Observability of nonlinear fractional dynamical systems

We study the observability of linear and nonlinear fractional differential systems of order 0 < α < 1 by using the Mittag-Leffler matrix function and the application of Banach’s contraction mapping theorem. Several examples illustrate the concepts.

Combined mutation differential evolution to solve systems of nonlinear equations

This paper presents a differential evolution heuristic to compute a solution of a system of nonlinear equations through the global optimization of an appropriate merit function. Three different mutation strategies are combined to generate mutant points. Preliminary numerical results show the effectiveness of the presented heuristic.

Discrete fractional order system vibrations

A theory of free vibrations of discrete fractional order (FO) systems with a finite number of degrees of freedom (dof) is developed. A FO system with a finite number of dof is defined by means of three matrices: mass inertia, system rigidity and FO elements. By adopting a matrix formulation, a mathematical description of FO discrete system free vibrations is determined in the form of coupled fractional order differential equations (FODE). The corresponding solutions in analytical form, for the special case of the matrix of FO properties elements, are determined and expressed as a polynomial series along time. For the eigen characteristic numbers, the system eigen main coordinates and the independent eigen FO modes are determined. A generalized function of visoelastic creep FO dissipation of energy and generalized forces of system with no ideal visoelastic creep FO dissipation of energy for generalized coordinates are formulated. Extended Lagrange FODE of second kind, for FO system dynamics, are also introduced. Two examples of FO chain systems are analyzed and the corresponding eigen characteristic numbers determined. It is shown that the oscillatory phenomena of a FO mechanical chain have analogies to electrical FO circuits. A FO electrical resistor is introduced and its constitutive voltage–current is formulated. Also a function of thermal energy FO dissipation of a FO electrical relation is discussed.

Project, modelling and simulation of air stripping columns for the treatment of groundwater contaminated with volatile organic compounds

Volatile organic compounds are a common source of groundwater contamination that can be easily removed by air stripping in columns with random packing and using a counter-current flow between the phases. This work proposes a new methodology for the column design for any particular type of packing and contaminant avoiding the necessity of a pre-defined diameter used in the classical approach. It also renders unnecessary the employment of the graphical Eckert generalized correlation for pressure drop estimates. The hydraulic features are previously chosen as a project criterion and only afterwards the mass transfer phenomena are incorporated, in opposition to conventional approach. The design procedure was translated into a convenient algorithm using C++ as programming language. A column was built in order to test the models used either in the design or in the simulation of the column performance. The experiments were fulfilled using a solution of chloroform in distilled water. Another model was built to simulate the operational performance of the column, both in steady state and in transient conditions. It consists in a system of two partial non linear differential equations (distributed parameters). Nevertheless, when flows are steady, the system became linear, although there is not an evident solution in analytical terms. In steady state the resulting system of ODE can be solved, allowing for the calculation of the concentration profile in both phases inside the column. In transient state the system of PDE was numerically solved by finite differences, after a previous linearization.

A New Approach in the Design of Air Stripping Columns for the Treatment of Groundwater Contaminated With Volatile Organic Compounds

Volatile organic compounds are a common source of groundwater contamination that can be easily removed by air stripping in columns with random packing and using a counter-current flow between the phases. This work proposes a new methodology for column design for any type of packing and contaminant which avoids the necessity of an arbitrary chosen diameter. It also avoids the employment of the usual graphical Eckert correlations for pressure drop. The hydraulic features are previously chosen as a project criterion. The design procedure was translated into a convenient algorithm in C++ language. A column was built in order to test the design, the theoretical steady-state and dynamic behaviour. The experiments were conducted using a solution of chloroform in distilled water. The results allowed for a correction in the theoretical global mass transfer coefficient previously estimated by the Onda correlations, which depend on several parameters that are not easy to control in experiments. For best describe the column behaviour in stationary and dynamic conditions, an original mathematical model was developed. It consists in a system of two partial non linear differential equations (distributed parameters). Nevertheless, when flows are steady, the system became linear, although there is not an evident solution in analytical terms. In steady state the resulting ODE can be solved by analytical methods, and in dynamic state the discretization of the PDE by finite differences allows for the overcoming of this difficulty. To estimate the contaminant concentrations in both phases in the column, a numerical algorithm was used. The high number of resulting algebraic equations and the impossibility of generating a recursive procedure did not allow the construction of a generalized programme. But an iterative procedure developed in an electronic worksheet allowed for the simulation. The solution is stable only for similar discretizations values. If different values for time/space discretization parameters are used, the solution easily becomes unstable. The system dynamic behaviour was simulated for the common liquid phase perturbations: step, impulse, rectangular pulse and sinusoidal. The final results do not configure strange or non-predictable behaviours.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

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.

Dynamic programming for a Markov-switching jump–diffusion

We consider an optimal control problem with a deterministic finite horizon and state variable dynamics given by a Markov-switching jump–diffusion stochastic differential equation. Our main results extend the dynamic programming technique to this larger family of stochastic optimal control problems. More specifically, we provide a detailed proof of Bellman’s optimality principle (or dynamic programming principle) and obtain the corresponding Hamilton–Jacobi–Belman equation, which turns out to be a partial integro-differential equation due to the extra terms arising from the Lévy process and the Markov process. As an application of our results, we study a finite horizon consumption– investment problem for a jump–diffusion financial market consisting of one risk-free asset and one risky asset whose coefficients are assumed to depend on the state of a continuous time finite state Markov process. We provide a detailed study of the optimal strategies for this problem, for the economically relevant families of power utilities and logarithmic utilities.

Bipedal Locomotion: A Fractional CPG for Generating Patterns

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

Fractional order inductive phenomena based on the skin effect

The Maxwell equations play a fundamental role in the electromagnetic theory and lead to models useful in physics and engineering. This formalism involves integer-order differential calculus, but the electromagnetic diffusion points towards the adoption of a fractional calculus approach. This study addresses the skin effect and develops a new method for implementing fractional-order inductive elements. Two genetic algorithms are adopted, one for the system numerical evaluation and another for the parameter identification, both with good results.

Control and dynamics of fractional order systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades due to the progress in the area of nonlinear dynamics. This article discusses several applications of fractional calculus in science and engineering, namely: the control of heat systems, the tuning of PID controllers based on fractional calculus concepts and the dynamics in hexapod locomotion.

Reply to: Comments on “Particle Swarm Optimization with Fractional-Order Velocity”

We agree with Ling-Yun et al. [5] and Zhang and Duan comments [2] about the typing error in equation (9) of the manuscript [8]. The correct formula was initially proposed in [6, 7]. The formula adopted in our algorithms discussed in our papers [1, 3, 4, 8] is, in fact, the following: ...

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.