Root locus of fractional linear systems

In this paper an algorithm for the calculation of the root locus of fractional linear systems is presented. The proposed algorithm takes advantage of present day computational resources and processes directly the characteristic equation, avoiding the limitations revealed by standard methods. The results demonstrate the good performance for different types of expressions.

Integer/fractional decomposition of the impulse response of fractional linear systems

The decomposition of a fractional linear system is discussed in this paper. It is shown that it can be decomposed into an integer order part, corresponding to possible existing poles, and a fractional part. The first and second parts are responsible for the short and long memory behaviors of the system, respectively, known as characteristic of fractional systems.

Linear algebra: selected problems

Linear Algebra—Selected Problems is a unique book for senior undergraduate and graduate students to fast review basic materials in Linear Algebra. Vector spaces are presented first, and linear transformations are reviewed secondly. Matrices and Linear systems are presented. Determinants and Basic geometry are presented in the last two chapters. The solutions for proposed excises are listed for readers to references.

Performance of fractional PID algorithms controlling nonlinear systems with saturation and backlash phenomena

The development of fractional-order controllers is currently one of the most promising fields of research. However, most of the work in this area addresses the case of linear systems. This paper reports on the analysis of fractional-order control of nonlinear systems. The performance of discrete fractional-order PID controllers in the presence of several nonlinearities is discussed. Some results are provided that indicate the superior robustness of such algorithms.

An Extension of Estimation of Domain of Attraction for Fractional Order Linear System Subject to Saturation Control

This paper employs the Lyapunov direct method for the stability analysis of fractional order linear systems subject to input saturation. A new stability condition based on saturation function is adopted for estimating the domain of attraction via ellipsoid approach. To further improve this estimation, the auxiliary feedback is also supported by the concept of stability region. The advantages of the proposed method are twofold: (1) it is straightforward to handle the problem both in analysis and design because of using Lyapunov method, (2) the estimation leads to less conservative results. A numerical example illustrates the feasibility of the proposed method.

Geostatistical Mapping of Outfall Plume Dispersion Data gathered with an autonomous underwater vehicle

The main purpose of this study was to examine the applicability of geostatistical modeling to obtain valuable information for assessing the environmental impact of sewage outfall discharges. The data set used was obtained in a monitoring campaign to S. Jacinto outfall, located off the Portuguese west coast near Aveiro region, using an AUV. The Matheron’s classical estimator was used the compute the experimental semivariogram which was fitted to three theoretical models: spherical, exponential and gaussian. The cross-validation procedure suggested the best semivariogram model and ordinary kriging was used to obtain the predictions of salinity at unknown locations. The generated map shows clearly the plume dispersion in the studied area, indicating that the effluent does not reach the near by beaches. Our study suggests that an optimal design for the AUV sampling trajectory from a geostatistical prediction point of view, can help to compute more precise predictions and hence to quantify more accurately dilution. Moreover, since accurate measurements of plume’s dilution are rare, these studies might be very helpful in the future for validation of dispersion models.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Automatic email organization

Introdução Actualmente, as mensagens electrónicas são consideradas um importante meio de comunicação. As mensagens electrónicas – vulgarmente conhecidas como emails – são utilizadas fácil e frequentemente para enviar e receber o mais variado tipo de informação. O seu uso tem diversos fins gerando diariamente um grande número de mensagens e, consequentemente um enorme volume de informação. Este grande volume de informação requer uma constante manipulação das mensagens de forma a manter o conjunto organizado. Tipicamente esta manipulação consiste em organizar as mensagens numa taxonomia. A taxonomia adoptada reflecte os interesses e as preferências particulares do utilizador. Motivação A organização manual de emails é uma actividade morosa e que consome tempo. A optimização deste processo através da implementação de um método automático, tende a melhorar a satisfação do utilizador. Cada vez mais existe a necessidade de encontrar novas soluções para a manipulação de conteúdo digital poupando esforços e custos ao utilizador; esta necessidade, concretamente no âmbito da manipulação de emails, motivou a realização deste trabalho. Hipótese O objectivo principal deste projecto consiste em permitir a organização ad-hoc de emails com um esforço reduzido por parte do utilizador. A metodologia proposta visa organizar os emails num conjunto de categorias, disjuntas, que reflectem as preferências do utilizador. A principal finalidade deste processo é produzir uma organização onde as mensagens sejam classificadas em classes apropriadas requerendo o mínimo número esforço possível por parte do utilizador. Para alcançar os objectivos estipulados, este projecto recorre a técnicas de mineração de texto, em especial categorização automática de texto, e aprendizagem activa. Para reduzir a necessidade de inquirir o utilizador – para etiquetar exemplos de acordo com as categorias desejadas – foi utilizado o algoritmo d-confidence. Processo de organização automática de emails O processo de organizar automaticamente emails é desenvolvido em três fases distintas: indexação, classificação e avaliação. Na primeira fase, fase de indexação, os emails passam por um processo transformativo de limpeza que visa essencialmente gerar uma representação dos emails adequada ao processamento automático. A segunda fase é a fase de classificação. Esta fase recorre ao conjunto de dados resultantes da fase anterior para produzir um modelo de classificação, aplicando-o posteriormente a novos emails. Partindo de uma matriz onde são representados emails, termos e os seus respectivos pesos, e um conjunto de exemplos classificados manualmente, um classificador é gerado a partir de um processo de aprendizagem. O classificador obtido é então aplicado ao conjunto de emails e a classificação de todos os emails é alcançada. O processo de classificação é feito com base num classificador de máquinas de vectores de suporte recorrendo ao algoritmo de aprendizagem activa d-confidence. O algoritmo d-confidence tem como objectivo propor ao utilizador os exemplos mais significativos para etiquetagem. Ao identificar os emails com informação mais relevante para o processo de aprendizagem, diminui-se o número de iterações e consequentemente o esforço exigido por parte dos utilizadores. A terceira e última fase é a fase de avaliação. Nesta fase a performance do processo de classificação e a eficiência do algoritmo d-confidence são avaliadas. O método de avaliação adoptado é o método de validação cruzada denominado 10-fold cross validation. Conclusões O processo de organização automática de emails foi desenvolvido com sucesso, a performance do classificador gerado e do algoritmo d-confidence foi relativamente boa. Em média as categorias apresentam taxas de erro relativamente baixas, a não ser as classes mais genéricas. O esforço exigido pelo utilizador foi reduzido, já que com a utilização do algoritmo d-confidence obteve-se uma taxa de erro próxima do valor final, mesmo com um número de casos etiquetados abaixo daquele que é requerido por um método supervisionado. É importante salientar, que além do processo automático de organização de emails, este projecto foi uma excelente oportunidade para adquirir conhecimento consistente sobre mineração de texto e sobre os processos de classificação automática e recuperação de informação. O estudo de áreas tão interessantes despertou novos interesses que consistem em verdadeiros desafios futuros.

Optimal tuning of fractional controllers using genetic algorithms

This study addresses the optimization of fractional algorithms for the discrete-time control of linear and non-linear systems. The paper starts by analyzing the fundamentals of fractional control systems and genetic algorithms. In a second phase the paper evaluates the problem in an optimization perspective. The results demonstrate the feasibility of the evolutionary strategy and the adaptability to distinct types of systems.

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.

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Optimal methodology for distribution systems reconfiguration based on OPF and solved by decomposition technique

This paper presents a new and efficient methodology for distribution network reconfiguration integrated with optimal power flow (OPF) based on a Benders decomposition approach. The objective minimizes power losses, balancing load among feeders and subject to constraints: capacity limit of branches, minimum and maximum power limits of substations or distributed generators, minimum deviation of bus voltages and radial optimal operation of networks. The Generalized Benders decomposition algorithm is applied to solve the problem. The formulation can be embedded under two stages; the first one is the Master problem and is formulated as a mixed integer non-linear programming problem. This stage determines the radial topology of the distribution network. The second stage is the Slave problem and is formulated as a non-linear programming problem. This stage is used to determine the feasibility of the Master problem solution by means of an OPF and provides information to formulate the linear Benders cuts that connect both problems. The model is programmed in GAMS. The effectiveness of the proposal is demonstrated through two examples extracted from the literature.

Quantification of endocrine disruptors and pesticides in water by gas chromatography–tandem mass spectrometry. Method validation using weighted linear regression schemes

Amulti-residue methodology based on a solid phase extraction followed by gas chromatography–tandem mass spectrometry was developed for trace analysis of 32 compounds in water matrices, including estrogens and several pesticides from different chemical families, some of them with endocrine disrupting properties. Matrix standard calibration solutions were prepared by adding known amounts of the analytes to a residue-free sample to compensate matrix-induced chromatographic response enhancement observed for certain pesticides. Validation was done mainly according to the International Conference on Harmonisation recommendations, as well as some European and American validation guidelines with specifications for pesticides analysis and/or GC–MS methodology. As the assumption of homoscedasticity was not met for analytical data, weighted least squares linear regression procedure was applied as a simple and effective way to counteract the greater influence of the greater concentrations on the fitted regression line, improving accuracy at the lower end of the calibration curve. The method was considered validated for 31 compounds after consistent evaluation of the key analytical parameters: specificity, linearity, limit of detection and quantification, range, precision, accuracy, extraction efficiency, stability and robustness.

Distributed Linear Precoding and User Selection in Coordinated Multicell Systems

In this manuscript we tackle the problem of semidistributed user selection with distributed linear precoding for sum rate maximization in multiuser multicell systems. A set of adjacent base stations (BS) form a cluster in order to perform coordinated transmission to cell-edge users, and coordination is carried out through a central processing unit (CU). However, the message exchange between BSs and the CU is limited to scheduling control signaling and no user data or channel state information (CSI) exchange is allowed. In the considered multicell coordinated approach, each BS has its own set of cell-edge users and transmits only to one intended user while interference to non-intended users at other BSs is suppressed by signal steering (precoding). We use two distributed linear precoding schemes, Distributed Zero Forcing (DZF) and Distributed Virtual Signalto-Interference-plus-Noise Ratio (DVSINR). Considering multiple users per cell and the backhaul limitations, the BSs rely on local CSI to solve the user selection problem. First we investigate how the signal-to-noise-ratio (SNR) regime and the number of antennas at the BSs impact the effective channel gain (the magnitude of the channels after precoding) and its relationship with multiuser diversity. Considering that user selection must be based on the type of implemented precoding, we develop metrics of compatibility (estimations of the effective channel gains) that can be computed from local CSI at each BS and reported to the CU for scheduling decisions. Based on such metrics, we design user selection algorithms that can find a set of users that potentially maximizes the sum rate. Numerical results show the effectiveness of the proposed metrics and algorithms for different configurations of users and antennas at the base stations.