Mohamed Zain, Munib (2026) Control of Forced Duffing Oscillators Using Adaptive, Passive-Active, and Koopman-Based Methods. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Munib_Final_Thesis_Signed.pdf Restricted to Repository staff only until 30 August 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

تدرس هذه الرسالة التحكم في اهتزازات Duffing القسرية باستخدام طرق تكيفية، وطرق تجمع بين التحكم النشط والعناصر السلبية، وطرق مبنية على مؤثر Koopman. ويستخدم مذبذب Duffing كنموذج رئيسي لأنه يمثل سلوكا اهتزازيا غير خطي مهما، مثل قفزات السعة، والهسترة، وتعدد الاستجابات المستقرة، والحساسية للاضطرابات، والحركة بين مناطق مختلفة في فضاء الحالة. تجعل هذه الخصائص مسألة التحكم صعبة عند وجود ضوضاء، أو عند الحاجة إلى تقليل قوة التحكم النشط، أو عند استخدام نموذج تنبؤي مبني على البيانات ويجب أن يبقى دقيقا على أفق طويل. تقدم الرسالة أربع دراسات. تقارن الدراسة الأولى بين التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي PID، والتحكم بنمط الانزلاق ذي الكسب الثابت SMC، والتحكم التكيفي بنمط الانزلاق ASMC لمذبذب Duffing مزدوج ومفعل بالكامل تحت تأثير اضطراب عشوائي مطابق. يحسن المتحكم التكيفي التتبع مع تجنب اختيار كسب تبديل ثابت ومحافظ. تجمع الدراسة الثانية بين التغذية الراجعة الإيجابية للموضع PPF والتحكم بنمط الانزلاق، وتستخدم تنسيق الطور لتقليل الطلب التوافقي على قوة التحكم. وتجمع الدراسة الثالثة بين ممتص الكتلة المضبوط TMD والتحكم بنمط الانزلاق، وتستخدم تحليل الموازنة التوافقية لضبط الممتص وتقليل الطلب على التحكم النشط ضمن مجال محدد من السعات. أما الدراسة الرابعة فتطور إطار تحكم تنبؤي مبني على مؤثر Koopman مع تقسيم فضاء الحالة لمذبذب Duffing القسري. يحسن النموذج المقسم التنبؤ طويل الأفق وسلوك التحكم المغلق عندما تكون بيانات التدريب مشوبة بالضوضاء. وبشكل عام، تبين الرسالة أن التحكم في مذبذبات Duffing يستفيد من اختيار بنية التحكم بحسب الصعوبة الأساسية في المسألة.

English Abstract

This thesis studies the control of forced Duffing oscillations using adaptive, passive--active, and Koopman-based methods. The Duffing oscillator is used as the main model because it captures important nonlinear vibration behavior, including amplitude jumps, hysteresis, multiple steady responses, sensitivity to disturbances, and motion across different regions of the phase space. These features make control difficult when the system is noisy, when the active control force must be reduced, or when a data-driven predictor must remain accurate over long horizons. Four studies are presented. The first compares PID control, fixed-gain sliding-mode control, and adaptive sliding-mode control for a fully actuated double Duffing oscillator under matched stochastic forcing. The adaptive controller improves tracking while avoiding a fixed conservative switching gain. The second study combines positive position feedback with sliding-mode control and uses phase coordination to reduce the harmonic control-force demand. The third study combines a tuned mass damper with sliding-mode control and uses harmonic-balance analysis to tune the absorber for lower active control demand over a prescribed amplitude range. The fourth study develops a state-space partitioned Koopman predictive-control framework for the forced Duffing oscillator. The partitioned model improves long-horizon prediction and closed-loop behavior when the training data are noisy. Overall, the thesis shows that Duffing oscillator control benefits from selecting the control structure according to the main difficulty of the problem.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Ali Al Saeed,
Thesis Committee Members:	Abdulrahman Alofi, Mahmoud Khater,
Depositing User:	MUNIB MOHAMED ZAIN
Date Deposited:	01 Sep 2026 06:27
Last Modified:	01 Sep 2026 06:27
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144752