochlore crystals into such dimensions so the system can be studied with real space imaging techniques. With imaging techniques such as magnetic force microscopy, the ordering of each Ising macrospin can be visualised in real space, enabling us to look not only at the global property of the system as a whole but to see how local interactions are accommodated. Being able to fabricate artificial systems capturing the desired physics and comparing it to the real nature counterpart measures our understanding of the problem. It can also offer a missing piece of information. Furthermore, there are properties of the systems which are emergent and not encoded in the theoretical Hamiltonians describing the systems. Such properties seem to come out of nowhere, and with artificial systems and the ability to visualise these systems, we can analyse such properties. This thesis focus on studying two types of systems: kagome and square dipolar spin systems. Both these systems are the results of the projections of the three-dimensional pyrochlore crystals into a plane. Moreover, both systems exhibit rather unusual behaviour, which is still to be measured on a large scale in real space. The dipolar kagome spin system has a low energy phase called spin liquid 2, which hosts unusual spin behaviour. The spins in this phase are ordered and disordered simultaneously, a unique emergent property of the system with no equivalent. On the other hand, the square spin system is a perfect playground for studying the exotic physics of spin liquids, the Columb phase, and the behaviour of magnetic monopole-like quasi-particles. The usual approach when fabricating artificial spin systems is to build them up out of single-domain nanomagnets which interact via long-range dipolar interactions. Therefore the systems try to minimise the interactions between all pairs of the Ising macrospins. However, the central idea of this thesis is to connect all the nanomagnets into one macro lattice, therefore introducing the micromagnetic effects into the systems. Magnetisation tries to satisfy the micromagnetic energies at the vertex site. Hence, we effectively replace the spin degree of freedom with a micromagnetic knob which can be used to tune each vertex's energy by introducing specially designed topological defects. Even though both systems have been the focus of researchers for almost twenty years, we believe that our modifications open a gateway to fully accessing the exotic physic yet to uncover. Keywords: Artificial spin systems; geometrical frustration; micromagnetism; kagome dipolar spin system; square spin system; Umělé vytvořené spinové systémy; geometrická frustrace; mikromagnetismus; dipolární kagome spinový systém; čtvercový spinový systém Available in a digital repository NRGL Umělé uspořádané soubory magnetických nanostruktur

Uměle vytvořená dvourozměrná pole interagujících nanomagnetů jsou mocným hřištěm pro zkoumání fyziky mřížkových spinových modelů. Tyto umělé spinové systémy byly navrženy tak, aby napodobovaly chování ...

Schánilec, Vojtěch; Mougin, Alexandra; Carrey, Julian; Šikola, Tomáš
Vysoké učení technické v Brně, 2023

BEZSNÍMAČOVÉ ŘÍZENÍ SYNCHRONNÍHO RELUKTANČNÍHO MOTORU SE ZAMĚŘENÍM NA VYSOKOU ÚČINNOST
Mynář, Zbyněk; Talla,, Jakub; Lettl, Jiří; Václavek, Pavel
2023 - English Synchronní reluktanční motory se pro svou relativně vysokou účinnost, robustnost a nízkou cenu stávají stále populárnější alternativou velmi rozšířených asynchronních motorů. Snaha o využití výhodných vlastností bezsnímačového řízení, a dosažení co nejvyšší účinnost jejich provozu, je však komplikována jejich výraznou nelinearitou způsobenou saturací magnetického obvodu. Úvod této práce je věnován popisu matematicko-fyzikálního modelu SynRM a přehledu existujících moderních algoritmů výkonově-optimálního bezsnímačového řízení. Jádrem práce je pak představení estimátoru stavů a parameterů SynRM postaveného na novém přístupu k měření a využití fázových reluktancí. Klíčovými prvky algoritmu jsou nová metodologie měření fázových reluktancí, spínací PWM schéma jež umožňuje snížit spínací ztráty a měřit fázové reluktance od nulových otáček, a nakonec integrace těchto měření s matematickým modelem SynRM s pomocí rozšířeného Kalmánova filtru. Experimentální část práce pak diskutuje výsledky reálných měření s navrženým algoritmem a vybranými současnými algoritmy. Synchronous reluctance motors are becoming a more and more popular alternative to the AC induction machine for their relatively high power efficiency, low cost, and high robustness. Full utilization of benefits of sensorless control and high power efficiency are being complicated by non-linearities of the motor, especially magnetic saturation. The beginning of this work is dedicated to an inference of the mathematical-physical model of SynRM and an overview of existing state-of-the-art sensorless power-optimal algorithms. The core of this work is then the introduction of the SynRM state and parameter estimator, which is based on a new approach to measurement and utilization of phase reluctances. The key elements of the algorithm are a new methodology for measuring phase reluctances, a PWM switching scheme that allows to reduce switching losses and to measure phase reluctances from zero speed, and finally the integration of these measurements with the SynRM mathematical model using extended Kalman filter. The experimental part of the thesis then discusses the real measurement results obtained with the proposed algorithms and several selected state-of-the-art algorithms. Keywords: Synchronous; SynRM; Reluctance; FOC; Power optimization; MTPA; ME; EKF; Synchronní; SynRM; Reluktance; FOC; Optimalizace výkonu; MTPA; ME; EKF Available in a digital repository NRGL BEZSNÍMAČOVÉ ŘÍZENÍ SYNCHRONNÍHO RELUKTANČNÍHO MOTORU SE ZAMĚŘENÍM NA VYSOKOU ÚČINNOST

Synchronní reluktanční motory se pro svou relativně vysokou účinnost, robustnost a nízkou cenu stávají stále populárnější alternativou velmi rozšířených asynchronních motorů. Snaha o využití výhodných ...

Mynář, Zbyněk; Talla,, Jakub; Lettl, Jiří; Václavek, Pavel
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Pokročilé výpočetní metody pro zvýšení rozlišení genotypizačních metod
Nykrýnová, Markéta; Budinská, Eva; Hrabák,, Jaroslav; Škutková, Helena
2023 - English Tato disertační práce je zaměřena na vytvoření nových výpočetních metod, které zvýší diskriminačních schopnost genotypizačních metod. Hlavní důraz je kladen na odlišení blízce příbuzných bakterií, které pocházejí například z jedné nemocnice či jednoho oddělení. V první části práce jsou popsány současné typizační metody a jsou představeny nové postupy pro identifikaci genetických markerů s vysokou mírou sekvenční variability, pomocí kterých lze lépe rozlišit bakteriální populaci. Navržené metody jsou založeny na výpočtu signálů entropie a analýze nenamapovaných čtení. Druhá část práce se zabývá návrhem nových metod zpracování surových dat z nanopórového sekvenování, které lze použít pro rychlou vysoce citlivou typizaci bakterií bez nutnosti převádět proudové signály na nukleotidové sekvence. Předložená práce přispívá ke zlepšení a zpřesnění rutinně používaných typizačních metod pomocí navržených bioinformatických postupů a představuje unikátní přístup využití doposud experimentální techniky nanopórového sekvenování pro rychlou genotypizaci a analýzu bakterií. This dissertation aims at developing new computational methods to increase the discriminatory power of genotyping methods. The main focus is on distinguishing closely related bacterial strains, e.g. from the same hospital or ward. The first part of the thesis describes current typing methods and new approaches to identify genetic markers with high levels of sequence variability that contribute to distinguishing bacterial populations better. The proposed methods are based on the entropy signal calculation and analysis of unmapped reads. The second part of the thesis deals with designing new methods for raw nanopore sequencing data processing; thus, it can be used for rapid high-sensitivity bacterial typing without the need to convert current signals into nucleotide sequences. Overall, this dissertation contributes to the improvement and refinement of routine typing methods by utilizing the proposed bioinformatics approaches and presenting a unique application for experimental nanopore sequencing in rapid genotyping and bacteria analysis. Keywords: Bacterial typing; whole genome sequencing; genome assembly; MLST; mini-MLST; nanopore sequencing; genomic signal processing.; Typizace bakterií; celogenomové sekvenování; sestavování genomů; MLST; mini-MLST; nanopórové sekvenování; zpracování genomických signálů. Available in a digital repository NRGL Pokročilé výpočetní metody pro zvýšení rozlišení genotypizačních metod

Tato disertační práce je zaměřena na vytvoření nových výpočetních metod, které zvýší diskriminačních schopnost genotypizačních metod. Hlavní důraz je kladen na odlišení blízce příbuzných bakterií, ...

Nykrýnová, Markéta; Budinská, Eva; Hrabák,, Jaroslav; Škutková, Helena
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Computational study of the impact of disorders in excitation propagation on left ventricular contraction
Vaverka, Jiří; Rohan,, Eduard; Horný, Lukáš; Burša, Jiří
2023 - English Tato disertační práce se zabývá výpočtovým modelováním kontrakce levé srdeční komory pomocí metody konečných prvků. Primárním cílem práce je vyhodnotit vliv blokády levého Tawarova raménka na ejekční frakci komory. Dále je vyšetřován dopad blokády na pohyby komory během srdečního cyklu, na lokální hodnoty přetvoření a na rozložení napětí ve stěně. Průběh elektrické aktivace jak zdravé komory, tak i komory s blokádou je modelován pomocí monodoménové rovnice svázané s pseudo-modelem buněčné membrány, který byl navržen za účelem snížení výpočetní náročnosti monodoménové rovnice. Rychlost šíření vzruchu v myokardu je uvažována ortotropní. Vypočítané časové průběhy elektrické aktivace ukazují, že blokáda levého Tawarova raménka prodlužuje dobu depolarizace komory o 50 %, což je v souladu s udávanými délkami trvání QRS komplexu na EKG u zdravých jedinců a u pacientů s blokádou. Průběhy elektrické aktivace jsou následně využity v simulacích kontrakce komory pro předepsání počátku kontrakce jednotlivých prvků sítě. Pasivní mechanická odezva myokardu je v těchto simulacích popsána pomocí ortotropního hyperelastického modelu. Aktivní napětí vyvolané svalovou kontrakcí je do modelu zahrnuto prostřednictvím časově závislého tenzoru aktivního přetvoření. Do počáteční konfigurace modelu, reprezentující stav komory na konci diastoly, je před zahájením kontrakce zahrnuto předpětí odpovídající end-diastolickému tlaku v komoře. Časový průběh komorového tlaku během ejekční fáze je modelován pomocí dvouparametrického modelu Windkessel. Výsledky simulací ukazují, že blokáda levého Tawarova raménka nesnižuje významně čerpací schopnost komory. Predikovaný pokles ejekční frakce v důsledku blokády činí pouze 2,3 %, což je v souladu s některými publikovanými klinickými výsledky. Vypočítané časové průběhy posuvů a přetvoření ve vybraných místech modelu taktéž vykazují některé charakteristiky popisované klinickými nebo experimentálními studiemi. V oblasti mezikomorového septa byly pozorovány výrazně vyšší hodnoty napětí než v ostatních částech komory; tyto výsledky však bude nutné ověřit dalšími výpočty, neboť v současném modelu není septum zatíženo silovými účinky vyvolanými kontrakcí pravé komory. This doctoral thesis deals with computational modeling of contraction of human left ventricle using finite element method. The primary goal is to determine the impact of the left bundle branch block on ventricular ejection fraction. Additionally, changes in ventricular motions, strains and stress distribution, resulting from the block, are also investigated. Electrical activation of left ventricle under healthy conditions and during the branch block is modeled by the monodomain equation coupled with an artificial ionic model designed to reduce the computational demands of the monodomain equation. Conduction velocity in myocardium is considered orthotropic. Calculated activation maps show that the left bundle branch block prolongs electrical activation by 50 % which agrees with clinically observed prolongation of the QRS complex on ECG. The activation maps are subsequently used in the simulations of ventricular mechanics to distribute the beginning of contraction throughout the finite-element mesh. Passive mechanical behavior of myocardium is described by an orthotropic hyperelastic model. Active stresses, induced by muscle contraction, are incorporated by means of the time-dependent active strain tensor. Contraction starts from a prestressed reference configuration representing the end-diastolic state of the ventricle. Pressure development during ejection phase is controlled by two-parametric Windkessel model. Results indicate that the left bundle branch block does not substantially reduce the pumping efficiency of the ventricle; ejection fraction in the diseased state decreased by only 2.3 % relative to the healthy conditions which agrees with some of the previously published clinical studies. Changes in displacements and strains, predicted by the model, correspond with clinical and experimental observations. Stress analyses revealed unexpectedly high stresses in the interventricular septum; further analyses with modified boundary conditions have been suggested in order to better assess these result. Keywords: heart; left ventricle; finite element method; conduction system; left bundle branch; monodomain equation; hyperelasticity; srdce; levá komora; metoda konečných prvků; převodní systém; levé Tawarovo raménko; monodoménová rovnice; hyperelasticita Available in a digital repository NRGL Computational study of the impact of disorders in excitation propagation on left ventricular contraction

Tato disertační práce se zabývá výpočtovým modelováním kontrakce levé srdeční komory pomocí metody konečných prvků. Primárním cílem práce je vyhodnotit vliv blokády levého Tawarova raménka na ejekční ...

Vaverka, Jiří; Rohan,, Eduard; Horný, Lukáš; Burša, Jiří
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Vytváření kovových a oxidokovových nanostruktur za využití porézní aluminy pro pokročilé mikrozařízení
Kamnev, Kirill; Mardare, Andrei Ionut; Blanchar, Xavier Correig; Mozalev, Alexander
2023 - English Anodizace kovů přes masku porézní anodické aluminy (PAA) je použita namísto nanoporézní anodizace nebo tradičních nanofabrikačních metod na výrobu nových nanostrukturovaných oxidů kovů se zdokonalenými parametry. Vylepšování vlastností oxidů ZrO2 a HfO2 nanostrukturováním vzbuzuje podstatný zájem kvůli aktivní komercionalizaci těchto oxidů kovů. Nanostrukturování ZrO2 a HfO2 anodizací je náročné kvůli včasné krystalizaci anodického oxidu a téměř nulovému transportnímu číslu kationtů. Tyto problémy jsou řešeny systematickým zkoumáním anodického chování dvouvrstev složených z tenké vrstvy Al nadeponované na vrstvě Zr nebo Hf. Po prvý krát je dosažen reprodukovatelný růst ZrO2 nanostruktur přes masku PAA, které plní póry PAA masky jenom částečně. Tyto vnořené ZrO2 nanostruktury se projevují zlepšeným dielektrickým výkonem v širokém rozsahu frekvencí s nízkými zbytkovými proudy a vysokými hodnotami průrazného napětí. Tyto vlastnosti z nich dělají atraktivní struktury pro použití v mokrých a hybridních elektrolytických kondenzátorech. Vrstvy s rovným povrchem, kompatibilní se standardními metodami nanofabrikace a obsahující ZrO2 nanostruktury kompletně plnící póry PAA masky, jsou syntetizovány kombinací anodizace přes masku PAA s částečným rozpuštěním PAA. Tyto vrstvy jsou použity v experimentálních MIM mikrokondenzátorech, které vykazují nízké zbytkové proudy, vysoké hodnoty průrazného napětí, vysoké hustoty energie, nízké hodnoty teplotního koeficientu kapacity a výbornou linearitu mezi kapacitou a napětím, což z nich dělá dokonalé kandidáty pro pasivní integraci zařízení na čipu. ZrO2 nanovrstvy připraveny anodizací přes masku PAA jsou, po prvý krát, schváleny k produkci osteogenních biokeramických povlaků. Tyto nanostrukturované biokeramické ZrO2 povlaky mohou modulovat interakce mezi buňkami a povrchem a zvyšovat mineralizaci osteoblastů 5 krát oproti rovné anodické ZrO2 vrstvě. Nanostrukturované HfO2 vrstvy připraveny anodizací přes masku PAA vykazují opakovatelné nízkovýkonové bipolární rezistivní spínání, což je dělá význačnými jako tuhé elektrolyty pro aplikace v memristorech. Anodizace Hf přes masku PAA v kombinaci s vhodnými chemickými modifikacemi povrchů je použita po prvý krát k vytvoření samouspořádaných nanostrukturovaných HfO2 povlaků, které jsou superhydrofóbní, odpuzují olej, jsou transparentní pro viditelné světlo a antireflexní, což je dělá velmi vhodnými pro pasivaci fotovoltaických zařízení. The anodization of metals through porous anodic alumina (PAA) matrix (PAA-assisted anodization) is used alternatively to nanoporous anodization or conventional nanofabrication methods for producing novel nanostructured metal oxides with improved characteristics. Enhancing properties of ZrO2 and HfO2 by nanostructuring possesses significant interest due to the active commercialization of these metal oxides. Nanostructuring ZrO2 and HfO2 by anodization is challenging because of early anodic-oxide crystallization and nearly zero cation transport number. These issues are addressed by a systematical investigation of anodizing behavior of Al superimposed on Zr or Hf layers. Reproducible PAA-assisted growth of ZrO2 nanostructures partially filling the pores of the PAA matrix is achieved for the first time. The PAA-embedded ZrO2 nanostructures demonstrate enhanced dielectric performance in a wide frequency range with low leakage current and high breakdown voltage, making them attractive for application in wet and hybrid electrolytic capacitors. The planarized films compatible with standard nanofabrication methods and comprising ZrO2 nanostructures fully filling the pores in the PAA matrix are synthesized by combining the PAA-assisted anodization of Zr with partial PAA dissolution. Such films are utilized in experimental MIM microcapacitors exhibiting low leakage current, high breakdown voltage, high energy density, low temperature coefficient of capacitance, and excellent capacitance-voltage linearity, which makes them perfect candidates for on-chip passive device integration. The PAA-assisted ZrO2 nanofilms are approbated for the first time to produce osteogenic bioceramic coatings. Such nanostructured ZrO2 bioceramic coatings can module cell-surface interactions and increase osteoblast mineralization 5-fold compared to flat ZrO2 anodic coating. The PAA-assisted nanostructured HfO2 films exhibit repeatable low-power eigh-wise bipolar resistive-switching properties, making them highly prominent as solid electrolytes in memristor applications. The PAA-assisted anodization of Hf combined with appropriate surface chemical modification is utilized for the first time for creating self-organized superhydrophobic, oil-repelling, visible light transparent, and antireflective nanostructured HfO2 coatings highly suitable for passivation of photovoltaic devices. Keywords: anodizing; porous anodic alumina; ZrO2; HfO2; nanostructure; coating; dielectric; MIM capacitor; bioceramic; memristor; superhydrophobic material; anodizace; porézní anodická alumina; ZrO2; HfO2; nanostruktura; povlak; dielektrikum; MIM kondenzátor; biokeramika; memristor; superhydrofóbní materiál Available in a digital repository NRGL Vytváření kovových a oxidokovových nanostruktur za využití porézní aluminy pro pokročilé mikrozařízení

Anodizace kovů přes masku porézní anodické aluminy (PAA) je použita namísto nanoporézní anodizace nebo tradičních nanofabrikačních metod na výrobu nových nanostrukturovaných oxidů kovů se ...

Kamnev, Kirill; Mardare, Andrei Ionut; Blanchar, Xavier Correig; Mozalev, Alexander
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Stanovení mechanických vlastností tenkých filmů pomocí numerického modelování experimentálních testů
Tinoco Navarro, Hector Andres; Jančo,, Roland; Klusák,, Jan; Hutař, Pavel
2023 - English Testování tenkých filmů pomocí "Bulge testu" je experimentální technika která zahrnuje použití numerických a analytických přístupů k charakterizaci mechanických vlastností tenkých vrstev. Tato práce se zabývá některými omezeními nalezenými v klasických modelech, které popisují chování tenkých vrstev podrobených tomuto testu. Za tímto účelem byly vyvinuty nové modely a numerické strategie pro stanovení různých mechanických vlastností jednovrstvých a dvouvrstvých tenkých vrstev za odlišných strukturních podmínek, jako je elasticita, plasticita a lom. Kombinací metody konečných prvků a klasických analytických řešení byly navrženy a ověřeny různé metodiky pro výpočet elastických vlastností (E a v), zbytkových napětí, meze kluzu a lomové houževnatosti. Mechanické vlastnosti filmů z nitridu křemíku, hliníku a zlata byly charakterizovány pomocí experimentálních dat o zatížení-průhybu získaných z měření. Stanovené vlastnosti vykazovaly uspokojivou shodu s což potvrdilo, že metody navržené v této práci mohou být užitečné pro odhad mechanických vlastností se známými materiálovými vlastnostmi tenkých vrstev. Bulge testing is an experimental technique that involves the use of numerical and analytical approaches to characterize the mechanical properties of thin films. This thesis addresses some limitations found in the classical models that describe the behavior of thin films subjected to this test. This required the development of new models and numerical strategies in order to determine several mechanical properties of monolayer and bilayer thin films under different structural conditions, such as elasticity, plasticity, and fracture. By combining finite element analysis and classical analytical solutions, different methodologies for calculating the elastic properties (E and v), residual stresses, yield stress, and fracture toughness were proposed and validated. The mechanical properties of silicon nitride, aluminum, and gold films were characterized using load-deflection experimental data obtained from bulging measurements. The determined properties showed reasonable agreement with materials of known properties, which validated that the proposed methods in this work can be useful for estimating the mechanical properties of freestanding thin films. Keywords: Bulge test; thin film; finite element analysis; load-deflection; elastic properties; yield stress; fracture toughness; Bulge; tenký film; analýza metodou konečných prvků; elastické vlastnosti; mez kluzu; Lomová houževnatost Available in a digital repository NRGL Stanovení mechanických vlastností tenkých filmů pomocí numerického modelování experimentálních testů

Testování tenkých filmů pomocí "Bulge testu" je experimentální technika která zahrnuje použití numerických a analytických přístupů k charakterizaci mechanických vlastností tenkých vrstev. Tato práce ...

Tinoco Navarro, Hector Andres; Jančo,, Roland; Klusák,, Jan; Hutař, Pavel
Vysoké učení technické v Brně, 2023

Processing of metallic materials by Selective Laser Melting at elevated temperatures
Malý, Martin; Filho, Sergio de Traglia Amancio; Dr. Michael R. Tucker; Koutný, Daniel
2023 - English Tato disertační práce se zabývá vlivem předehřevu na výrobu komponent 3D tiskem kovů technologií Selective Laser Melting (SLM), také známou pod označením Laser Powder Bed Fusion (LPBF). V práci je obsažen přehled současného stavu poznání v oblasti realizace předehřevu a fyzikální podstaty předehřevu. Dále je v práci obsažen přehled vlivu předehřevu na konkrétní typy materiálů. Mezi tyto typy materiálů byly zařazeny titanové, intermetalické, niklové a hliníkové slitiny a měď. Z rešeršní části byly identifikovány perspektivní oblasti, které doposud nebyly dostatečně zkoumány, a kde by předehřev mohl vést k zefektivnění technologie LPBF a rozšíření oblasti zpracovatelných materiálů. Mezi tyto oblasti bylo zařazeno zkoumání vlivu předehřevu v kombinaci s dalšími procesními parametry na zbytková napětí u slitiny Ti6Al4V, vliv předehřevu na niklovou slitinu Inconel 939 a na měď. Předpokladem u Ti6Al4V a Inconelu 939 bylo, že předehřev sníží zbytková napětí a bude tak možné snížit množství podpůrných struktur během výroby, což by vedlo k zefektivnění technologie. Tato hypotéza byla zamítnuta, protože i přes snížení zbytkových napětí u Ti6Al4V nedošlo k jejich eliminaci a navíc, došlo k rychlé degradaci nepoužitého prášku, což zvyšuje náklady na výrobu. U Inconelu 939 dokonce zvýšená teplota vedla k vyšším deformacím, a tedy zbytkovým napětím v důsledku evoluce karbidické fáze. Další perspektivní oblastí, kde by předehřev mohl vést k zvýšení portfolia zpracovatelných materiálů, je měď. Měď je díky vysoké tepelné vodivosti a odrazivosti laserového záření považována za obtížně zpracovatelnou technologií LPBF. Z experimentů byl potvrzen velice pozitivní vliv předehřevu na relativní hustotu vzorků. Vzorky dosáhly hodnot relativní hustoty přes 99 % pokud byly tisknuty s předehřevem 400 °C. Bylo tedy experimentálně ověřeno, že předehřev může významně zlepšit zpracovatelnost skupiny materiálů, které mají nízkou pohltivost laserového záření a materiálů s vysokou teplenou vodivostí. Všechny výsledky vedou k lepšímu pochopení chování materiálů během zpracování technologií LPBF a mohou vést k jejímu rozšíření do dalších průmyslových odvětví. Výsledky jsou shrnuty ve třech publikacích, které byly vydány ve vědeckých časopisech. This dissertation thesis deals with the influence of preheating on the components produced using Selective Laser Melting (SLM), also known as Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology. The thesis contains an overview of the current state of knowledge in the field of preheating and the physical nature of preheating. Furthermore, the work contains an overview of the effect of preheating on specific types of materials. These types of materials included in the state of the art are titanium, intermetallic, nickel and aluminium alloys, and copper. From the state of knowledge, promising research areas were identified, where preheating could lead to more efficient production using LPBF technology and to expansion of the area of processable materials. These areas include the investigation of the effect of preheating in combination with other process parameters on the residual stresses of Ti6Al4V alloy, the effect of preheating on nickel alloy Inconel 939 and copper. The premise of the Ti6Al4V and Inconel 939 topics was that preheating would reduce residual stresses, and thus will be possible to reduce the necessary amount of support structures. The results can lead to more cost-effective production using LPBF technology. This hypothesis was rejected. Despite the reduction in residual stresses in Ti6Al4V, they were not fully eliminated and, in addition, a rapid degradation of unused powder was detected, which increases production costs. The preheating of the Inconel 939, against the assumption based on behaviour of other materials, led to higher deformations and thus residual stresses, due to the evolution of precipitates. Another selected area where preheating could lead to an increase in the portfolio of processable materials is the processing of copper. Copper is a difficult to process material using LPBF technology due to its high thermal conductivity and laser reflectivity. The experiments confirmed a very positive effect of preheating on the relative density of the samples. The samples reached relative density values of over 99% when fabricated with preheating at 400 °C. Thus, preheating can significantly improve the process ability of reflective and high conductive materials. All of the results lead to a better understanding of the behaviour of the materials during processing by LPBF technology and may lead to its further expansion to more industries. The results are summarized in three publications that have been published in scientific journals. Keywords: Laser powder bed fusion; Selective laser melting; residual stress; preheating; Ti6Al4V; Inconel; copper; Laser powder bed fusion; Selective laser melting; zbytková napětí; předehřev; Ti6Al4V; Inconel; měď Available in a digital repository NRGL Processing of metallic materials by Selective Laser Melting at elevated temperatures

Tato disertační práce se zabývá vlivem předehřevu na výrobu komponent 3D tiskem kovů technologií Selective Laser Melting (SLM), také známou pod označením Laser Powder Bed Fusion (LPBF). V práci je ...

Malý, Martin; Filho, Sergio de Traglia Amancio; Dr. Michael R. Tucker; Koutný, Daniel
Vysoké učení technické v Brně, 2023