A fractional approach to the Fermi-Pasta-Ulam problem

This paper studies the Fermi-Pasta-Ulam problem having in mind the generalization provided by Fractional Calculus (FC). The study starts by addressing the classical formulation, based on the standard integer order differential calculus and evaluates the time and frequency responses. A first generalization to be investigated consists in the direct replacement of the springs by fractional elements of the dissipative type. It is observed that the responses settle rapidly and no relevant phenomena occur. A second approach consists of replacing the springs by a blend of energy extracting and energy inserting elements of symmetrical fractional order with amplitude modulated by quadratic terms. The numerical results reveal a response close to chaotic behaviour.

Optimal controllers with complex order derivatives

This paper studies the optimization of complex-order algorithms for the discrete-time control of linear and nonlinear systems. The fundamentals of fractional systems and genetic algorithms are introduced. Based on these concepts, complexorder control schemes and their implementation are evaluated in the perspective of evolutionary optimization. The results demonstrate not only that complex-order derivatives constitute a valuable alternative for deriving control algorithms, but also the feasibility of the adopted optimization strategy.

Fractional central pattern generators for bipedal locomotion

Locomotion has been a major research issue in the last few years. Many models for the locomotion rhythms of quadrupeds, hexapods, bipeds and other animals have been proposed. This study has also been extended to the control of rhythmic movements of adaptive legged robots. In this paper, we consider a fractional version of a central pattern generator (CPG) model for locomotion in bipeds. A fractional derivative D α f(x), with α non-integer, is a generalization of the concept of an integer derivative, where α=1. The integer CPG model has been proposed by Golubitsky, Stewart, Buono and Collins, and studied later by Pinto and Golubitsky. It is a network of four coupled identical oscillators which has dihedral symmetry. We study parameter regions where periodic solutions, identified with legs’ rhythms in bipeds, occur, for 0<α≤1. We find that the amplitude and the period of the periodic solutions, identified with biped rhythms, increase as α varies from near 0 to values close to unity.

Fractional dynamics in the trajectory control of redundant manipulators

Under the pseudoinverse control, robots with kinematical redundancy exhibit an undesirable chaotic joint motion which leads to an erratic behavior. This paper studies the complexity of fractional dynamics of the chaotic response. Fourier and wavelet analysis provides a deeper insight, helpful to know better the lack of repeatability problem of redundant manipulators. This perspective for the study of the chaotic phenomena will permit the development of superior trajectory control algorithms.

Riesz potential versus fractional Laplacian

This paper starts by introducing the Grünwald–Letnikov derivative, the Riesz potential and the problem of generalizing the Laplacian. Based on these ideas, the generalizations of the Laplacian for 1D and 2D cases are studied. It is presented as a fractional version of the Cauchy–Riemann conditions and, finally, it is discussed with the n-dimensional Laplacian.

Riesz potential versus fractional Laplacian

This paper starts by introducing the Grünwald–Letnikov derivative, the Riesz potential and the problem of generalizing the Laplacian. Based on these ideas, the generalizations of the Laplacian for 1D and 2D cases are studied. It is presented as a fractional version of the Cauchy–Riemann conditions and, finally, it is discussed with the n-dimensional Laplacian.

Efficient Legendre spectral tau algorithm for solving two-sided space-time Caputo fractional advection-dispersion equation

In this paper we present the operational matrices of the left Caputo fractional derivative, right Caputo fractional derivative and Riemann–Liouville fractional integral for shifted Legendre polynomials. We develop an accurate numerical algorithm to solve the two-sided space–time fractional advection–dispersion equation (FADE) based on a spectral shifted Legendre tau (SLT) method in combination with the derived shifted Legendre operational matrices. The fractional derivatives are described in the Caputo sense. We propose a spectral SLT method, both in temporal and spatial discretizations for the two-sided space–time FADE. This technique reduces the two-sided space–time FADE to a system of algebraic equations that simplifies the problem. Numerical results carried out to confirm the spectral accuracy and efficiency of the proposed algorithm. By selecting relatively few Legendre polynomial degrees, we are able to get very accurate approximations, demonstrating the utility of the new approach over other numerical methods.

Nonlinear Dynamics for Local Fractional Burgers Equation Arising in Fractal Flow

The local fractional Burgers’ equation (LFBE) is investigated from the point of view of local fractional conservation laws envisaging a nonlinear local fractional transport equation with a linear non-differentiable diffusion term. The local fractional derivative transformations and the LFBE conversion to a linear local fractional diffusion equation are analyzed.

Bipedal Locomotion: A Fractional CPG for Generating Patterns

Proceedings of the 10th Conference on Dynamical Systems Theory and Applications

Fractional Dynamics in Forest Fires

Every year forest fires consume large areas, being a major concern in many countries like Australia, United States and Mediterranean Basin European Countries (e.g., Portugal, Spain, Italy and Greece). Understanding patterns of such events, in terms of size and spatiotemporal distributions, may help to take measures beforehand in view of possible hazards and decide strategies of fire prevention, detection and suppression. Traditional statistical tools have been used to study forest fires. Nevertheless, those tools might not be able to capture the main features of fires complex dynamics and to model fire behaviour [1]. Forest fires size-frequency distributions unveil long range correlations and long memory characteristics, which are typical of fractional order systems [2]. Those complex correlations are characterized by self-similarity and absence of characteristic length-scale, meaning that forest fires exhibit power-law (PL) behaviour. Forest fires have also been proved to exhibit time-clustering phenomena, with timescales of the order of few days [3]. In this paper, we study forest fires in the perspective of dynamical systems and fractional calculus (FC). Public domain forest fires catalogues, containing data of events occurred in Portugal, in the period 1980 up to 2011, are considered. The data is analysed in an annual basis, modelling the occurrences as sequences of Dirac impulses. The frequency spectra of such signals are determined using Fourier transforms, and approximated through PL trendlines. The PL parameters are then used to unveil the fractional-order dynamics characteristics of the data. To complement the analysis, correlation indices are used to compare and find possible relationships among the data. It is shown that the used approach can be useful to expose hidden patterns not captured by traditional tools.

Adaptive tackling of the swinging problem for a 2 DOF crane – payload system

The control of a crane carrying its payload by an elastic string corresponds to a task in which precise, indirect control of a subsystem dynamically coupled to a directly controllable subsystem is needed. This task is interesting since the coupled degree of freedom has little damping and it is apt to keep swinging accordingly. The traditional approaches apply the input shaping technology to assist the human operator responsible for the manipulation task. In the present paper a novel adaptive approach applying fixed point transformations based iterations having local basin of attraction is proposed to simultaneously tackle the problems originating from the imprecise dynamic model available for the system to be controlled and the swinging problem, too. The most important phenomenological properties of this approach are also discussed. The control considers the 4th time-derivative of the trajectory of the payload. The operation of the proposed control is illustrated via simulation results.

Impacto da introdução de baterias num SEE isolado: o caso da ilha da Madeira

Com a crescente integração de energias renováveis variáveis nos sistemas elétricos de energia surgem novos desafios à maneira como se efetua a exploração dos mesmos, devido à dificuldade na previsão produção e na controlabilidade destas energias. Estes desafios são ainda maiores quando se analisa uma rede elétrica isolada de pequenas dimensões sem possibilidade de ser interligada a uma rede continental, por apresentar uma maior fragilidade e dai resultarem critérios de exploração muito mais apertados, de forma a garantir da melhor forma a segurança e estabilidade da rede. Consequentemente existe a necessidade de serem adotadas medidas que atenuem os impactos da variabilidade e tornem mais previsíveis as energias renováveis. É neste âmbito que surgem as tecnologias de armazenamento de energia elétrica. O presente documento apresenta um estudo aprofundado ao sistema eletroprodutor da ilha da Madeira e às suas especificidades, analisando a viabilidade técnica da introdução de baterias em larga escala no sistema. De forma a realizar esta análise, criou-se uma ferramenta de simulação em Matlab, que visou quantificar o impacto da introdução de baterias, quer ao nível da integração de energia eólica, quer ao nível da redução da produção térmica. Esta ferramenta permite ainda uma análise gráfica do diagrama de produção agregado diário, assim como a evolução de potência e energia na bateria.

Rhapsody in fractional

This paper studies several topics related with the concept of “fractional” that are not directly related with Fractional Calculus, but can help the reader in pursuit new research directions. We introduce the concept of non-integer positional number systems, fractional sums, fractional powers of a square matrix, tolerant computing and FracSets, negative probabilities, fractional delay discrete-time linear systems, and fractional Fourier transform.

Rhapsody in Fractional

This paper studies several topics related with the concept of “fractional” that are not directly related with Fractional Calculus, but can help the reader in pursuit new research directions. We introduce the concept of non-integer positional number systems, fractional sums, fractional powers of a square matrix, tolerant computing and FracSets, negative probabilities, fractional delay discrete-time linear systems, and fractional Fourier transform.

Produção de Biodiesel em reator de ultrassons

A contínua subida dos preços dos combustíveis fósseis tradicionais aliada à crescente pressão por parte de várias instituições mundiais para uma política “verde” no que diz respeito aos combustíveis, levam a um aumento da procura dos biocombustíveis e é neste contexto que surge o biodiesel como um dos principais intervenientes. O biodiesel pode ser definido como um derivado éster monoalquílico de ácidos gordos de cadeia longa proveniente de fontes renováveis como óleos vegetais ou gorduras animais e que apresenta características semelhantes ao diesel de petróleo, podendo ser utilizado sem qualquer problema em motores de ignição por compressão. Este trabalho apresenta como principal objetivo o estudo da aplicação da tecnologia de ultrassons na produção de biodiesel. Foi utilizado neste trabalho como matéria-prima um óleo doméstico usado. Este óleo foi previamente filtrado sendo depois analisado o seu índice de acidez para avaliar o seu teor em ácidos gordos livres. O valor obtido para o índice de acidez do óleo foi de 1,91 mg KOH/g, um valor relativamente baixo permitindo a sua utilização sem ser necessário um tratamento inicial via esterificação para diminuir a acidez do mesmo. Foram realizados três ensaios de reação independentes, o primeiro recorrendo ao método tradicional de produção de biodiesel através de transesterificação e recorrendo a agitação mecânica e aquecimento, o segundo utilizando uma sonda de ultrassons com a potência de 500 W e um terceiro ensaio de reação utilizando uma sonda de ultrassons de 2000 W. Em todas as reações foi utilizada uma proporção de 1:5 de óleo usado e metanol e 0,5 % (em relação á massa de óleo utilizada) de catalisador metilato de sódio. Todas as alíquotas recolhidas durante os ensaios foram analisadas através de cromatografia gasosa de modo a determinar o conteúdo em ésteres presente em cada uma delas. A reação convencional teve uma duração total de 150 minutos e decorreu a uma temperatura de 65ºC e a agitação constante de 500 rpm. Ao longo da reação foram retiradas alíquotas de cerca de 25 ml, que foram tratadas de imediato e posteriormente analisadas de modo a estudar-se o comportamento da reação ao longo do tempo. A percentagem de ésteres metílicos no biodiesel obtida ao fim de 90 minutos foi de 81,3%. Em seguida realizou-se uma reação utilizando uma sonda de ultrassons de 500 W de potência mergulhada num recipiente reacional devidamente isolado com uma rolha de cortiça de modo a minimizar as perdas de metanol por evaporação. O tempo total de reação foi de 90 minutos e foram-se retirando alíquotas de cerca de 25 ml para acompanhar o desenrolar da reação, tendo-se obtido uma percentagem de ésteres metílicos de 85,9% ao fim dos 90 minutos. Foi realizada por fim um terceiro ensaio de reação utilizando uma sonda de 2000 W com uma duração total de 90 minutos, tendo-se obtido resultados pouco satisfatórios (77,7%), provavelmente devido a algum problema operacional relacionado com a sonda de ultrassons utilizada ou devido a uma geometria do reator pouco eficiente. Os produtos resultantes da reação convencional e da reação utilizando a sonda de ultrassons de 500 W, assim como o óleo utilizado como matéria-prima foram caracterizados em termos de índice de acidez, densidade a 15ºC e viscosidade a 40ºC.