An efficient neural network approach for nanoscale FinFET modelling and circuit simulation

The present paper demonstrates the suitability of artificial neural network (ANN) for modelling of a FinFET in nano-circuit simulation. The FinFET used in this work is designed using careful engineering of source-drain extension, which simultaneously improves maximum frequency of oscillation f(max) because of lower gate to drain capacitance, and intrinsic gain A(V0) = g(m)/g(ds), due to lower output conductance g(ds). The framework for the ANN-based FinFET model is a common source equivalent circuit, where the dependence of intrinsic capacitances, resistances and dc drain current I-d on drain-source V-ds and gate-source V-gs is derived by a simple two-layered neural network architecture. All extrinsic components of the FinFET model are treated as bias independent. The model was implemented in a circuit simulator and verified by its ability to generate accurate response to excitations not used during training. The model was used to design a low-noise amplifier. At low power (J(ds) similar to 10 mu A/mu m) improvement was observed in both third-order-intercept IIP3 (similar to 10 dBm) and intrinsic gain A(V0) (similar to 20 dB), compared to a comparable bulk MOSFET with similar effective channel length. This is attributed to higher ratio of first-order to third-order derivative of I-d with respect to gate voltage and lower g(ds), in FinFET compared to bulk MOSFET. Copyright (C) 2009 John Wiley & Sons, Ltd.

Chemistry and Mechanism of Alizarin Red S and Methylene Blue Biosorption onto Olive Stone: Equilibrium and Kinetic

The biosorption process of anionic dye Alizarin Red S (ARS) and cationic dye methylene blue (MB) as a function of solution pH, initial concentration and contact time onto olive stone (OS) biomass has been investigated. The main objectives of the current study are to: (i) study the chemistry and the mechanism of ARS and MB biosorption onto olive stone and the type of OS–ARS, MB interactions occurring, (ii) study the biosorption equilibrium and kinetic experimental data required for the design and operation of column reactors. Equilibrium biosorption isotherms and kinetics were also examined. Experimental equilibrium data were fitted to four different isotherms by non-linear regression method, however, the biosorption experimental data for ARS and MB dyes were well interpreted by the Temkin and Langmuir isotherms, respectively. The maximum monolayer adsorption capacity for ARS and MB dyes were 109.0 and 102.6 mg/g, respectively. The kinetic data of the two dyes could be better described by the pseudo second-order model. The data showed that olive stone can be effectively used for removing dyes from wastewater.

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

Resonance control of piezolaminated structures

This paper deals with a third order shear deformation finite element model wich is applied on the active resonance control thin plate/shell laminated structures with integrated piezoelectric layers of patches, acting as sensors and actuators. The finite element model is a single layer tringular nonconforming plate/shell element with 24 degrees of freedom for he generalized displacements, and one electrical potential degree of freedom for each piezoelectric element layer, wich are surface bonded on the laminated. The newwork method is considered to calculate the dynamic response of the laminated sructures forced to vibrate in the first natural frequency. To achieve a mechanism of active control of the structure dynamic response, a feedback control algorithm is used, coupling the sensor and active piezoelectric layers. The model is applied to the solution of one illustrative case, and the results are presented and discussed.

Fractional model for malaria transmission under control strategies

We study a fractional model for malaria transmission under control strategies.Weconsider the integer order model proposed by Chiyaka et al. (2008) in [15] and modify it to become a fractional order model. We study numerically the model for variation of the values of the fractional derivative and of the parameter that models personal protection, b. From observation of the figures we conclude that as b is increased from 0 to 1 there is a corresponding decrease in the number of infectious humans and infectious mosquitoes, for all values of α. This means that this result is invariant for variation of fractional derivative, in the values tested. These results are in agreement with those obtained in Chiyaka et al.(2008) [15] for α = 1.0 and suggest that our fractional model is epidemiologically wellposed.

Idées, institutions et intérêts dans le changement de la protection sociale : les politiques de transfert de revenu au Brésil

Cette thèse porte sur l’introduction des politiques de transfert de revenu au Brésil. L’objectif central de la recherche est de comprendre comment ces politiques se sont imposées dans le cadre des réformes de la protection sociale brésilienne pendant les années 1990, notamment à partir de 1995 et comment elles ont engendré un changement paradigmatique de troisième ordre de la politique nationale d’assistance sociale. Nous posons deux hypothèses de recherche : la première est que l’introduction de telles politiques au Brésil fut le résultat du rôle historique des intellectuels engagés dans la défense du revenu minimum en tant qu’alternative au modèle de protection sociale brésilien. Cette défense du revenu minimum fut soutenue par des intellectuels, des communautés épistémiques et par des politiciens qui ont inscrit le débat sur le revenu minimum à l’agenda politique brésilien. La deuxième hypothèse suggère que la convergence d’idées, d’institutions et d’intérêts a favorisé l’adoption de ces politiques. Cette convergence d’idées, d’institutions et d’intérêts repose sur le rôle de plusieurs acteurs tels les intellectuels, le président Cardoso et d’autres politiciens qui se sont mis à la défense du social au Brésil depuis 1999, des institutions parlementaires brésiliennes et des organisations internationales, notamment le FMI, la Banque mondiale et la Banque interaméricaine de développement – BID. Nous proposons l’approche des trois i pour rendre compte de ce changement. L’apprentissage social, les processus de diffusion et de lesson-drawing sont les facteurs à l’origine de la formation de la convergence autour des programmes de transfert de revenu. Nous montrerons que l’expérience brésilienne de programmes de transfert de revenu a non seulement engendré un processus d’apprentissage social renversé auprès de la Banque Mondiale mais qu'elle a aussi eu un effet aussi sur les actions de la BID. Nous suggérons que le changement paradigmatique de la protection sociale brésilienne a été amorcé par le gouvernement Cardoso dans un processus d’essais et d’erreurs. Ce processus, qui est à l’origine des réaménagements du programme « Comunidade Solidária », a permis la création du « Projeto Alvorada » et du « Réseau de protection sociale » en 2001. Les programmes de transfert de revenu reliés à l’éducation et aux soins de santé ont été les plus influents dans la construction du consensus qui s’est établi autour des programmes de transfert de revenu comme alternative à l’ancien modèle de protection sociale puisqu’ils procurent le renforcement du capital social en même temps qu’ils fonctionnent comme facteur structurant de la protection sociale. Ce legs du gouvernement Cardoso a permis au gouvernement de Luis Inácio Lula da Silva de consolider le nouveau paradigme avec la création du programme national Bolsa-Família. Le gouvernement Lula a donc bénéficié de l’héritage historique des deux mandats de Cardoso et, ironiquement, a récolté les fruits de l’apprentissage social. Le phénomène du « lulismo » en est la preuve. Par ailleurs, cette thèse met en question la paternité du programme Bolsa-Família puisqu’elle montre la création de ce programme d'abord comme la consolidation du processus d’apprentissage et puis comme conséquence de la création d’un nouveau paradigme pour la politique d’assistance sociale au Brésil qui a eu lieu pendant les deux mandats de Cardoso.

Skewness risk and bond prices

Statistical evidence is reported that even outside disaster periods, agents face negative consumption skewness, as well as positive inflation skewness. Quantitative implications of skewness risk for nominal loan contracts in a pure exchange economy are derived. Key modeling assumptions are Epstein-Zin preferences for traders and asymmetric distributions for consumption and inflation innovations. The model is solved using a third-order perturbation and estimated by the simulated method of moments. Results show that skewness risk accounts for 6 to 7 percent of the risk premia depending on the bond maturity.

Improving sampling, optimization and feature extraction in Boltzmann machines

L’apprentissage supervisé de réseaux hiérarchiques à grande échelle connaît présentement un succès fulgurant. Malgré cette effervescence, l’apprentissage non-supervisé représente toujours, selon plusieurs chercheurs, un élément clé de l’Intelligence Artificielle, où les agents doivent apprendre à partir d’un nombre potentiellement limité de données. Cette thèse s’inscrit dans cette pensée et aborde divers sujets de recherche liés au problème d’estimation de densité par l’entremise des machines de Boltzmann (BM), modèles graphiques probabilistes au coeur de l’apprentissage profond. Nos contributions touchent les domaines de l’échantillonnage, l’estimation de fonctions de partition, l’optimisation ainsi que l’apprentissage de représentations invariantes. Cette thèse débute par l’exposition d’un nouvel algorithme d'échantillonnage adaptatif, qui ajuste (de fa ̧con automatique) la température des chaînes de Markov sous simulation, afin de maintenir une vitesse de convergence élevée tout au long de l’apprentissage. Lorsqu’utilisé dans le contexte de l’apprentissage par maximum de vraisemblance stochastique (SML), notre algorithme engendre une robustesse accrue face à la sélection du taux d’apprentissage, ainsi qu’une meilleure vitesse de convergence. Nos résultats sont présent ́es dans le domaine des BMs, mais la méthode est générale et applicable à l’apprentissage de tout modèle probabiliste exploitant l’échantillonnage par chaînes de Markov. Tandis que le gradient du maximum de vraisemblance peut-être approximé par échantillonnage, l’évaluation de la log-vraisemblance nécessite un estimé de la fonction de partition. Contrairement aux approches traditionnelles qui considèrent un modèle donné comme une boîte noire, nous proposons plutôt d’exploiter la dynamique de l’apprentissage en estimant les changements successifs de log-partition encourus à chaque mise à jour des paramètres. Le problème d’estimation est reformulé comme un problème d’inférence similaire au filtre de Kalman, mais sur un graphe bi-dimensionnel, où les dimensions correspondent aux axes du temps et au paramètre de température. Sur le thème de l’optimisation, nous présentons également un algorithme permettant d’appliquer, de manière efficace, le gradient naturel à des machines de Boltzmann comportant des milliers d’unités. Jusqu’à présent, son adoption était limitée par son haut coût computationel ainsi que sa demande en mémoire. Notre algorithme, Metric-Free Natural Gradient (MFNG), permet d’éviter le calcul explicite de la matrice d’information de Fisher (et son inverse) en exploitant un solveur linéaire combiné à un produit matrice-vecteur efficace. L’algorithme est prometteur: en terme du nombre d’évaluations de fonctions, MFNG converge plus rapidement que SML. Son implémentation demeure malheureusement inefficace en temps de calcul. Ces travaux explorent également les mécanismes sous-jacents à l’apprentissage de représentations invariantes. À cette fin, nous utilisons la famille de machines de Boltzmann restreintes “spike & slab” (ssRBM), que nous modifions afin de pouvoir modéliser des distributions binaires et parcimonieuses. Les variables latentes binaires de la ssRBM peuvent être rendues invariantes à un sous-espace vectoriel, en associant à chacune d’elles, un vecteur de variables latentes continues (dénommées “slabs”). Ceci se traduit par une invariance accrue au niveau de la représentation et un meilleur taux de classification lorsque peu de données étiquetées sont disponibles. Nous terminons cette thèse sur un sujet ambitieux: l’apprentissage de représentations pouvant séparer les facteurs de variations présents dans le signal d’entrée. Nous proposons une solution à base de ssRBM bilinéaire (avec deux groupes de facteurs latents) et formulons le problème comme l’un de “pooling” dans des sous-espaces vectoriels complémentaires.

Essays in macro finance and monetary economics

Les questions abordées dans les deux premiers articles de ma thèse cherchent à comprendre les facteurs économiques qui affectent la structure à terme des taux d'intérêt et la prime de risque. Je construis des modèles non linéaires d'équilibre général en y intégrant des obligations de différentes échéances. Spécifiquement, le premier article a pour objectif de comprendre la relation entre les facteurs macroéconomiques et le niveau de prime de risque dans un cadre Néo-keynésien d'équilibre général avec incertitude. L'incertitude dans le modèle provient de trois sources : les chocs de productivité, les chocs monétaires et les chocs de préférences. Le modèle comporte deux types de rigidités réelles à savoir la formation des habitudes dans les préférences et les coûts d'ajustement du stock de capital. Le modèle est résolu par la méthode des perturbations à l'ordre deux et calibré à l'économie américaine. Puisque la prime de risque est par nature une compensation pour le risque, l'approximation d'ordre deux implique que la prime de risque est une combinaison linéaire des volatilités des trois chocs. Les résultats montrent qu'avec les paramètres calibrés, les chocs réels (productivité et préférences) jouent un rôle plus important dans la détermination du niveau de la prime de risque relativement aux chocs monétaires. Je montre que contrairement aux travaux précédents (dans lesquels le capital de production est fixe), l'effet du paramètre de la formation des habitudes sur la prime de risque dépend du degré des coûts d'ajustement du capital. Lorsque les coûts d'ajustement du capital sont élevés au point que le stock de capital est fixe à l'équilibre, une augmentation du paramètre de formation des habitudes entraine une augmentation de la prime de risque. Par contre, lorsque les agents peuvent librement ajuster le stock de capital sans coûts, l'effet du paramètre de la formation des habitudes sur la prime de risque est négligeable. Ce résultat s'explique par le fait que lorsque le stock de capital peut être ajusté sans coûts, cela ouvre un canal additionnel de lissage de consommation pour les agents. Par conséquent, l'effet de la formation des habitudes sur la prime de risque est amoindri. En outre, les résultats montrent que la façon dont la banque centrale conduit sa politique monétaire a un effet sur la prime de risque. Plus la banque centrale est agressive vis-à-vis de l'inflation, plus la prime de risque diminue et vice versa. Cela est due au fait que lorsque la banque centrale combat l'inflation cela entraine une baisse de la variance de l'inflation. Par suite, la prime de risque due au risque d'inflation diminue. Dans le deuxième article, je fais une extension du premier article en utilisant des préférences récursives de type Epstein -- Zin et en permettant aux volatilités conditionnelles des chocs de varier avec le temps. L'emploi de ce cadre est motivé par deux raisons. D'abord des études récentes (Doh, 2010, Rudebusch and Swanson, 2012) ont montré que ces préférences sont appropriées pour l'analyse du prix des actifs dans les modèles d'équilibre général. Ensuite, l'hétéroscedasticité est une caractéristique courante des données économiques et financières. Cela implique que contrairement au premier article, l'incertitude varie dans le temps. Le cadre dans cet article est donc plus général et plus réaliste que celui du premier article. L'objectif principal de cet article est d'examiner l'impact des chocs de volatilités conditionnelles sur le niveau et la dynamique des taux d'intérêt et de la prime de risque. Puisque la prime de risque est constante a l'approximation d'ordre deux, le modèle est résolu par la méthode des perturbations avec une approximation d'ordre trois. Ainsi on obtient une prime de risque qui varie dans le temps. L'avantage d'introduire des chocs de volatilités conditionnelles est que cela induit des variables d'état supplémentaires qui apportent une contribution additionnelle à la dynamique de la prime de risque. Je montre que l'approximation d'ordre trois implique que les primes de risque ont une représentation de type ARCH-M (Autoregressive Conditional Heteroscedasticty in Mean) comme celui introduit par Engle, Lilien et Robins (1987). La différence est que dans ce modèle les paramètres sont structurels et les volatilités sont des volatilités conditionnelles de chocs économiques et non celles des variables elles-mêmes. J'estime les paramètres du modèle par la méthode des moments simulés (SMM) en utilisant des données de l'économie américaine. Les résultats de l'estimation montrent qu'il y a une évidence de volatilité stochastique dans les trois chocs. De plus, la contribution des volatilités conditionnelles des chocs au niveau et à la dynamique de la prime de risque est significative. En particulier, les effets des volatilités conditionnelles des chocs de productivité et de préférences sont significatifs. La volatilité conditionnelle du choc de productivité contribue positivement aux moyennes et aux écart-types des primes de risque. Ces contributions varient avec la maturité des bonds. La volatilité conditionnelle du choc de préférences quant à elle contribue négativement aux moyennes et positivement aux variances des primes de risque. Quant au choc de volatilité de la politique monétaire, son impact sur les primes de risque est négligeable. Le troisième article (coécrit avec Eric Schaling, Alain Kabundi, révisé et resoumis au journal of Economic Modelling) traite de l'hétérogénéité dans la formation des attentes d'inflation de divers groupes économiques et de leur impact sur la politique monétaire en Afrique du sud. La question principale est d'examiner si différents groupes d'agents économiques forment leurs attentes d'inflation de la même façon et s'ils perçoivent de la même façon la politique monétaire de la banque centrale (South African Reserve Bank). Ainsi on spécifie un modèle de prédiction d'inflation qui nous permet de tester l'arrimage des attentes d'inflation à la bande d'inflation cible (3% - 6%) de la banque centrale. Les données utilisées sont des données d'enquête réalisée par la banque centrale auprès de trois groupes d'agents : les analystes financiers, les firmes et les syndicats. On exploite donc la structure de panel des données pour tester l'hétérogénéité dans les attentes d'inflation et déduire leur perception de la politique monétaire. Les résultats montrent qu'il y a évidence d'hétérogénéité dans la manière dont les différents groupes forment leurs attentes. Les attentes des analystes financiers sont arrimées à la bande d'inflation cible alors que celles des firmes et des syndicats ne sont pas arrimées. En effet, les firmes et les syndicats accordent un poids significatif à l'inflation retardée d'une période et leurs prédictions varient avec l'inflation réalisée (retardée). Ce qui dénote un manque de crédibilité parfaite de la banque centrale au vu de ces agents.

Modélisation de l'irradiance solaire totale et spectrale et applications à la chimie stratosphérique terrestre

Cette thèse présente des reconstructions de l'irradiance totale et spectrale durant les 400 dernières années à l'aide des modèles pour l'irradiance totale et l'irradiance spectrale dans l'ultraviolet développés à l'Université de Montréal. Tous deux sont basés sur la simulation de l'émergence, de la fragmentation et de l'érosion des taches solaires, qui permet d'obtenir une distribution de l'aire des taches sombres et des facules brillantes en fonction du temps. Ces deux composantes sont principalement responsables de la variation de l'irradiance sur l'échelle de temps de la décennie, qui peut être calculée en sommant leur émissivité à celle de la photosphère inactive. La version améliorée du modèle d'irradiance solaire spectrale MOCASSIM inclut une extension de son domaine spectral entre 150 et 400 nm ainsi que de son domaine temporel, débutant originalement en 1874 et couvrant maintenant la période débutant en 1610 jusqu'au présent. Cela permet de reconstruire le spectre ultraviolet durant le minimum de Maunder et de le comparer à celui du minimum de 2009. Les conclusions tirées de cette étude spécifient que l'émissivité dans l'ultraviolet était plus élevée en 2009 que durant le minimum de Maunder, que le niveau de base de la photosphère non magnétisée contribuait pour environ les deux tiers de cette différence et que les structures magnétiques restantes étaient responsables pour le tiers restant. Le modèle d'irradiance totale a vu son domaine temporel étendu sur la même période et une composante représentant le réseau magnétique de façon réaliste y a été ajoutée. Il a été démontré que les observations des 30 dernières années ne sont bien reproduites qu'en incluant la composante du Soleil non magnétisé variable à long terme. Le processus d'optimisation des paramètres libres du modèle a été effectué en minimisant le carré de la somme de l'écart journalier entre les résultats des calculs et les données observées. Les trois composites disponibles, soit celui du PMOD (Physikalisch Meteorologisches Observatorium Davos), d'ACRIM (ACtive Radiometer Irradiance Monitor) et du IRMB (Institut Royal Météorologique de Belgique), ne sont pas en accord entre eux, en particulier au niveau des minima du cycle d'activité, et le modèle permet seulement de reproduire celui du PMOD avec exactitude lorsque la composante variable à long terme est proportionnelle au flux radio à 10.7 cm. Toutefois, en utilisant des polynômes de Lagrange pour représenter la variation du Soleil inactif, l'accord est amélioré pour les trois composites durant les minima, bien que les relations entre le niveau minimal de l'irradiance et la longueur du cycle précédent varient d'un cas à l'autre. Les résultats obtenus avec le modèle d'irradiance spectrale ont été utilisés dans une étude d'intercomparaison de la réponse de la photochimie stratosphérique à différentes représentations du spectre solaire. Les simulations en mode transitoire d'une durée de 10 jours ont été effectuées avec un spectre solaire constant correspondant soit à une période d'activité minimale ou à une période d'activité maximale. Ceci a permis d'évaluer la réponse de la concentration d'ozone à la variabilité solaire au cours d'un cycle et la différence entre deux minima. En plus de ceux de MOCASSIM, les spectres produits par deux modèles ont été utilisés (NRLSSI et MGNM) ainsi que les données de SIM et SOLSTICE/SORCE. La variabilité spectrale de chacun a été extraite et multipliée à un spectre de base représentant le minimum d'activité afin de simuler le spectre au maximum d'activité. Cela a été effectué dans le but d'isoler l'effet de la variabilité seule et d'exclure celui de la valeur absolue du spectre. La variabilité spectrale d'amplitude relativement élevée des observations de SORCE n'a pas provoqué l'inversion de la réponse de l'ozone à hautes altitudes obtenues par d'autres études, ce qui peut être expliqué par la nature même du modèle utilisé ainsi que par sa limite supérieure en altitude. Finalement, la réponse de l'ozone semble être à peu près proportionnelle à la variabilité de l'intégrale du flux pour lambda<241 nm. La comparaison des concentrations d'ozone obtenues avec les spectres originaux au minimum d'activité démontre que leur différence est du même ordre de grandeur que la variabilité entre le minimum et le maximum d'un cycle typique. Le problème du choix de la reconstruction de l'irradiance à utiliser pour les simulations climatiques dans le passé demeure non résolu.

A Study of Single Stage Semi‐Dry Anaerobic Digestion of Organic Fraction of Municipal Solid Waste

Solid waste generation is a natural consequence of human activity and is increasing along with population growth, urbanization and industrialization. Improper disposal of the huge amount of solid waste seriously affects the environment and contributes to climate change by the release of greenhouse gases. Practicing anaerobic digestion (AD) for the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) can reduce emissions to environment and thereby alleviate the environmental problems together with production of biogas, an energy source, and digestate, a soil amendment. The amenability of substrate for biogasification varies from substrate to substrate and different environmental and operating conditions such as pH, temperature, type and quality of substrate, mixing, retention time etc. Therefore, the purpose of this research work is to develop feasible semi-dry anaerobic digestion process for the treatment of OFMSW from Kerala, India for potential energy recovery and sustainable waste management. This study was carried out in three phases in order to reach the research purpose. In the first phase, batch study of anaerobic digestion of OFMSW was carried out for 100 days at 32°C (mesophilic digestion) for varying substrate concentrations. The aim of this study was to obtain the optimal conditions for biogas production using response surface methodology (RSM). The parameters studied were initial pH, substrate concentration and total organic carbon (TOC). The experimental results showed that the linear model terms of initial pH and substrate concentration and the quadratic model terms of the substrate concentration and TOC had significant individual effect (p < 0.05) on biogas yield. However, there was no interactive effect between these variables (p > 0.05). The optimum conditions for maximizing the biogas yield were a substrate concentration of 99 g/l, an initial pH of 6.5 and TOC of 20.32 g/l. AD of OFMSW with optimized substrate concentration of 99 g/l [Total Solid (TS)-10.5%] is a semi-dry digestion system .Under the optimized condition, the maximum biogas yield was 53.4 L/kg VS (volatile solid).. In the second phase, semi-dry anaerobic digestion of organic solid wastes was conducted for 45 days in a lab-scale batch experiment for substrate concentration of 100 g/l (TS-11.2%) for investigating the start-up performances under thermophilic condition (50°C). The performance of the reactor was evaluated by measuring the daily biogas production and calculating the degradation of total solids and the total volatile solids. The biogas yield at the end of the digestion was 52.9 L/kg VS for the substrate concentration of 100 g/l. About 66.7% of volatile solid degradation was obtained during the digestion. A first order model based on the availability of substrate as the limiting factor was used to perform the kinetic studies of batch anaerobic digestion system. The value of reaction rate constant, k, obtained was 0.0249 day-1. A laboratory bench scale reactor with a capacity of 36.8 litres was designed and fabricated to carry out the continuous anaerobic digestion of OFMSW in the third phase. The purpose of this study was to evaluate the performance of the digester at total solid concentration of 12% (semi-dry) under mesophlic condition (32°C). The digester was operated with different organic loading rates (OLRs) and constant retention time. The performance of the reactor was evaluated using parameters such as pH, volatile fatty acid (VFA), alkalinity, chemical oxygen demand (COD), TOC and ammonia-N as well as biogas yield. During the reactor’s start-up period, the process is stable and there is no inhibition occurred and the average biogas production was 14.7 L/day. The reactor was fed in continuous mode with different OLRs (3.1,4.2 and 5.65 kg VS/m3/d) at constant retention time of 30 days. The highest volatile solid degradation of 65.9%, with specific biogas production of 368 L/kg VS fed was achieved with OLR of 3.1 kg VS/m3/d. Modelling and simulation of anaerobic digestion of OFMSW in continuous operation is done using adapted Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1).The proposed model, which has 34 dynamic state variables, considers both biochemical and physicochemical processes and contains several inhibition factors including three gas components. The number of processes considered is 28. The model is implemented in Matlab® version 7.11.0.584(R2010b). The model based on adapted ADM1 was tested to simulate the behaviour of a bioreactor for the mesophilic anaerobic digestion of OFMSW at OLR of 3.1 kg VS/m3/d. ADM1 showed acceptable simulating results.

Modelling, control and supervision for a class of hybrid systems

The aim of this thesis is to narrow the gap between two different control techniques: the continuous control and the discrete event control techniques DES. This gap can be reduced by the study of Hybrid systems, and by interpreting as Hybrid systems the majority of large-scale systems. In particular, when looking deeply into a process, it is often possible to identify interaction between discrete and continuous signals. Hybrid systems are systems that have both continuous, and discrete signals. Continuous signals are generally supposed continuous and differentiable in time, since discrete signals are neither continuous nor differentiable in time due to their abrupt changes in time. Continuous signals often represent the measure of natural physical magnitudes such as temperature, pressure etc. The discrete signals are normally artificial signals, operated by human artefacts as current, voltage, light etc. Typical processes modelled as Hybrid systems are production systems, chemical process, or continuos production when time and continuous measures interacts with the transport, and stock inventory system. Complex systems as manufacturing lines are hybrid in a global sense. They can be decomposed into several subsystems, and their links. Another motivation for the study of Hybrid systems is the tools developed by other research domains. These tools benefit from the use of temporal logic for the analysis of several properties of Hybrid systems model, and use it to design systems and controllers, which satisfies physical or imposed restrictions. This thesis is focused in particular types of systems with discrete and continuous signals in interaction. That can be modelled hard non-linealities, such as hysteresis, jumps in the state, limit cycles, etc. and their possible non-deterministic future behaviour expressed by an interpretable model description. The Hybrid systems treated in this work are systems with several discrete states, always less than thirty states (it can arrive to NP hard problem), and continuous dynamics evolving with expression: with Ki ¡ Rn constant vectors or matrices for X components vector. In several states the continuous evolution can be several of them Ki = 0. In this formulation, the mathematics can express Time invariant linear system. By the use of this expression for a local part, the combination of several local linear models is possible to represent non-linear systems. And with the interaction with discrete events of the system the model can compose non-linear Hybrid systems. Especially multistage processes with high continuous dynamics are well represented by the proposed methodology. Sate vectors with more than two components, as third order models or higher is well approximated by the proposed approximation. Flexible belt transmission, chemical reactions with initial start-up and mobile robots with important friction are several physical systems, which profits from the benefits of proposed methodology (accuracy). The motivation of this thesis is to obtain a solution that can control and drive the Hybrid systems from the origin or starting point to the goal. How to obtain this solution, and which is the best solution in terms of one cost function subject to the physical restrictions and control actions is analysed. Hybrid systems that have several possible states, different ways to drive the system to the goal and different continuous control signals are problems that motivate this research. The requirements of the system on which we work is: a model that can represent the behaviour of the non-linear systems, and that possibilities the prediction of possible future behaviour for the model, in order to apply an supervisor which decides the optimal and secure action to drive the system toward the goal. Specific problems can be determined by the use of this kind of hybrid models are: - The unity of order. - Control the system along a reachable path. - Control the system in a safe path. - Optimise the cost function. - Modularity of control The proposed model solves the specified problems in the switching models problem, the initial condition calculus and the unity of the order models. Continuous and discrete phenomena are represented in Linear hybrid models, defined with defined eighth-tuple parameters to model different types of hybrid phenomena. Applying a transformation over the state vector : for LTI system we obtain from a two-dimensional SS a single parameter, alpha, which still maintains the dynamical information. Combining this parameter with the system output, a complete description of the system is obtained in a form of a graph in polar representation. Using Tagaki-Sugeno type III is a fuzzy model which include linear time invariant LTI models for each local model, the fuzzyfication of different LTI local model gives as a result a non-linear time invariant model. In our case the output and the alpha measure govern the membership function. Hybrid systems control is a huge task, the processes need to be guided from the Starting point to the desired End point, passing a through of different specific states and points in the trajectory. The system can be structured in different levels of abstraction and the control in three layers for the Hybrid systems from planning the process to produce the actions, these are the planning, the process and control layer. In this case the algorithms will be applied to robotics ¡V a domain where improvements are well accepted ¡V it is expected to find a simple repetitive processes for which the extra effort in complexity can be compensated by some cost reductions. It may be also interesting to implement some control optimisation to processes such as fuel injection, DC-DC converters etc. In order to apply the RW theory of discrete event systems on a Hybrid system, we must abstract the continuous signals and to project the events generated for these signals, to obtain new sets of observable and controllable events. Ramadge & Wonham¡¦s theory along with the TCT software give a Controllable Sublanguage of the legal language generated for a Discrete Event System (DES). Continuous abstraction transforms predicates over continuous variables into controllable or uncontrollable events, and modifies the set of uncontrollable, controllable observable and unobservable events. Continuous signals produce into the system virtual events, when this crosses the bound limits. If this event is deterministic, they can be projected. It is necessary to determine the controllability of this event, in order to assign this to the corresponding set, , controllable, uncontrollable, observable and unobservable set of events. Find optimal trajectories in order to minimise some cost function is the goal of the modelling procedure. Mathematical model for the system allows the user to apply mathematical techniques over this expression. These possibilities are, to minimise a specific cost function, to obtain optimal controllers and to approximate a specific trajectory. The combination of the Dynamic Programming with Bellman Principle of optimality, give us the procedure to solve the minimum time trajectory for Hybrid systems. The problem is greater when there exists interaction between adjacent states. In Hybrid systems the problem is to determine the partial set points to be applied at the local models. Optimal controller can be implemented in each local model in order to assure the minimisation of the local costs. The solution of this problem needs to give us the trajectory to follow the system. Trajectory marked by a set of set points to force the system to passing over them. Several ways are possible to drive the system from the Starting point Xi to the End point Xf. Different ways are interesting in: dynamic sense, minimum states, approximation at set points, etc. These ways need to be safe and viable and RchW. And only one of them must to be applied, normally the best, which minimises the proposed cost function. A Reachable Way, this means the controllable way and safe, will be evaluated in order to obtain which one minimises the cost function. Contribution of this work is a complete framework to work with the majority Hybrid systems, the procedures to model, control and supervise are defined and explained and its use is demonstrated. Also explained is the procedure to model the systems to be analysed for automatic verification. Great improvements were obtained by using this methodology in comparison to using other piecewise linear approximations. It is demonstrated in particular cases this methodology can provide best approximation. The most important contribution of this work, is the Alpha approximation for non-linear systems with high dynamics While this kind of process is not typical, but in this case the Alpha approximation is the best linear approximation to use, and give a compact representation.

Fractional order modeling of large three-dimensional RC networks

An incidence matrix analysis is used to model a three-dimensional network consisting of resistive and capacitive elements distributed across several interconnected layers. A systematic methodology for deriving a descriptor representation of the network with random allocation of the resistors and capacitors is proposed. Using a transformation of the descriptor representation into standard state-space form, amplitude and phase admittance responses of three-dimensional random RC networks are obtained. Such networks display an emergent behavior with a characteristic Jonscher-like response over a wide range of frequencies. A model approximation study of these networks is performed to infer the admittance response using integral and fractional order models. It was found that a fractional order model with only seven parameters can accurately describe the responses of networks composed of more than 70 nodes and 200 branches with 100 resistors and 100 capacitors. The proposed analysis can be used to model charge migration in amorphous materials, which may be associated to specific macroscopic or microscopic scale fractal geometrical structures in composites displaying a viscoelastic electromechanical response, as well as to model the collective responses of processes governed by random events described using statistical mechanics.

Balance model for equatorial long waves

Geophysical fluid models often support both fast and slow motions. As the dynamics are often dominated by the slow motions, it is desirable to filter out the fast motions by constructing balance models. An example is the quasi geostrophic (QG) model, which is used widely in meteorology and oceanography for theoretical studies, in addition to practical applications such as model initialization and data assimilation. Although the QG model works quite well in the mid-latitudes, its usefulness diminishes as one approaches the equator. Thus far, attempts to derive similar balance models for the tropics have not been entirely successful as the models generally filter out Kelvin waves, which contribute significantly to tropical low-frequency variability. There is much theoretical interest in the dynamics of planetary-scale Kelvin waves, especially for atmospheric and oceanic data assimilation where observations are generally only of the mass field and thus do not constrain the wind field without some kind of diagnostic balance relation. As a result, estimates of Kelvin wave amplitudes can be poor. Our goal is to find a balance model that includes Kelvin waves for planetary-scale motions. Using asymptotic methods, we derive a balance model for the weakly nonlinear equatorial shallow-water equations. Specifically we adopt the ‘slaving’ method proposed by Warn et al. (Q. J. R. Meteorol. Soc., vol. 121, 1995, pp. 723–739), which avoids secular terms in the expansion and thus can in principle be carried out to any order. Different from previous approaches, our expansion is based on a long-wave scaling and the slow dynamics is described using the height field instead of potential vorticity. The leading-order model is equivalent to the truncated long-wave model considered previously (e.g. Heckley & Gill, Q. J. R. Meteorol. Soc., vol. 110, 1984, pp. 203–217), which retains Kelvin waves in addition to equatorial Rossby waves. Our method allows for the derivation of higher-order models which significantly improve the representation of Rossby waves in the isotropic limit. In addition, the ‘slaving’ method is applicable even when the weakly nonlinear assumption is relaxed, and the resulting nonlinear model encompasses the weakly nonlinear model. We also demonstrate that the method can be applied to more realistic stratified models, such as the Boussinesq model.

The gravity wave momentum flux in hydrostatic flow with directional shear over elliptical mountains

Semi-analytical expressions for the momentum flux associated with orographic internal gravity waves, and closed analytical expressions for its divergence, are derived for inviscid, stationary, hydrostatic, directionally-sheared flow over mountains with an elliptical horizontal cross-section. These calculations, obtained using linear theory conjugated with a third-order WKB approximation, are valid for relatively slowly-varying, but otherwise generic wind profiles, and given in a form that is straightforward to implement in drag parametrization schemes. When normalized by the surface drag in the absence of shear, a quantity that is calculated routinely in existing drag parametrizations, the momentum flux becomes independent of the detailed shape of the orography. Unlike linear theory in the Ri → ∞ limit, the present calculations account for shear-induced amplification or reduction of the surface drag, and partial absorption of the wave momentum flux at critical levels. Profiles of the normalized momentum fluxes obtained using this model and a linear numerical model without the WKB approximation are evaluated and compared for two idealized wind profiles with directional shear, for different Richardson numbers (Ri). Agreement is found to be excellent for the first wind profile (where one of the wind components varies linearly) down to Ri = 0.5, while not so satisfactory, but still showing a large improvement relative to the Ri → ∞ limit, for the second wind profile (where the wind turns with height at a constant rate keeping a constant magnitude). These results are complementary, in the Ri > O(1) parameter range, to Broad’s generalization of the Eliassen–Palm theorem to 3D flow. They should contribute to improve drag parametrizations used in global weather and climate prediction models.