Dynamical aspects of coupled Rossler systems: effects of noise

Nonlinear time series analysis is employed to study the complex behaviour exhibited by a coupled pair of Rossler systems. Dimensional analysis with emphasis on the topological correlation dimension and the Kolmogorov entropy of the system is carried out in the coupling parameter space. The regime of phase synchronization is identified and the extent of synchronization between the systems constituting the coupled system is quantified by the phase synchronization index. The effect of noise on the coupling between the systems is also investigated. An exhaustive study of the topological, dynamical and synchronization properties of the nonlinear system under consideration in its characteristic parameter space is attempted.

Significance of Time Scales in Nonlinear Dynamical Analysis of Electroencephalogram Signals

We propose to show in this paper, that the time series obtained from biological systems such as human brain are invariably nonstationary because of different time scales involved in the dynamical process. This makes the invariant parameters time dependent. We made a global analysis of the EEG data obtained from the eight locations on the skull space and studied simultaneously the dynamical characteristics from various parts of the brain. We have proved that the dynamical parameters are sensitive to the time scales and hence in the study of brain one must identify all relevant time scales involved in the process to get an insight in the working of brain.

Phase effects on synchronization by dynamical relaying in delay-coupled systems

Synchronization in an array of mutually coupled systems with a finite time delay in coupling is studied using the Josephson junction as a model system. The sum of the transverse Lyapunov exponents is evaluated as a function of the parameters by linearizing the equation about the synchronization manifold. The dependence of synchronization on damping parameter, coupling constant, and time delay is studied numerically. The change in the dynamics of the system due to time delay and phase difference between the applied fields is studied. The case where a small frequency detuning between the applied fields is also discussed.

Closure of the Monte Carlo dynamical equation in the spherical Sherrington-Kirkpatrick model

We study the analytical solution of the Monte Carlo dynamics in the spherical Sherrington-Kirkpatrick model using the technique of the generating function. Explicit solutions for one-time observables (like the energy) and two-time observables (like the correlation and response function) are obtained. We show that the crucial quantity which governs the dynamics is the acceptance rate. At zero temperature, an adiabatic approximation reveals that the relaxational behavior of the model corresponds to that of a single harmonic oscillator with an effective renormalized mass.

The role of dynamical polarization of the ligand-to-metal charge transfer excitations in the ab initio determination of effective exchange parameters

The role of the bridging ligand on the effective Heisenberg coupling parameters is analyzed in detail. This analysis strongly suggests that the ligand-to-metal charge transfer excitations are responsible for a large part of the final value of the magnetic coupling constant. This permits us to suggest a variant of the difference dedicated configuration interaction (DDCI) method, presently one of the most accurate and reliable for the evaluation of magnetic effective interactions. This method treats the bridging ligand orbitals mediating the interaction at the same level than the magnetic orbitals and preserves the high quality of the DDCI results while being much less computationally demanding. The numerical accuracy of the new approach is illustrated on various systems with one or two magnetic electrons per magnetic center. The fact that accurate results can be obtained using a rather reduced configuration interaction space opens the possibility to study more complex systems with many magnetic centers and/or many electrons per center.

Thermo- Optic and Nonlinear-Optical studies on CdSe Quantum Dots for Photonic Applications

In general, linear- optic, thermo- optic and nonlinear- optical studies on CdSe QDs based nano uids and their special applications in solar cells and random lasers have been studied in this thesis. Photo acous- tic and thermal lens studies are the two characterization methods used for thermo- optic studies whereas Z- scan method is used for nonlinear- optical charecterization. In all these cases we have selected CdSe QDs based nano uid as potential photonic material and studied the e ect of metal NPs on its properties. Linear optical studies on these materials have been done using vari- ous characterization methods and photo induced studies is one of them. Thermal lens studies on these materials give information about heat transport properties of these materials and their suitability for applica- tions such as coolant and insulators. Photo acoustic studies shows the e ect of light on the absorption energy levels of the materials. We have also observed that these materials can be used as optical limiters in the eld of nonlinear optics. Special applications of these materials have been studied in the eld of solar cell such as QDSSCs, where CdSe QDs act as the sensitizing materials for light harvesting. Random lasers have many applications in the eld of laser technology, in which CdSe QDs act as scattering media for the gain.

Mechanismenorientierte Lebensdauervorhersage für eine thermo-mechanisch hergestellte Flanschwelle mit gradiertem Gefüge

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur mechanismenorientierten Lebensdauervorhersage entwickelt und auf eine Flanschwelle mit gradiertem Gefüge übertragen. Das Konzept wird in Form eines Computercodes (LOCC) zur Anwendung gebracht. Basierend auf lokalen Spannungen wird für jedes Element eines FE-Modells eine bedingte Versagenswahrscheinlichkeit berechnet. Mithilfe bruch- und ggf. mikromechanischer Modelle werden lokale kritische Risslängen und die bei gegebener Lebensdauer zugehörigen Anfangsrisslängen bestimmt. Diese werden mit geeigneten Modellen in mikrostrukturelle Größen überführt. Die Lebensdauerverteilung der Komponente ergibt sich schließlich aus der Verteilungsfunktion der Anfangsrisslängen bzw. der zugehörigen mikrostrukturellen Einheiten. Die betrachtete Flanschwelle weist als Ergebnis eines thermo-mechanischen Umformprozesses ein gradiertes Gefüge auf. Das Ermüdungsverhalten der Hauptphasen Ferrit-Perlit und Martensit wird untersucht. Während ausgewählter Ermüdungsversuche wird die Schädigungsentwicklung an der Oberfläche mit einem langreichweitigen Mikroskop beobachtet. Das ferritisch-perlitische Ausgangsgefüge zeigt eine sehr komplexe Schädigungsentwicklung (lokale plastische Aktivität, hohe Rissdichte), während beim Martensit keine multiple Rissinitiierung beobachtet wird. Anhand fraktographischer Untersuchungen wird dargelegt, dass der Hauptriss beim Martensit im Bereich von Karbidanhäufungen initiiert. Im LCF-Bereich wird nur ein verschwindender Anteil der Lebensdauer mit Langrisswachstum verbracht, d. h. die martensitischen Proben versagen fast unmittelbar nach der Rissinitiierung. Die Beschreibung ihrer Lebensdauer wird somit direkt auf die Rissinitiierungsphase zurückgeführt. Das ferritisch-perlitische Gefüge hingegen zeigt im LCF-Bereich sowohl eine ausgeprägte Rissinitiierungs- wie auch Langrisswachstumsphase. Diese komplexe Schädigungsentwicklung wird mittels verschiedener Schädigungsvariablen beschrieben, die im Rahmen einer automatisierten Bildanalyse bestimmt werden. Hierbei werden sowohl plastisch stark aktive Bereiche wie auch reale Risse pauschal als Schädigung definiert. Der Vergleich dieser automatisiert bestimmten Schädigungsvariablen mit ausgewählten Rissen zeigt deren Eignung zur quantitativen Beschreibung der Schädigungsentwicklung. Die Lebensdauer einer gradierten Komponente ergibt sich nicht direkt durch Verknüpfung der Lebensdauern der Einzelphasen, sondern sie hängt ggf. auch von den Übergangsbereichen zwischen den Phasen ab. Mithilfe einiger grundlegender bruchmechanischer Überlegungen wird ein konservatives Kriterium zur Behandlung solcher Übergangsbereiche bereitgestellt, womit das LOCC-Konzept letztendlich erfolgreich auf die gradierte Flanschwelle übertragen wird.

Development of thermo-analytical prediction and classification models for food in thermal devices using a multi sensor system and artificial neural networks

Die thermische Verarbeitung von Lebensmitteln beeinflusst deren Qualität und ernährungsphysiologischen Eigenschaften. Im Haushalt ist die Überwachung der Temperatur innerhalb des Lebensmittels sehr schwierig. Zudem ist das Wissen über optimale Temperatur- und Zeitparameter für die verschiedenen Speisen oft unzureichend. Die optimale Steuerung der thermischen Zubereitung ist maßgeblich abhängig von der Art des Lebensmittels und der äußeren und inneren Temperatureinwirkung während des Garvorgangs. Das Ziel der Arbeiten war die Entwicklung eines automatischen Backofens, der in der Lage ist, die Art des Lebensmittels zu erkennen und die Temperatur im Inneren des Lebensmittels während des Backens zu errechnen. Die für die Temperaturberechnung benötigten Daten wurden mit mehreren Sensoren erfasst. Hierzu kam ein Infrarotthermometer, ein Infrarotabstandssensor, eine Kamera, ein Temperatursensor und ein Lambdasonde innerhalb des Ofens zum Einsatz. Ferner wurden eine Wägezelle, ein Strom- sowie Spannungs-Sensor und ein Temperatursensor außerhalb des Ofens genutzt. Die während der Aufheizphase aufgenommen Datensätze ermöglichten das Training mehrerer künstlicher neuronaler Netze, die die verschiedenen Lebensmittel in die entsprechenden Kategorien einordnen konnten, um so das optimale Backprogram auszuwählen. Zur Abschätzung der thermische Diffusivität der Nahrung, die von der Zusammensetzung (Kohlenhydrate, Fett, Protein, Wasser) abhängt, wurden mehrere künstliche neuronale Netze trainiert. Mit Ausnahme des Fettanteils der Lebensmittel konnten alle Komponenten durch verschiedene KNNs mit einem Maximum von 8 versteckten Neuronen ausreichend genau abgeschätzt werden um auf deren Grundlage die Temperatur im inneren des Lebensmittels zu berechnen. Die durchgeführte Arbeit zeigt, dass mit Hilfe verschiedenster Sensoren zur direkten beziehungsweise indirekten Messung der äußeren Eigenschaften der Lebensmittel sowie KNNs für die Kategorisierung und Abschätzung der Lebensmittelzusammensetzung die automatische Erkennung und Berechnung der inneren Temperatur von verschiedensten Lebensmitteln möglich ist.

Automatic Analysis and Synthesis of Controllers for Dynamical Systems Based On P

I present a novel design methodology for the synthesis of automatic controllers, together with a computational environment---the Control Engineer's Workbench---integrating a suite of programs that automatically analyze and design controllers for high-performance, global control of nonlinear systems. This work demonstrates that difficult control synthesis tasks can be automated, using programs that actively exploit and efficiently represent knowledge of nonlinear dynamics and phase space and effectively use the representation to guide and perform the control design. The Control Engineer's Workbench combines powerful numerical and symbolic computations with artificial intelligence reasoning techniques. As a demonstration, the Workbench automatically designed a high-quality maglev controller that outperforms a previous linear design by a factor of 20.

A Dynamical Systems Model for Language Change

Formalizing linguists' intuitions of language change as a dynamical system, we quantify the time course of language change including sudden vs. gradual changes in languages. We apply the computer model to the historical loss of Verb Second from Old French to modern French, showing that otherwise adequate grammatical theories can fail our new evolutionary criterion.

Discrete Dynamical Systems

Exercises and solutions for a third or fourth year maths course. Diagrams for the questions are all together in the support.zip file, as .eps files

Solar influences on dynamical coupling between the stratosphere and troposphere

We use a simplified atmospheric general circulation model (AGCM) to investigate the response of the lower atmosphere to thermal perturbations in the lower stratosphere. The results show that generic heating of the lower stratosphere tends to weaken the sub-tropical jets and the tropospheric mean meridional circulations. The positions of the jets, and the extent of the Hadley cells, respond to the distribution of the stratospheric heating, with low latitude heating displacing them poleward, and uniform heating displacing them equatorward. The patterns of response to the low latitude heating are similar to those found to be associated with solar variability in previous observational data analysis, and to the effects of varying solar UV radiation in sophisticated AGCMs. In order to investigate the chain of causality involved in converting the stratospheric thermal forcing to a tropospheric climate signal we conduct an experiment which uses an ensemble of model spin-ups to analyse the time development of the response to an applied stratospheric perturbation. We find that the initial effect of the change in static stability at the tropopause is to reduce the eddy momentum flux convergence in this region. This is followed by a vertical transfer of the momentum forcing anomaly by an anomalous mean circulation to the surface, where it is partly balanced by surface stress anomalies. The unbalanced part drives the evolution of the vertically integrated zonal flow. We conclude that solar heating of the stratosphere may produce changes in the circulation of the troposphere even without any direct forcing below the tropopause. We suggest that the impact of the stratospheric changes on wave propagation is key to the mechanisms involved.

Classifying dynamical forcing mechanisms using a climatology of extratropical cyclones

A climatology of almost 700 extratropical cyclones is compiled by applying an automated feature tracking algorithm to a database of objectively identified cyclonic features. Cyclones are classified according to the relative contributions to the midlevel vertical motion of the forcing from upper and lower levels averaged over the cyclone intensification period (average U/L ratio) and also by the horizontal separation between their upper-level trough and low-level cyclone (tilt). The frequency distribution of the average U/L ratio of the cyclones contains two significant peaks and a long tail at high U/L ratio. Although discrete categories of cyclones have not been identified, the cyclones comprising the peaks and tail have characteristics that have been shown to be consistent with the type A, B, and C cyclones of the threefold classification scheme. Using the thresholds in average U/L ratio determined from the frequency distribution, type A, B, and C cyclones account for 30\%, 38\%, and 32\% of the total number of cyclones respectively. Cyclones with small average U/L ratio are more likely to be developing cyclones (attain a relative vorticity $\ge 1.2 \times 10^{-4} \mbox{s}^{-1}$) whereas cyclones with large average U/L ratio are more likely to be nondeveloping cyclones (60\% of type A cyclones develop whereas 31\% of type C cyclones develop). Type A cyclogenesis dominates in the development region East of the Rockies and over the gulf stream, type B cyclogenesis dominates in the region off the East coast of the USA, and type C cyclogenesis is more common over the oceans in regions of weaker low-level baroclinicity.