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.

Optimal fuzzy PID control tuned with genetic algorithms

Fuzzy logic controllers (FLC) are intelligent systems, based on heuristic knowledge, that have been largely applied in numerous areas of everyday life. They can be used to describe a linear or nonlinear system and are suitable when a real system is not known or too difficult to find their model. FLC provide a formal methodology for representing, manipulating and implementing a human heuristic knowledge on how to control a system. These controllers can be seen as artificial decision makers that operate in a closed-loop system, in real time. The main aim of this work was to develop a single optimal fuzzy controller, easily adaptable to a wide range of systems – simple to complex, linear to nonlinear – and able to control all these systems. Due to their efficiency in searching and finding optimal solution for high complexity problems, GAs were used to perform the FLC tuning by finding the best parameters to obtain the best responses. The work was performed using the MATLAB/SIMULINK software. This is a very useful tool that provides an easy way to test and analyse the FLC, the PID and the GAs in the same environment. Therefore, it was proposed a Fuzzy PID controller (FL-PID) type namely, the Fuzzy PD+I. For that, the controller was compared with the classical PID controller tuned with, the heuristic Ziegler-Nichols tuning method, the optimal Zhuang-Atherton tuning method and the GA method itself. The IAE, ISE, ITAE and ITSE criteria, used as the GA fitness functions, were applied to compare the controllers performance used in this work. Overall, and for most systems, the FL-PID results tuned with GAs were very satisfactory. Moreover, in some cases the results were substantially better than for the other PID controllers. The best system responses were obtained with the IAE and ITAE criteria used to tune the FL-PID and PID controllers.

Optimal generation scheduling of wind-CSP systems in day-ahead electricity markets

This paper presents a coordination approach to maximize the total profit of wind power systems coordinated with concentrated solar power systems, having molten-salt thermal energy storage. Both systems are effectively handled by mixed-integer linear programming in the approach, allowing enhancement on the operational during non-insolation periods. Transmission grid constraints and technical operating constraints on both systems are modeled to enable a true management support for the integration of renewable energy sources in day-ahead electricity markets. A representative case study based on real systems is considered to demonstrate the effectiveness of the proposed approach. © IFIP International Federation for Information Processing 2015.

Aplicação de um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) na expansão da rede de distribuição de energia elétrica em Angola

Em Angola, apenas cerca de 30% da população tem acesso à energia elétrica, nível que decresce para valores inferiores a 10% em zonas rurais mais remotas. Este problema é agravado pelo facto de, na maioria dos casos, as infraestruturas existentes se encontrarem danificadas ou não acompanharem o desenvolvimento da região. Em particular na capital angolana, Luanda que, sendo a menor província de Angola, é a que regista atualmente a maior densidade populacional. Com uma população de cerca de 5 milhões de habitantes, não só há frequentemente problemas relacionados com a falha do fornecimento de energia elétrica como há ainda uma percentagem considerável de municípios onde a rede elétrica ainda nem sequer chegou. O governo de Angola, no seu esforço de crescimento e aproveitamento das suas enormes potencialidades, definiu o setor energético como um dos fatores críticos para o desenvolvimento sustentável do país, tendo assumido que este é um dos eixos prioritários até 2016. Existem objetivos claros quanto à reabilitação e expansão das infraestruturas do setor elétrico, aumentando a capacidade instalada do país e criando uma rede nacional adequada, com o intuito não só de melhorar a qualidade e fiabilidade da rede já existente como de a aumentar. Este trabalho de dissertação consistiu no levantamento de dados reais relativamente à rede de distribuição de energia elétrica de Luanda, na análise e planeamento do que é mais premente fazer relativamente à sua expansão, na escolha dos locais onde é viável localizar novas subestações, na modelação adequada do problema real e na proposta de uma solução ótima para a expansão da rede existente. Depois de analisados diferentes modelos matemáticos aplicados ao problema de expansão de redes de distribuição de energia elétrica encontrados na literatura, optou-se por um modelo de programação linear inteira mista (PLIM) que se mostrou adequado. Desenvolvido o modelo do problema, o mesmo foi resolvido por recurso a software de otimização Analytic Solver e CPLEX. Como forma de validação dos resultados obtidos, foi implementada a solução de rede no simulador PowerWorld 8.0 OPF, software este que permite a simulação da operação do sistema de trânsito de potências.

Dimensão do sector público e crescimento económico: uma relação não linear na União Europeia dos 15?

Os Estados-Membros da União Europeia têm tido a preocupação de reduzirem a dimensão da Administração Pública na economia, a par de a tornar muito mais eficiente de forma a promover o crescimento económico. Neste artigo analisam-se as relações entre a despesa pública e o crescimento económico em 14 Estados-Membros da União Europeia dos 15, com o objectivo de determinar a dimensão óptima das Administrações Públicas, tendo por base teórica a Curva de Armey. Os resultados, para o período 1965-2007, sugerem uma dimensão do sector público maximizadora do crescimento económico de 47,37% e 22,17% do PIB, quando avaliada pelas despesas públicas totais e o consumo público, respectivamente.

Avaliação económica em transplantação renal : abordagem estratégica do processo de doação e análise de custo-utilidade do programa de transplantação renal versus hemodiálise

SUMÁRIO - O desafio atual da Saúde Pública é assegurar a sustentabilidade financeira do sistema de saúde. Em ambiente de recursos escassos, as análises económicas aplicadas à prestação dos cuidados de saúde são um contributo para a tomada de decisão que visa a maximização do bem-estar social sujeita a restrição orçamental. Portugal é um país com 10,6 milhões de habitantes (2011) com uma incidência e prevalência elevadas de doença renal crónica estadio 5 (DRC5), respetivamente, 234 doentes por milhão de habitantes (pmh) e 1.600 doentes/pmh. O crescimento de doenças associadas às causas de DRC, nomeadamente, diabetes Mellitus e hipertensão arterial, antecipam uma tendência para o aumento do número de doentes. Em 2011, dos 17.553 doentes em tratamento substitutivo renal, 59% encontrava-se em programa de hemodiálise (Hd) em centros de diálise extra-hospitalares, 37% viviam com um enxerto renal funcionante e 4% estavam em diálise peritoneal (SPN, 2011). A lista ativa para transplante (Tx) renal registava 2.500 doentes (SPN 2009). O Tx renal é a melhor modalidade terapêutica pela melhoria da sobrevida, qualidade de vida e relação custo-efetividade, mas a elegibilidade para Tx e a oferta de órgãos condicionam esta opção. Esta investigação desenvolveu-se em duas vertentes: i) determinar o rácio custo-utilidade incremental do Tx renal comparado com a Hd; ii) avaliar a capacidade máxima de dadores de cadáver em Portugal, as características e as causas de morte dos dadores potenciais a nível nacional, por hospital e por Gabinete Coordenador de Colheita e Transplantação (GCCT), e analisar o desempenho da rede de colheita de órgãos para Tx. Realizou-se um estudo observacional/não interventivo, prospetivo e analítico que incidiu sobre uma coorte de doentes em Hd que foi submetida a Tx renal. O tempo de seguimento mínimo foi de um ano e máximo de três anos. No início do estudo, colheram-se dados sociodemográficos e clínicos em 386 doentes em Hd, elegíveis para Tx renal. A qualidade de vida relacionada com a saúde (QVRS) foi avaliada nos doentes em Hd (tempo 0) e nos transplantados, aos três, seis, 12 meses, e depois, anualmente. Incluíram-se os doentes que por falência do enxerto renal transitaram para Hd. Na sua medição, utilizou-se um instrumento baseado em preferências da população, o EuroQol-5D, que permite o posterior cálculo dos QALY. Num grupo de 82 doentes, a QVRS em Hd foi avaliada em dois tempos de resposta o que permitiu a análise da sua evolução. Realizou-se uma análise custo-utilidade do Tx renal comparado com a Hd na perspetiva da sociedade. Identificaram-se os custos diretos, médicos e não médicos, e as alterações de produtividade em Hd e Tx renal. Incluíram-se os custos da colheita de órgãos, seleção dos candidatos a Tx renal e follow-up dos dadores vivos. Cada doente transplantado foi utilizado como controle de si próprio em diálise. Avaliou-se o custo médio anual em programa de Hd crónica relativo ao ano anterior à Tx renal. Os custos do Tx foram avaliados prospetivamente. Considerou-se como horizonte temporal o ciclo de vida nas duas modalidades. Usaram-se taxas de atualização de 0%, 3% e 5% na atualização dos custos e QALY e efetuaram-se análises de sensibilidade one way. Entre 2008 e 2010, 65 doentes foram submetidos a Tx renal. Registaram-se, prospetivamente, os resultados em saúde incluíndo os internamentos e os efeitos adversos da imunossupressão, e o consumo dos recursos em saúde. Utilizaram-se modelos de medidas repetidas na avaliação da evolução da QVRS e modelos de regressão múltipla na análise da associação da QVRS e dos custos do transplante com as características basais dos doentes e os eventos clínicos. Comparativamente à Hd, observou-se melhoria da utilidade ao 3º mês de Tx e a qualidade de vida aferida pela escala EQ-VAS melhorou em todos os tempos de observação após o Tx renal. O custo médio da Hd foi de 32.567,57€, considerado uniforme ao longo do tempo. O custo médio do Tx renal foi de 60.210,09€ no 1º ano e 12.956,77€ nos anos seguintes. O rácio custo-utilidade do Tx renal vs Hd crónica foi de 2.004,75€/QALY. A partir de uma sobrevivência do enxerto de dois anos e cinco meses, o Tx associou-se a poupança dos custos. Utilizaram-se os dados nacionais dos Grupos de Diagnóstico Homogéneos e realizou-se um estudo retrospectivo que abrangeu as mortes ocorridas em 34 hospitais com colheita de órgãos, em 2006. Considerou-se como dador potencial o indivíduo com idade entre 1-70 anos cuja morte ocorrera a nível hospitalar, e que apresentasse critérios de adequação à doação de rim. Analisou-se a associação dos dadores potenciais com características populacionais e hospitalares. O desempenho das organizações de colheita de órgãos foi avaliado pela taxa de conversão (rácio entre os dadores potenciais e efetivos) e pelo número de dadores potenciais por milhão de habitantes a nível nacional, regional e por Gabinete Coordenador de Colheita e Transplantação (GCCT). Identificaram-se 3.838 dadores potenciais dos quais 608 apresentaram códigos da Classificação Internacional de Doenças, 9.ª Revisão, Modificações Clínicas (CID- 9-MC) que, com maior frequência, evoluem para a morte cerebral. O modelo logit para dados agrupados identificou a idade, o rácio da lotação em Unidades de Cuidados Intensivos e lotação de agudos, existência de GCCT e de Unidade de Transplantação, e mortalidade por acidente de trabalho como fatores preditivos da conversão dum dador potencial em efetivo e através das estimativas do modelo logit quantificou-se a probabilidade dessa conversão. A doação de órgãos deve ser assumida como uma prioridade e as autoridades em saúde devem assegurar o financiamento dos hospitais com programas de doação, evitando o desperdício de órgãos para transplantação, enquanto um bem público e escasso. A colheita de órgãos deve ser considerada uma opção estratégica da atividade hospitalar orientada para a organização e planeamento de serviços que maximizem a conversão de dadores potenciais em efetivos incluindo esse critério como medida de qualidade e efetividade do desempenho hospitalar. Os resultados deste estudo demonstram que: 1) o Tx renal proporciona ganhos em saúde, aumento da sobrevida e qualidade de vida, e poupança de custos; 2) em Portugal, a taxa máxima de eficácia da conversão dos dadores cadavéricos em dadores potenciais está longe de ser atingida. O investimento na rede de colheita de órgãos para Tx é essencial para assegurar a sustentabilidade financeira e promover a qualidade, eficiência e equidade dos cuidados em saúde prestados na DRC5.

Optimal operation of multiproduct batch plants

Multiproduct plants, Dynamic Optimization, Mixed Integer Linear/Non-Linear Programming, Scheduling

The link between public support and private R&D effort: What is the optimal subsidy?

The effectiveness of R&D subsidies can vary substantially depending on their characteristics. Specifically, the amount and intensity of such subsidies are crucial issues in the design of public schemes supporting private R&D. Public agencies determine the intensities of R&D subsidies for firms in line with their eligibility criteria, although assessing the effects of R&D projects accurately is far from straightforward. The main aim of this paper is to examine whether there is an optimal intensity for R&D subsidies through an analysis of their impact on private R&D effort. We examine the decisions of a public agency to grant subsidies taking into account not only the characteristics of the firms but also, as few previous studies have done to date, those of the R&D projects. In determining the optimal subsidy we use both parametric and nonparametric techniques. The results show a non-linear relationship between the percentage of subsidy received and the firms’ R&D effort. These results have implications for technology policy, particularly for the design of R&D subsidies that ensure enhanced effectiveness.

A subspace correction method for discontinuous Galerkin discretizations of linear elasticity equations

We study preconditioning techniques for discontinuous Galerkin discretizations of isotropic linear elasticity problems in primal (displacement) formulation. We propose subspace correction methods based on a splitting of the vector valued piecewise linear discontinuous finite element space, that are optimal with respect to the mesh size and the Lamé parameters. The pure displacement, the mixed and the traction free problems are discussed in detail. We present a convergence analysis of the proposed preconditioners and include numerical examples that validate the theory and assess the performance of the preconditioners.

Is PaCO2 management optimal under controlled mechanical ventilation (CMV) during neuro-resuscitation?

INTRODUCTION. Both hypocapnia and hypercapnia can be deleterious to brain injured patients. Strict PaCO2 control is difficult to achieve because of patient's instability and unpredictable effects of ventilator settings changes. OBJECTIVE. The aim of this study was to evaluate our ability to comply with a protocol of controlled mechanical ventilation (CMV) aiming at a PaCO2 between 35 and 40 mmHg in patients requiring neuro-resuscitation. METHODS. Retrospective analysis of consecutive patients (2005-2011) requiring intracranial pressure (ICP) monitoring for traumatic brain injury (TBI), subarachnoid haemorrhage (SAH), intracranial haemorrhage (ICH) or ischemic stroke (IS). Demographic data, GCS, SAPS II, hospital mortality, PaCO2 and ICP values were recorded. During CMV in the first 48 h after admission, we analyzed the time spent within the PaCO2 target in relation to the presence or absence of intracranial hypertension (ICP[20 mmHg, by periods of 30 min) (Table 1). We also compared the fraction of time (determined by linear interpolation) spent with normal, low or high PaCO2 in hospital survivors and non-survivors (Wilcoxon, Bonferroni correction, p\0.05) (Table 2). PaCO2 samples collected during and after apnoea tests were excluded. Results given as median [IQR]. RESULTS. 436 patients were included (TBI: 51.2 %, SAH: 20.6 %, ICH: 23.2 %, IS: 5.0 %), age: 54 [39-64], SAPS II score: 52 [41-62], GCS: 5 [3-8]. 8744 PaCO2 samples were collected during 150611 h of CMV. CONCLUSIONS. Despite a high number of PaCO2 samples collected (in average one sample every 107 min), our results show that patients undergoing CMV for neuro- resuscitation spent less than half of the time within the pre-defined PaCO2 range. During documented intracranial hypertension, hypercapnia was observed in 17.4 % of the time. Since non-survivors spent more time with hypocapnia, further analysis is required to determine whether hypocapnia was detrimental per se, or merely reflects increased severity of brain insult.

Assessment of left coronary artery beat-to-beat repositioning in order to propose an optimal acquisition window for coronary MRA

Introduction: Coronary magnetic resonance angiography (MRA) is a medical imaging technique that involves collecting data from consecutive heartbeats, always at the same time in the cardiac cycle, in order to minimize heart motion artifacts. This technique relies on the assumption that coronary arteries always follow the same trajectory from heartbeat to heartbeat. Until now, choosing the acquisition window in the cardiac cycle was based exclusively on the position of minimal coronary motion. The goal of this study was to test the hypothesis that there are time intervals during the cardiac cycle when coronary beat-to-beat repositioning is optimal. The repositioning uncertainty values in these time intervals were then compared with the intervals of low coronary motion in order to propose an optimal acquisition window for coronary MRA. Methods: Cine breath-hold x-ray angiograms with synchronous ECG were collected from 11 patients who underwent elective routine diagnostic coronarography. Twenty-three bifurcations of the left coronary artery were selected as markers to evaluate repositioning uncertainty and velocity during cardiac cycle. Each bifurcation was tracked by two observers, with the help of a user-assisted algorithm implemented in Matlab (The Mathworks, Natick, MA, USA) that compared the trajectories of the markers coming from consecutive heartbeats and computed the coronary repositioning uncertainty with steps of 50ms until 650ms after the R-wave. Repositioning uncertainty was defined as the diameter of the smallest circle encompassing the points to be compared at the same time after the R-wave. Student's t-tests with a false discovery rate (FDR, q=0.1) correction for multiple comparison were applied to see whether coronary repositioning and velocity vary statistically during cardiac cycle. Bland-Altman plots and linear regression were used to assess intra- and inter-observer agreement. Results: The analysis of left coronary artery beat-to-beat repositioning uncertainty shows a tendency to have better repositioning in mid systole (less than 0.84±0.58mm) and mid diastole (less than 0.89±0.6mm) than in the rest of the cardiac cycle (highest value at 50ms=1.35±0.64mm). According to Student's t-tests with FDR correction for multiple comparison (q=0.1), two intervals, in mid systole (150-200ms) and mid diastole (550-600ms), provide statistically better repositioning in comparison with the early systole and the early diastole. Coronary velocity analysis reveals that left coronary artery moves more slowly in end systole (14.35±11.35mm/s at 225ms) and mid diastole (11.78±11.62mm/s at 625ms) than in the rest of the cardiac cycle (highest value at 25ms: 55.96±22.34mm/s). This was confirmed by Student's t-tests with FDR correction for multiple comparison (q=0.1, FDR-corrected p-value=0.054): coronary velocity values at 225, 575 and 625ms are not much different between them but they are statistically inferior to all others. Bland-Altman plots and linear regression show that intra-observer agreement (y=0.97x+0.02 with R²=0.93 at 150ms) is better than inter-observer (y=0.8x+0.11 with R²=0.67 at 150ms). Discussion: The present study has demonstrated that there are two time intervals in the cardiac cycle, one in mid systole and one in mid diastole, where left coronary artery repositioning uncertainty reaches points of local minima. It has also been calculated that the velocity is the lowest in end systole and mid diastole. Since systole is less influenced by heart rate variability than diastole, it was finally proposed to test an acquisition window between 150 and 200ms after the R-wave.

Effects of brood manipulation costs on optimal sex allocation in social hymenoptera.

In eusocial Hymenoptera, queens and workers are in conflict over optimal sex allocation. Sex ratio theory, while generating predictions on the extent of this conflict under a wide range of conditions, has largely neglected the fact that worker control of investment almost certainly requires the manipulation of brood sex ratio. This manipulation is likely to incur costs, for example, if workers eliminate male larvae or rear more females as sexuals rather than workers. In this article, we present a model of sex ratio evolution under worker control that incorporates costs of brood manipulation. We assume cost to be a continuous, increasing function of the magnitude of sex ratio manipulation. We demonstrate that costs counterselect sex ratio biasing, which leads to less female-biased population sex ratios than expected on the basis of relatedness asymmetry. Furthermore, differently shaped cost functions lead to different equilibria of manipulation at the colony level. While linear and accelerating cost functions generate monomorphic equilibria, decelerating costs lead to a process of evolutionary branching and hence split sex ratios.

Predicting optimal lengths of random knots

In a thermally fluctuating long linear polymeric chain in a solution, the ends, from time to time, approach each other. At such an instance, the chain can be regarded as closed and thus will form a knot or rather a virtual knot. Several earlier studies of random knotting demonstrated that simpler knots show a higher occurrence for shorter random walks than do more complex knots. However, up to now there have been no rules that could be used to predict the optimal length of a random walk, i.e. the length for which a given knot reaches its highest occurrence. Using numerical simulations, we show here that a power law accurately describes the relation between the optimal lengths of random walks leading to the formation of different knots and the previously characterized lengths of ideal knots of a corresponding type.

Low-density parity-check codes for nonergodic block-fading channels

We design powerful low-density parity-check (LDPC) codes with iterative decoding for the block-fading channel. We first study the case of maximum-likelihood decoding, and show that the design criterion is rather straightforward. Since optimal constructions for maximum-likelihood decoding do not performwell under iterative decoding, we introduce a new family of full-diversity LDPC codes that exhibit near-outage-limit performance under iterative decoding for all block-lengths. This family competes favorably with multiplexed parallel turbo codes for nonergodic channels.

Generalized low-density codes with BCH constituents for full-diversity near-outage performance

A new graph-based construction of generalized low density codes (GLD-Tanner) with binary BCH constituents is described. The proposed family of GLD codes is optimal on block erasure channels and quasi-optimal on block fading channels. Optimality is considered in the outage probability sense. Aclassical GLD code for ergodic channels (e.g., the AWGN channel,the i.i.d. Rayleigh fading channel, and the i.i.d. binary erasure channel) is built by connecting bitnodes and subcode nodes via a unique random edge permutation. In the proposed construction of full-diversity GLD codes (referred to as root GLD), bitnodes are divided into 4 classes, subcodes are divided into 2 classes, and finally both sides of the Tanner graph are linked via 4 random edge permutations. The study focuses on non-ergodic channels with two states and can be easily extended to channels with 3 states or more.