Using the EM algorithm to estimate the state space model for OMAX

This paper presents a time-domain stochastic system identification method based on Maximum Likelihood Estimation and the Expectation Maximization algorithm that is applied to the estimation of modal parameters from system input and output data. The effectiveness of this structural identification method is evaluated through numerical simulation. Modal parameters (eigenfrequencies, damping ratios and mode shapes) of the simulated structure are estimated applying the proposed identification method to a set of 100 simulated cases. The numerical results show that the proposed method estimates the modal parameters with precision in the presence of 20% measurement noise even. Finally, advantages and disadvantages of the method have been discussed.

Investigação do papel de SIGIRR/IL-1R8 no crosstalk entre células tumorais e o infiltrado leucocitário

Células tumorais desenvolvem diversas estratégias para escapar da identificação e eliminação pelo sistema imune. Dessa forma, a investigação dos mecanismos envolvidos na comunicação celular no microambiente tumoral e na desregulação local do sistema imune é crítica para uma melhor compreensão da progressão da doença e para o desenvolvimento de alternativas terapêuticas mais eficazes. Nós aqui demonstramos que SIGIRR/IL-1R8, um importante regulador negativo de receptores de Interleucina-1 (ILRs) e receptores do tipo Toll (TLRs), apresenta expressão aumentada em uma linhagem celular epitelial mamária transformada pela superexpressão do oncogene HER2 e em tumores primários de mama, e promove o crescimento tumoral e metástase através da modulação da inflamação associada ao câncer e da atenuação da resposta imune antitumoral. Observamos que IL-1R8 tem sua expressão correlacionada com HER2 em tecidos mamários e sua alta expressão é fator de pior prognóstico em câncer de mama de baixo grau. Notavelmente, níveis aumentados de IL-1R8 foram observados especialmente nos subtipos HER2+ e Luminais de tumores de mama, e sua expressão aumentada em células epiteliais de mama transformadas por HER2 diminui a ativação da via de NF-κB e a expressão de diferentes citocinas pro-inflamatórias (IL-6, IL-8, TNF, CSF2, CSF3 e IFN-β1). Meio condicionado de células transformadas por HER2, mas não de variantes celulares com o gene IL-1R8 silenciado, induz a polarização de macrófagos para o fenótipo M2 e inibe a ativação de células NK. Em um modelo murino transgênico de tumorigênese espontânea mediada por HER2, MMTV-neu, verificamos que a deficiência de IL-1R8 (IL-1R8-/-neu) retardou o aparecimento de tumores e reduziu a incidência, a carga tumoral e a disseminação metastática. Contudo, não foram observadas diferenças significativas no crescimento tumoral quando animais IL-1R8-/-neu receberam medula óssea de animais IL-1R8+/+, confirmando um papel importante da expressão de IL-1R8 em células não hematopoiéticas na tumorigênese da mama. Tumores IL-1R8+/+neu apresentaram maiores níveis de citocinas pró-inflamatórias como IL-1β e VEGF, e menores níveis da citocina imunomodulatória IFN-γ. Além disso, tumores que expressavam IL-1R8 apresentaram menor infiltrado de células NK maduras, células dendríticas (DCs) e linfócitos T-CD8+ e um maior infiltrado de macrófagos M2 e linfócitos T-CD4+. Coletivamente, esses resultados indicam que a expressão de IL-1R8 em tumores de mama pode representar um novo mecanismo de escape da resposta imune e suportam IL-1R8 como potencial alvo terapêutico.

Identificação de sistemas para o estudo de controle motor.

Qualquer tarefa motora ativa se dá pela ativação de uma população de unidades motoras. Porém, devido a diversas dificuldades, tanto técnicas quanto éticas, não é possível medir a entrada sináptica dos motoneurônios em humanos. Por essas razões, o uso de modelos computacionais realistas de um núcleo de motoneurônios e as suas respectivas fibras musculares tem um importante papel no estudo do controle humano dos músculos. Entretanto, tais modelos são complexos e uma análise matemática é difícil. Neste texto é apresentada uma abordagem baseada em identificação de sistemas de um modelo realista de um núcleo de unidades motoras, com o objetivo de obter um modelo mais simples capaz de representar a transdução das entradas do núcleo de unidades motoras na força do músculo associado ao núcleo. A identificação de sistemas foi baseada em um algoritmo de mínimos quadrados ortogonal para achar um modelo NARMAX, sendo que a entrada considerada foi a condutância sináptica excitatória dendrítica total dos motoneurônios e a saída foi a força dos músculos produzida pelo núcleo de unidades motoras. O modelo identificado reproduziu o comportamento médio da saída do modelo computacional realista, mesmo para pares de sinal de entrada-saída não usados durante o processo de identificação do modelo, como sinais de força muscular modulados senoidalmente. Funções de resposta em frequência generalizada do núcleo de motoneurônios foram obtidas do modelo NARMAX, e levaram a que se inferisse que oscilações corticais na banda-beta (20 Hz) podem influenciar no controle da geração de força pela medula espinhal, comportamento do núcleo de motoneurônios até então desconhecido.

Estudo e implementação de sinais de excitação aplicados em identificação de sistemas multivariáveis.

Devido à crescente implementação do Controle Preditivo baseado em Modelo (MPC) em outros processos além de refino e plantas petroquímicas, que geralmente possuem múltiplas entradas e saídas, tem-se um aumento na demanda de modelos gerados por identificação de sistemas. Identificar modelos que representem fielmente a dinâmica do processo depende em grande medida das características dos sinais de excitação dos processos. Assim, o foco deste trabalho é realizar um estudo dos sinais típicos usados em identificação de sistemas, PRBS e GBN, em uma abordagem multivariável. O estudo feito neste trabalho parte das características da geração dos sinais individualmente, depois é feita uma análise de correlação cruzada dos sinais de entrada, observando a influência desta sobre os resultados de identificação. Evitar uma alta correlação entre os sinais de entrada permite determinar o efeito de cada entrada sobre a saída no processo de identificação. Um ponto importante no projeto de sinais de identificação de sistemas multivariáveis é a frequência dos mesmos para conseguir excitar os processos nas regiões de frequência de operação normal e assim extrair a maior informação dinâmica possível do processo. As características estudadas são avaliadas por meio de testes em três plantas simuladas diferentes, categorizadas como mal, medianamente e bem condicionadas. Estas implementações foram feitas usando sinais GBN e PRBS de diferentes frequências. Expressões para a caracterização dos sinais de excitação foram avaliadas identificando os processos em malha aberta e malha fechada. Para as plantas mal condicionadas foram implementados sinais compostos por uma parte completamente correlacionada e uma parte não-correlacionada, conhecido como método de dois passos. Finalmente são realizados experimentos de identificação em uma aplicação em tempo real de uma planta piloto de neutralização de pH. Os testes realizados na planta foram feitos visando avaliar os estudos de frequência e correlação em uma aplicaficção real. Os resultados mostram que a condição de sinais completamente descorrelacionados n~ao deve ser cumprida para ter bons resultados nos modelos identificados. Isto permite ter mais exibilidade na geração do conjunto de sinais de excitação.

Modelagem de sinais neuronais utilizando filtros lineares de tempo discreto.

A aquisição experimental de sinais neuronais é um dos principais avanços da neurociência. Por meio de observações da corrente e do potencial elétricos em uma região cerebral, é possível entender os processos fisiológicos envolvidos na geração do potencial de ação, e produzir modelos matemáticos capazes de simular o comportamento de uma célula neuronal. Uma prática comum nesse tipo de experimento é obter leituras a partir de um arranjo de eletrodos posicionado em um meio compartilhado por diversos neurônios, o que resulta em uma mistura de sinais neuronais em uma mesma série temporal. Este trabalho propõe um modelo linear de tempo discreto para o sinal produzido durante o disparo do neurônio. Os coeficientes desse modelo são calculados utilizando-se amostras reais dos sinais neuronais obtidas in vivo. O processo de modelagem concebido emprega técnicas de identificação de sistemas e processamento de sinais, e é dissociado de considerações sobre o funcionamento biofísico da célula, fornecendo uma alternativa de baixa complexidade para a modelagem do disparo neuronal. Além disso, a representação por meio de sistemas lineares permite idealizar um sistema inverso, cuja função é recuperar o sinal original de cada neurônio ativo em uma mistura extracelular. Nesse contexto, são discutidas algumas soluções baseadas em filtros adaptativos para a simulação do sistema inverso, introduzindo uma nova abordagem para o problema de separação de spikes neuronais.

Identidad y filiaciones,

"Trabajo presentado á la sección 'Ciencias sociales' del tercer Congreso Científico Latino-Americano."

Closed-Loop Deep Brain Stimulation: Bidirectional Neuroprosthetics for Tremor and BCI

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

An extensive repertoire of type III secretion effectors in Escherichia coli O157 and the role of lambdoid phages in their dissemination

Several pathogenic strains of Escherichia coli exploit type III secretion to inject effector proteins into human cells, which then subvert eukaryotic cell biology to the bacterium's advantage. We have exploited bioinformatics and experimental approaches to establish that the effector repertoire in the Sakai strain of enterohemorrhagic E. coli (EHEC) O157:H7 is much larger than previously thought. Homology searches led to the identification of > 60 putative effector genes. Thirteen of these were judged to be likely pseudogenes, whereas 49 were judged to be potentially functional. In total, 39 proteins were confirmed experimentally as effectors: 31 through proteomics and 28 through translocation assays. At the protein level, the EHEC effector sequences fall into > 20 families. The largest family, the NleG family, contains 14 members in the Sakai strain alone. EHEC also harbors functional homologs of effectors from plant pathogens (HopPtoH, HopW, AvrA) and from Shigella (OspD, OspE, OspG), and two additional members of the Map/IpgB family. Genes encoding proven or predicted effectors occur in > 20 exchangeable effector loci scattered throughout the chromosome. Crucially, the majority of functional effector genes are encoded by nine exchangeable effector loci that lie within lambdoid prophages. Thus, type III secretion in E. coli is linked to a vast phage metagenome, acting as a crucible for the evolution of pathogenicity.

Mathematical modelling and control of agitated extraction columns

Liquid-liquid extraction has long been known as a unit operation that plays an important role in industry. This process is well known for its complexity and sensitivity to operation conditions. This thesis presents an attempt to explore the dynamics and control of this process using a systematic approach and state of the art control system design techniques. The process was studied first experimentally under carefully selected. operation conditions, which resembles the ranges employed practically under stable and efficient conditions. Data were collected at steady state conditions using adequate sampling techniques for the dispersed and continuous phases as well as during the transients of the column with the aid of a computer-based online data logging system and online concentration analysis. A stagewise single stage backflow model was improved to mimic the dynamic operation of the column. The developed model accounts for the variation in hydrodynamics, mass transfer, and physical properties throughout the length of the column. End effects were treated by addition of stages at the column entrances. Two parameters were incorporated in the model namely; mass transfer weight factor to correct for the assumption of no mass transfer in the. settling zones at each stage and the backmixing coefficients to handle the axial dispersion phenomena encountered in the course of column operation. The parameters were estimated by minimizing the differences between the experimental and the model predicted concentration profiles at steady state conditions using non-linear optimisation technique. The estimated values were then correlated as functions of operating parameters and were incorporated in·the model equations. The model equations comprise a stiff differential~algebraic system. This system was solved using the GEAR ODE solver. The calculated concentration profiles were compared to those experimentally measured. A very good agreement of the two profiles was achieved within a percent relative error of ±2.S%. The developed rigorous dynamic model of the extraction column was used to derive linear time-invariant reduced-order models that relate the input variables (agitator speed, solvent feed flowrate and concentration, feed concentration and flowrate) to the output variables (raffinate concentration and extract concentration) using the asymptotic method of system identification. The reduced-order models were shown to be accurate in capturing the dynamic behaviour of the process with a maximum modelling prediction error of I %. The simplicity and accuracy of the derived reduced-order models allow for control system design and analysis of such complicated processes. The extraction column is a typical multivariable process with agitator speed and solvent feed flowrate considered as manipulative variables; raffinate concentration and extract concentration as controlled variables and the feeds concentration and feed flowrate as disturbance variables. The control system design of the extraction process was tackled as multi-loop decentralised SISO (Single Input Single Output) as well as centralised MIMO (Multi-Input Multi-Output) system using both conventional and model-based control techniques such as IMC (Internal Model Control) and MPC (Model Predictive Control). Control performance of each control scheme was. studied in terms of stability, speed of response, sensitivity to modelling errors (robustness), setpoint tracking capabilities and load rejection. For decentralised control, multiple loops were assigned to pair.each manipulated variable with each controlled variable according to the interaction analysis and other pairing criteria such as relative gain array (RGA), singular value analysis (SVD). Loops namely Rotor speed-Raffinate concentration and Solvent flowrate Extract concentration showed weak interaction. Multivariable MPC has shown more effective performance compared to other conventional techniques since it accounts for loops interaction, time delays, and input-output variables constraints.

The design of environmental test rigs

Product reliability and its environmental performance have become critical elements within a product's specification and design. To obtain a high level of confidence in the reliability of the design it is customary to test the design under realistic conditions in a laboratory. The objective of the work is to examine the feasibility of designing mechanical test rigs which exhibit prescribed dynamical characteristics. The design is then attached to the rig and excitation is applied to the rig, which then transmits representative vibration levels into the product. The philosophical considerations made at the outset of the project are discussed as they form the basis for the resulting design methodologies. It is attempted to directly identify the parameters of a test rig from the spatial model derived during the system identification process. It is shown to be impossible to identify a feasible test rig design using this technique. A finite dimensional optimal design methodology is developed which identifies the parameters of a discrete spring/mass system which is dynamically similar to a point coordinate on a continuous structure. This design methodology is incorporated within another procedure which derives a structure comprising a continuous element and a discrete system. This methodology is used to obtain point coordinate similarity for two planes of motion, which is validated by experimental tests. A limitation of this approach is that it is impossible to achieve multi-coordinate similarity due to an interaction of the discrete system and the continuous element at points away from the coordinate of interest. During the work the importance of the continuous element is highlighted and a design methodology is developed for continuous structures. The design methodology is based upon distributed parameter optimal design techniques and allows an initial poor design estimate to be moved in a feasible direction towards an acceptable design solution. Cumulative damage theory is used to provide a quantitative method of assessing the quality of dynamic similarity. It is shown that the combination of modal analysis techniques and cumulative damage theory provides a feasible design synthesis methodology for representative test rigs.

Algoritmo modificado de PSO matricial aplicado a identificação de sistemas com análise de convergência

Recentemente diversas técnicas de computação evolucionárias têm sido utilizadas em áreas como estimação de parâmetros de processos dinâmicos lineares e não lineares ou até sujeitos a incertezas. Isso motiva a utilização de algoritmos como o otimizador por nuvem de partículas (PSO) nas referidas áreas do conhecimento. Porém, pouco se sabe sobre a convergência desse algoritmo e, principalmente, as análises e estudos realizados têm se concentrado em resultados experimentais. Por isso, é objetivo deste trabalho propor uma nova estrutura para o PSO que permita analisar melhor a convergência do algoritmo de forma analítica. Para isso, o PSO é reestruturado para assumir uma forma matricial e reformulado como um sistema linear por partes. As partes serão analisadas de forma separada e será proposta a inserção de um fator de esquecimento que garante que a parte mais significativa deste sistema possua autovalores dentro do círculo de raio unitário. Também será realizada a análise da convergência do algoritmo como um todo, utilizando um critério de convergência quase certa, aplicável a sistemas chaveados. Na sequência, serão realizados testes experimentais de maneira a verificar o comportamento dos autovalores após a inserção do fator de esquecimento. Posteriormente, os algoritmos de identificação de parâmetros tradicionais serão combinados com o PSO matricial, de maneira a tornar os resultados da identificação tão bons ou melhores que a identificação apenas com o PSO ou, apenas com os algoritmos tradicionais. Os resultados mostram a convergência das partículas em uma região delimitada e que as funções obtidas após a combinação do algoritmo PSO matricial com os algoritmos convencionais, apresentam maior generalização para o sistema apresentado. As conclusões a que se chega é que a hibridização, apesar de limitar a busca por uma partícula mais apta do PSO, permite um desempenho mínimo para o algoritmo e ainda possibilita melhorar o resultado obtido com os algoritmos tradicionais, permitindo a representação do sistema aproximado em quantidades maiores de frequências.

Critério de correntropia no treinamento de redes fuzzy wavelet neural networks para identificação de sistemas dinâmicos não lineares

The great interest in nonlinear system identification is mainly due to the fact that a large amount of real systems are complex and need to have their nonlinearities considered so that their models can be successfully used in applications of control, prediction, inference, among others. This work evaluates the application of Fuzzy Wavelet Neural Networks (FWNN) to identify nonlinear dynamical systems subjected to noise and outliers. Generally, these elements cause negative effects on the identification procedure, resulting in erroneous interpretations regarding the dynamical behavior of the system. The FWNN combines in a single structure the ability to deal with uncertainties of fuzzy logic, the multiresolution characteristics of wavelet theory and learning and generalization abilities of the artificial neural networks. Usually, the learning procedure of these neural networks is realized by a gradient based method, which uses the mean squared error as its cost function. This work proposes the replacement of this traditional function by an Information Theoretic Learning similarity measure, called correntropy. With the use of this similarity measure, higher order statistics can be considered during the FWNN training process. For this reason, this measure is more suitable for non-Gaussian error distributions and makes the training less sensitive to the presence of outliers. In order to evaluate this replacement, FWNN models are obtained in two identification case studies: a real nonlinear system, consisting of a multisection tank, and a simulated system based on a model of the human knee joint. The results demonstrate that the application of correntropy as the error backpropagation algorithm cost function makes the identification procedure using FWNN models more robust to outliers. However, this is only achieved if the gaussian kernel width of correntropy is properly adjusted.

Updating of an instrumented building model considering amplitude dependence of dynamic resonant properties extracted from seismic response records

The authors would like to express their gratitude to their supporters. Drs Jim Cousins, S.R. Uma and Ken Gledhill facilitated this research by providing access to GeoNet seismic data and structural building information. Piotr Omenzetter’s work within the Lloyd’s Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Updating of an instrumented building model considering amplitude dependence of dynamic resonant properties extracted from seismic response records

The authors would like to express their gratitude to their supporters. Drs Jim Cousins, S.R. Uma and Ken Gledhill facilitated this research by providing access to GeoNet seismic data and structural building information. Piotr Omenzetter’s work within the Lloyd’s Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Experimental investigation into amplitude-dependent modal properties of an eleven-span motorway bridge

The authors would like to thank their supporters. New Zealand Earthquake Commission (EQC) Research Foundation provided financial support for experimental work (Grant No. UNI/578). New Zealand Transport Agency (NZTA) provided access to the bridge. Piotr Omenzetter’s work within the LRF Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research. Ge-Wei Chen’s doctoral study is supported by China Scholarship Council (CSC) (Grant No. 2011637065).