Derivative-free optimization and filter methods to solve nonlinear constrained problems

In real optimization problems, usually the analytical expression of the objective function is not known, nor its derivatives, or they are complex. In these cases it becomes essential to use optimization methods where the calculation of the derivatives, or the verification of their existence, is not necessary: the Direct Search Methods or Derivative-free Methods are one solution. When the problem has constraints, penalty functions are often used. Unfortunately the choice of the penalty parameters is, frequently, very difficult, because most strategies for choosing it are heuristics strategies. As an alternative to penalty function appeared the filter methods. A filter algorithm introduces a function that aggregates the constrained violations and constructs a biobjective problem. In this problem the step is accepted if it either reduces the objective function or the constrained violation. This implies that the filter methods are less parameter dependent than a penalty function. In this work, we present a new direct search method, based on simplex methods, for general constrained optimization that combines the features of the simplex method and filter methods. This method does not compute or approximate any derivatives, penalty constants or Lagrange multipliers. The basic idea of simplex filter algorithm is to construct an initial simplex and use the simplex to drive the search. We illustrate the behavior of our algorithm through some examples. The proposed methods were implemented in Java.

Derivative-free nonlinear optimization filter simplex

The filter method is a technique for solving nonlinear programming problems. The filter algorithm has two phases in each iteration. The first one reduces a measure of infeasibility, while in the second the objective function value is reduced. In real optimization problems, usually the objective function is not differentiable or its derivatives are unknown. In these cases it becomes essential to use optimization methods where the calculation of the derivatives or the verification of their existence is not necessary: direct search methods or derivative-free methods are examples of such techniques. In this work we present a new direct search method, based on simplex methods, for general constrained optimization that combines the features of simplex and filter methods. This method neither computes nor approximates derivatives, penalty constants or Lagrange multipliers.

Numerical optimization experiments using the hyperbolic smoothing strategy to solve MPCC

In this work we solve Mathematical Programs with Complementarity Constraints using the hyperbolic smoothing strategy. Under this approach, the complementarity condition is relaxed through the use of the hyperbolic smoothing function, involving a positive parameter that can be decreased to zero. An iterative algorithm is implemented in MATLAB language and a set of AMPL problems from MacMPEC database were tested.

Optimization, high availability and redundancy in information communications and technology using networks and systems virtualization architectures

Mestrado em Engenharia Informática

The development and optimization of a modified single-drop microextraction method for organochlorine pesticides determination by gas chromatography-tandem mass spectrometry

We have developed a new method for single-drop microextraction (SDME) for the preconcentration of organochlorine pesticides (OCP) from complex matrices. It is based on the use of a silicone ring at the tip of the syringe. A 5 μL drop of n-hexane is applied to an aqueous extract containing the OCP and found to be adequate to preconcentrate the OCPs prior to analysis by GC in combination with tandem mass spectrometry. Fourteen OCP were determined using this technique in combination with programmable temperature vaporization. It is shown to have many advantages over traditional split/splitless injection. The effects of kind of organic solvent, exposure time, agitation and organic drop volume were optimized. Relative recoveries range from 59 to 117 %, with repeatabilities of <15 % (coefficient of variation) were achieved. The limits of detection range from 0.002 to 0.150 μg kg−1. The method was applied to the preconcentration of OCPs in fresh strawberry, strawberry jam, and soil.

Optimization of QuEChERS method for the analysis of organochlorine pesticides in soils with diverse organic matter

A QuEChERS method has been developed for the determination of 14 organochlorine pesticides in 14 soils from different Portuguese regions with wide range composition. The extracts were analysed by GC-ECD (where GC-ECD is gas chromatography-electron-capture detector) and confirmed by GC-MS/MS (where MS/MS is tandem mass spectrometry). The organic matter content is a key factor in the process efficiency. An optimization was carried out according to soils organic carbon level, divided in two groups: HS (organic carbon>2.3%) and LS (organic carbon<2.3%). Themethod was validated through linearity, recovery, precision and accuracy studies. The quantification was carried out using a matrixmatched calibration to minimize the existence of the matrix effect. Acceptable recoveries were obtained (70–120%) with a relative standard deviation of ≤16% for the three levels of contamination. The ranges of the limits of detection and of the limits of quantification in soils HS were from 3.42 to 23.77 μg kg−1 and from 11.41 to 79.23 μg kg−1, respectively. For LS soils, the limits of detection ranged from 6.11 to 14.78 μg kg−1 and the limits of quantification from 20.37 to 49.27 μg kg−1. In the 14 collected soil samples only one showed a residue of dieldrin (45.36 μg kg−1) above the limit of quantification. This methodology combines the advantages of QuEChERS, GC-ECD detection and GC-MS/MS confirmation producing a very rapid, sensitive and reliable procedure which can be applied in routine analytical laboratories.

Optimization and validation of organochlorine compounds in adipose tissue by SPE-gas chromatography

Scientific evidence has shown an association between organochlorine compounds (OCC) exposure and human health hazards. Concerning this, OCC detection in human adipose samples has to be considered a public health priority. This study evaluated the efficacy of various solid-phase extraction (SPE) and cleanup methods for OCC determination in human adipose tissue. Octadecylsilyl endcapped (C18-E), benzenesulfonic acid modified silica cation exchanger (SA), poly (styrene-divinylbenzene (EN) and EN/RP18 SPE sorbents were evaluated. The relative sample cleanup provided by these SPE columns was evaluated using gas chromatography with electron capture detection (GC–ECD). The C18-E columns with strong homogenization were found to provide the most effective cleanup, removing the greatest amount of interfering substance, and simultaneously ensuring good analyte recoveries higher than 70%. Recoveries>70% with standard deviations (SD)<15% were obtained for all compounds under the selected conditions. Method detection limits were in the 0.003–0.009 mg/kg range. The positive samples were confirmed by gas chromatography coupled with tandem mass spectrometry (GC-MS/MS). The highest percentage found of the OCC in real samples corresponded to HCB, o,p′-DDT and methoxychlor, which were detected in 80 and 95% of samples analyzed respectively. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Análise voltamétrica da ciprofloxacina – aplicação a medicamentos e a remediação

O presente trabalho tem como objectivo o desenvolvimento de um método analítico, baseado na voltametria de onda quadrada (SWV), para a análise de ciprofloxacina (CIP) em produtos farmacêuticos e em processos de remediação. Para o desenvolvimento do método voltamétrico foram utilizadas duas células voltamétricas: a célula clássica (utilizando um eléctrodo de trabalho de carbono vítreo - GCE) e um eléctrodo de carbono impresso (SPCE). Após a optimização dos parâmetros da SWV, pH (3,04), frequência (400Hz), incremento de potencial (6 mV) e amplitude do impulso de potencial (40 mV), procedeu-se a validação dos métodos, obtendo-se zonas lineares entre a concentração de CIP e a intensidade de corrente de pico de 5,0×10-6 a 6,0×10-5 mol/L (GCE) e de 1,0×10-5 a 4,0×10-5 mol/L (SPCE) e limites de detecção de 9,48×10-6 mol/L (GCE) e 2,13×10-6 mol/L (SPCE). Verificou-se que a sensibilidade, a precisão e a selectividade são superiores para o SPCE, sendo por isso esta a célula mais adequada para proceder à análise da CIP em produtos farmacêuticos. O SPCE foi aplicado com sucesso à análise de CIP num produto farmacêutico. Para o tratamento de soluções aquosas contendo a CIP foram testados dois oxidantes: o permanganato de potássio e o peróxido de hidrogénio. Para o peróxido de hidrogénio os resultados obtidos foram inconclusivos. No caso do permanganato de potássio, os resultados mostram que a degradação da ciprofloxacina depende da concentração do oxidante. Para uma concentração de CIP de 3,00×10-4 mol/L uma degradação rápida foi obtida com o uso de 6,00×10-3 mol/L de permanganato de potássio. Na aplicação do permanganato na remediação de solos verificou-se que no caso de solos húmicos a ciprofloxacina é adsorvida pelo solo, não sendo possível confirmar a ocorrência da reacção de degradação. No caso de solos arenosos verificou-se que a ciprofloxacina foi rapidamente degradada pelo permanganato de potássio.

Actuador linear para teste de teclas na indústria automóvel

As indústrias de componentes e acessórios automóveis são um elo fundamental no processo produtivo da indústria automóvel. Neste leque industrial encontra-se a Preh Portugal, Lda, como empresa fornecedora de componentes electrónicos, mais concretamente, painéis de controlo de climatização. Os painéis fornecidos pela Preh aos seus clientes encontram-se sujeitos a rigorosos testes de qualidade e funcionalidade. Neste sentido o teste funcional das teclas surge, relacionando o curso da tecla em função de uma força actuante. Esta relação está comprometida com uma curva característica padrão para o tipo de tecla. Para além destes compromissos, também é necessário que a tecla feche e abra o seu contacto eléctrico. Esta tese foca-se no desenvolvimento do teste de teclas, apresentando uma alteração ao sistema actual com a introdução de um sistema embebido, no intuito de flexibilizar o sistema de teste e reduzindo custos. O sistema embebido pretende dar capacidade de processamento ao teste e, desta forma, substituir o actual computador como elemento de processamento. A solução implementada consistiu numa mudança estrutural, através da inclusão do sistema embebido entre o computador e o sistema de deslocamento. Passando o foco central do processo de teste a residir no sistema embebido, este tem de estabelecer comunicações com os restantes elementos intervenientes no teste. Estabelece comunicações série RS-232 com o sistema de deslocamento (leitura do curso e força na tecla), Ethernet com o computador (comandos, parâmetros e resultados) e CAN com o painel de controlo de climatização (fecho/abertura do contacto eléctrico). A concretização deste projecto resultou numa nova estrutura e aplicação, a qual é facilmente integrada na linha de produção com as vantagens de ser menos onerosa e mais flexível, conforme o pretendido.

Modelo de otimização do espaço livre de armazenagem num silo de cereais

Este trabalho baseia-se num caso de estudo real de planeamento de operações de armazenagem num silo rural de cereais, e enquadra-se nos problemas de planeamento e programação de armazéns. Os programadores deparam-se diariamente com o problema de arranjar a melhor solução de transferência entre células de armazenagem, tentando maximizar o número de células vazias, por forma a ter maior capacidade para receber novos lotes, respeitando as restrições de receção e expedição, e as restrições de capacidade das linhas de transporte. Foi desenvolvido um modelo matemático de programação linear inteira mista e uma aplicação em Excel, com recurso ao VBA, para a sua implementação. Esta implementação abrangeu todo o processo relativo à atividade em causa, isto é, vai desde a recolha de dados, seu tratamento e análise, até à solução final de distribuição dos vários produtos pelas várias células. Os resultados obtidos mostram que o modelo otimiza o número de células vazias, tendo em conta os produtos que estão armazenados mais os que estão para ser rececionados e expedidos, em tempo computacional inferior a 60 segundos, constituindo, assim, uma importante mais valia para a empresa em causa.

Desenvolvimento de um sensor óptico para determinação de Norfloxacina

A presente dissertação descreve o desenvolvimento e a caracterização de sensores ópticos com base em membranas de poli(cloreto de vinilo), PVC, para determinação de Norfloxacina em amostras do sector da aquacultura. Estes sensores basearam-se na reacção colorimétrica entre um metal imobilizado em PVC e a Norfloxacina. O metal foi escolhido com base em ensaios prévios de reacção colorimétrica entre a Norfloxacina e várias espécies metálicas, nomeadamente, Fe(III), Al(III), Pb(II), Aluminon, Mo(II), Mn(II), Ni(II), Cu(II), Co(II), Sn(II) e V(V). A reacção mais intensa foi obtida com o Fe(III). Neste sentido, numa primeira fase foram desenvolvidos sensores baseados em Fe(III). O efeito de alguns parâmetros experimentais na resposta desses sensores foi avaliado de modo univariado. Incluem-se aqui o efeito do pH, avaliado entre 2,00 e 6,00, e o da concentração de Fe(III), variada entre cerca de 1,00x10-5 M e 2,00x10-4 M. Os melhores valores foram obtidos a pH 3, para o qual se verificou um comportamento linear entre cerca de 1,00x10-5 M e 1,70x10-4 M de Fe(III). Utilizando as condições seleccionadas anteriormente, procedeu-se à caracterização do complexo sob ponto de vista químico. Os valores obtidos apontaram para a necessidade de um excesso de Fe(III) de, pelo menos, 10 vezes, no sentido de garantir a máxima extensão de complexação. O complexo referido apresentou, nestas condições, um comportamento linear ao longo do intervalo de concentrações de cerca de 7,00x10-5 M a 7,00x10-4 M em NOR. O complexo formado foi estável ao longo de 90 minutos. As condições óptimas para análise desse complexo numa superfície sólida foram obtidas após avaliação do efeito da quantidade de Fe(III) e do tipo e quantidade de solvente mediador (o-nitrofenil octil éter, di-n-octilftalato, dibutilftalato, bis(etilhexil)sebacato, bis(etilhexil)ftalato). O bis(etilhexil)sebacato foi o solvente mediador escolhido e a relação de quantidade entre o PVC e o solvente mediador foi igual a 1:2. O procedimento de preparação do sensor sólido e subsequente optimização foi aplicado a outras espécies metálicas, para além do Fe(III), tais como, Cu(II), Mn(II) e aluminon. A conjugação de todos estes metais permitiu desenvolver um array de sensores para despistagem de Norfloxacina em águas de aquacultura. Algumas membranas sensoras foram aplicadas com sucesso no controlo de Norfloxacina em amostras de águas ambientais dopadas. Os resultados obtidos com membranas de Fe(III) e Cu(II) foram exactos, tendo-se registado valores de concentração próximos dos reais. O método proposto permitiu, por isso, a despistagem rápida e eficaz da presença de um antibiótico em águas ambientais, permitindo ainda o seu doseamento a um baixo custo. Numa perspectiva de rotina, e tendo em vista a despistagem deste antibiótico, este método revelou-se mais rápido e mais barato do que os demais métodos descritos na literatura para este efeito.

Flow amperometric determination of carbofuran and fenobucarb

A simple, rapid, and precise amperometric method for quantification of N-methylcarbamate pesticides in water samples and phytopharmaceuticals is presented. Carbofuran and fenobucarb are the target analytes. The method is developed in flow conditions providing the anodic oxidation of phenolic-based compounds formed after alkaline hydrolysis. Optimization of instrumental and chemical variables is presented. Under the optimal conditions, the amperometric signal is linear for carbofuran and fenobucarb concentrations over the range of 1.0*10-7 to 1.0*10-5 molL-1, with a detection limit of about 2 ngmL-1. The amperometric method is successfully applied to the analysis of spiked environmental waters and commercial formulations. The proposed method allows 90 samples to be analysed per hour, using 500 mL of sample, and producing wastewaters of low toxicity. The proposed method permits determinations at the mgL 1 level and offers advantages of simplicity, accuracy, precision, and applicability to coloured and turbid samples, and automation feasibility.

A literature review on the optimization of legged robots

Over the last two decades the research and development of legged locomotion robots has grown steadily. Legged systems present major advantages when compared with ‘traditional’ vehicles, because they allow locomotion in inaccessible terrain to vehicles with wheels and tracks. However, the robustness of legged robots, and especially their energy consumption, among other aspects, still lag behind mechanisms that use wheels and tracks. Therefore, in the present state of development, there are several aspects that need to be improved and optimized. Keeping these ideas in mind, this paper presents the review of the literature of different methods adopted for the optimization of the structure and locomotion gaits of walking robots. Among the distinct possible strategies often used for these tasks are referred approaches such as the mimicking of biological animals, the use of evolutionary schemes to find the optimal parameters and structures, the adoption of sound mechanical design rules, and the optimization of power-based indexes.

Optimization of Cu(II) biosorption onto ascophyllum nodosum by factorial design methodology

A Box–Behnken factorial design coupled with surface response methodology was used to evaluate the effects of temperature, pH and initial concentration in the Cu(II) sorption process onto the marine macroalgae Ascophyllum nodosum. The effect of the operating variables on metal uptake capacitywas studied in a batch system and a mathematical model showing the influence of each variable and their interactions was obtained. Study ranges were 10–40ºC for temperature, 3.0–5.0 for pH and 50–150mgL−1 for initial Cu(II) concentration. Within these ranges, the biosorption capacity is slightly dependent on temperature but markedly increases with pH and initial concentration of Cu(II). The uptake capacities predicted by the model are in good agreement with the experimental values. Maximum biosorption capacity of Cu(II) by A. nodosum is 70mgg−1 and corresponds to the following values of those variables: temperature = 40ºC, pH= 5.0 and initial Cu(II) concentration = 150mgL−1.

Rapid determination of tartaric acid in wines

A flow-spectrophotometric method is proposed for the routine determination of tartaric acid in wines. The reaction between tartaric acid and vanadate in acetic media is carried out in flowing conditions and the subsequent colored complex is monitored at 475 nm. The stability of the complex and the corresponding formation constant are presented. The effect of wavelength and pH was evaluated by batch experiments. The selected conditions were transposed to a flowinjection analytical system. Optimization of several flow parameters such as reactor lengths, flow-rate and injection volume was carried out. Using optimized conditions, a linear behavior was observed up to 1000 µg mL-1 tartaric acid, with a molar extinction coefficient of 450 L mg-1 cm-1 and ± 1 % repeatability. Sample throughput was 25 samples per hour. The flow-spectrophotometric method was satisfactorily applied to the quantification of tartaric acid (TA) in wines from different sources. Its accuracy was confirmed by statistical comparison to the conventional Rebelein procedure and to a certified analytical method carried out in a routine laboratory.