Desenvolvimento de um controlador preditivo estocástico para processos da indústria química.

O sucesso de estratégias de controle preditivo baseado em modelo (MPC, na sigla em inglês) tanto em ambiente industrial quanto acadêmico tem sido marcante. No entanto, ainda há diversas questões em aberto na área, especialmente quando a hipótese simplificadora de modelo perfeito é abandonada. A consideração explícita de incertezas levou a importantes progressos na área de controle robusto, mas esta ainda apresenta alguns problemas: a alta demanda computacional e o excesso de conservadorismo são questões que podem ter prejudicado a aplicação de estratégias de controle robusto na prática. A abordagem de controle preditivo estocástico (SMPC, na sigla em inglês) busca a redução do conservadorismo através da incorporação de informação estatística dos ruídos. Como processos na indústria química sempre estão sujeito a distúrbios, seja devido a diferenças entre planta e modelo ou a distúrbios não medidos, está técnica surge como uma interessante alternativa para o futuro. O principal objetivo desta tese é o desenvolvimento de algoritmos de SMPC que levem em conta algumas das especificidades de tais processos, as quais não foram adequadamente tratadas na literatura até o presente. A contribuição mais importante é a inclusão de ação integral no controlador através de uma descrição do modelo em termos de velocidade. Além disso, restrições obrigatórias (hard) nas entradas associadas a limites físicos ou de segurança e restrições probabilísticas nos estados normalmente advindas de especificações de produtos também são consideradas na formulação. Duas abordagens foram seguidas neste trabalho, a primeira é mais direta enquanto a segunda fornece garantias de estabilidade em malha fechada, contudo aumenta o conservadorismo. Outro ponto interessante desenvolvido nesta tese é o controle por zonas de sistemas sujeitos a distúrbios. Essa forma de controle é comum na indústria devido à falta de graus de liberdade, sendo a abordagem proposta a primeira contribuição da literatura a unir controle por zonas e SMPC. Diversas simulações de todos os controladores propostos e comparações com modelos da literatura são exibidas para demonstrar o potencial de aplicação das técnicas desenvolvidas.

Unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico de um motor de combustão interna ciclo Otto.

Nas últimas décadas, a indústria automobilística mundial vem investindo no desenvolvimento tecnológico dos motores, com o objetivo de alcançar melhor eficiência energética e atender às legislações que limitam a quantidade de resíduos tóxicos nos gases de exaustão e menor consumo de combustível. Isso resultou na implantação dos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, que possibilitam funcionalidades para se controlar diversas variáveis do motor, aumentando consideravelmente o rendimento do motor. Este trabalho tem como objetivos explorar a dinâmica de um motor de combustão interna ciclo Otto, os sinais elétricos associados, e os componentes de seu gerenciamento eletrônico. A partir dessas informações, o trabalho apresenta o processo de analise dos sinais elétricos e as estratégias de controle utilizadas em um sistema de gerenciamento real. Assim, são desenvolvidos o hardware e o firmware de uma unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico do motor. O hardware foi elaborado com uma concepção centralizada, ou seja, foi usado apenas um microcontrolador de 32-bit para gerenciar todas as funções. O firmware de controle foi desenvolvido de forma modular baseado em modelos de malha fechada. O modelo matemático do motor foi identificado utilizando técnicas de controle em um veículo real, e a avalidação do modelo foi obtida através de testes em um dinamômetro inercial.

Controle da mistura ar/combustível em um motor a combustão interna: sistema em malha fechada.

O controle da mistura ar/combustível é muito importante para o correto funcionamento dos motores à combustão interna ciclo Otto. A relação entre o ar e o combustível influencia diretamente no funcionamento do motor, na emissão de poluentes e no consumo de combustível. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um controle da mistura ar/combustível a partir do estudo de modelos de malha fechada deste sistema. Esse controle tem por objetivo manter a mistura o mais próxima possível do ponto estequiométrico, a fim de otimizar a taxa de conversão de gases poluentes pelo catalisador, e utiliza um sensor de oxigênio, conhecido como sonda lambda, para realizar a realimentação do sistema, indicando se a mistura está no ponto estequiométrico. Este trabalho também apresenta o desenvolvimento de um compensador em malha fechada para controlar a mistura a/c (ar/combustível) em outros pontos, além do estequiométrico, através do uso de uma sonda lambda de banda larga.

Algebraic derivative estimation applied to nonlinear control of magnetic levitation.

The subject of this thesis is the real-time implementation of algebraic derivative estimators as observers in nonlinear control of magnetic levitation systems. These estimators are based on operational calculus and implemented as FIR filters, resulting on a feasible real-time implementation. The algebraic method provide a fast, non-asymptotic state estimation. For the magnetic levitation systems, the algebraic estimators may replace the standard asymptotic observers assuring very good performance and robustness. To validate the estimators as observers in closed-loop control, several nonlinear controllers are proposed and implemented in a experimental magnetic levitation prototype. The results show an excellent performance of the proposed control laws together with the algebraic estimators.

Desenvolvimento artificial autônomo de um grafo sensório-motor auto-organizável.

A teoria de Jean Piaget sobre o desenvolvimento da inteligência tem sido utilizada na área de inteligência computacional como inspiração para a proposição de modelos de agentes cognitivos. Embora os modelos propostos implementem aspectos básicos importantes da teoria de Piaget, como a estrutura do esquema cognitivo, não consideram o problema da fundamentação simbólica e, portanto, não se preocupam com os aspectos da teoria que levam à aquisição autônoma da semântica básica para a organização cognitiva do mundo externo, como é o caso da aquisição da noção de objeto. Neste trabalho apresentamos um modelo computacional de esquema cognitivo inspirado na teoria de Piaget sobre a inteligência sensório-motora que se desenvolve autonomamente construindo mecanismos por meio de princípios computacionais pautados pelo problema da fundamentação simbólica. O modelo de esquema proposto tem como base a classificação de situações sensório-motoras utilizadas para a percepção, captação e armazenamento das relações causais determiníscas de menor granularidade. Estas causalidades são então expandidas espaço-temporalmente por estruturas mais complexas que se utilizam das anteriores e que também são projetadas de forma a possibilitar que outras estruturas computacionais autônomas mais complexas se utilizem delas. O modelo proposto é implementado por uma rede neural artificial feed-forward cujos elementos da camada de saída se auto-organizam para gerar um grafo sensóriomotor objetivado. Alguns mecanismos computacionais já existentes na área de inteligência computacional foram modificados para se enquadrarem aos paradigmas de semântica nula e do desenvolvimento mental autônomo, tomados como base para lidar com o problema da fundamentação simbólica. O grafo sensório-motor auto-organizável que implementa um modelo de esquema inspirado na teoria de Piaget proposto neste trabalho, conjuntamente com os princípios computacionais utilizados para sua concepção caminha na direção da busca pelo desenvolvimento cognitivo artificial autônomo da noção de objeto.

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.

A synthetic biology-based device prevents liver injury in mice

BACKGROUND & AIMS The liver performs a panoply of complex activities coordinating metabolic, immunologic and detoxification processes. Despite the liver's robustness and unique self-regeneration capacity, viral infection, autoimmune disorders, fatty liver disease, alcohol abuse and drug-induced hepatotoxicity contribute to the increasing prevalence of liver failure. Liver injuries impair the clearance of bile acids from the hepatic portal vein which leads to their spill over into the peripheral circulation where they activate the G-protein-coupled bile acid receptor TGR5 to initiate a variety of hepatoprotective processes. METHODS By functionally linking activation of ectopically expressed TGR5 to an artificial promoter controlling transcription of the hepatocyte growth factor (HGF), we created a closed-loop synthetic signalling network that coordinated liver injury-associated serum bile acid levels to expression of HGF in a self-sufficient, reversible and dose-dependent manner. RESULTS After implantation of genetically engineered human cells inside auto-vascularizing, immunoprotective and clinically validated alginate-poly-(L-lysine)-alginate beads into mice, the liver-protection device detected pathologic serum bile acid levels and produced therapeutic HGF levels that protected the animals from acute drug-induced liver failure. CONCLUSIONS Genetically engineered cells containing theranostic gene circuits that dynamically interface with host metabolism may provide novel opportunities for preventive, acute and chronic healthcare. LAY SUMMARY Liver diseases leading to organ failure may go unnoticed as they do not trigger any symptoms or significant discomfort. We have designed a synthetic gene circuit that senses excessive bile acid levels associated with liver injuries and automatically produces a therapeutic protein in response. When integrated into mammalian cells and implanted into mice, the circuit detects the onset of liver injuries and coordinates the production of a protein pharmaceutical which prevents liver damage.

Learning Models of Gene Expression from Synthetic DNA Sequences

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

Experimental muscle pain changes feedforward postural responses of the trunk muscles

Many studies have identified changes in trunk muscle recruitment in clinical low back pain (LBP). However, due to the heterogeneity of the LBP population these changes have been variable and it has been impossible to identify a cause-effect relationship. Several studies have identified a consistent change in the feed-forward postural response of transversus abdominis (TrA), the deepest abdominal muscle, in association with arm movements in chronic LBP. This study aimed to determine whether the feedforward recruitment of the trunk muscles in a postural task could be altered by acute experimentally induced LBP. Electromyographic (EMG) recordings of the abdominal and paraspinal muscles were made during arm movements in a control trial, following the injection of isotonic (non-painful) and hypertonic (painful) saline into the longissimus muscle at L4, and during a 1-h follow-up. Movements included rapid arm flexion in response to a light and repetitive arm flexion-extension. Temporal and spatial EMG parameters were measured. The onset and amplitude of EMG of most muscles was changed in a variable manner during the period of experimentally induced pain. However, across movement trials and subjects the activation of TrA was consistently reduced in amplitude or delayed. Analyses in the time and frequency domain were used to confirm these findings. The results suggest that acute experimentally induced pain may affect feedforward postural activity of the trunk muscles. Although the response was variable, pain produced differential changes in the motor control of the trunk muscles, with consistent impairment of TrA activity.

Spatio-temporal evaluation of neck muscle activation during postural perturbations in healthy subjects

The purpose of this study was to examine the spatio-temporal activation of the sternocleidomastoid (SCM) and cervical extensor (CE) muscles with respect to the deltoid muscle onset during rapid voluntary upper limb movement in healthy volunteers. The repeatability and reliability of the spatio-temporal aspects of the myoelectric signals were also examined. Ten subjects performed bilateral and unilateral rapid upper limb flexion, abduction and extension in response to a visual stimulus. EMG onsets and normalised root mean square (nRMS) values were calculated for the SCM and CE muscles. Subjects attended three testing sessions over non-consecutive days allowing the repeatability and reliability of these measures to be assessed. The SCM and CE muscles demonstrated feed-forward activation (activation within 50 ms of deltoid onset) during rapid arm movements in all directions. The sequence and magnitude of neck muscle activation displayed directional specificity, however, the neck flexor and extensor muscles displayed co-activation during all perturbations. EMG onsets demonstrated high repeatability in terms of repeated measure precision (nSEM in the range 1.9-5.7%). This was less evident for the repeatability of nRMS values. The results of this study provide a greater understanding of cervical neuromotor control strategies. During bilateral and unilateral upper limb perturbations, the SCM and CE muscles demonstrate feed-forward co-activation. It seems apparent that feed-forward activation of neck muscles is a mechanism necessary to achieve stability for the visual and vestibular systems, whilst ensuring stabilisation and protection of the cervical spine. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nonlinear quantum optical computing via measurement

We show how the measurement induced model of quantum computation proposed by Raussendorf and Briegel ( 2001, Phys. Rev. Letts., 86, 5188) can be adapted to a nonlinear optical interaction. This optical implementation requires a Kerr nonlinearity, a single photon source, a single photon detector and fast feed forward. Although nondeterministic optical quantum information proposals such as that suggested by KLM ( 2001, Nature, 409, 46) do not require a Kerr nonlinearity they do require complex reconfigurable optical networks. The proposal in this paper has the benefit of a single static optical layout with fixed device parameters, where the algorithm is defined by the final measurement procedure.

Delayed onset of transversus abdominus in long-standing groin pain

Long-standing groin pain is a persistent problem that is commonly difficult to rehabilitate. Theoretical rationale indicates a relationship between the motor control of the pelvis and long-standing groin pain; however, this link has not been investigated. Purpose: The current experiment aimed to evaluate motor control of the abdominal muscles in a group of Australian football players with and without long-standing groin pain. Methods: Ten participants with long-standing groin pain and 12 asymptomatic controls were recruited for the study. Participants were elite or subelite Australian football players. Fine-wire and surface electromyography electrodes were used to record the activity of the selected abdominal and leg muscles during a visual choice reaction-time task (active straight leg raising). Results: When the asymptomatic controls completed the active straight leg raise (ASLR) task, the transversus abdominus contracted in a feed-forward manner. However, when individuals with long-standing groin pain completed the ASLR task, the onset of transversus abdominus was delayed (P < 0.05) compared with the control group. There were no differences between groups for the onset of activity of internal oblique, external oblique, and rectus abdominus (all P > 0.05). Conclusions: The finding that the onset of transversus abdominus is delayed in individuals with long-standing groin pain is important, as it demonstrates an association between long-standing groin pain and transversus abdominus activation.

Robust stability of sequential multi-input multi-output quantitative feedback theory designs

This paper re-examines the stability of multi-input multi-output (MIMO) control systems designed using sequential MIMO quantitative feedback theory (QFT). In order to establish the results, recursive design equations for the SISO equivalent plants employed in a sequential MIMO QFT design are established. The equations apply to sequential MIMO QFT designs in both the direct plant domain, which employs the elements of plant in the design, and the inverse plant domain, which employs the elements of the plant inverse in the design. Stability theorems that employ necessary and sufficient conditions for robust closed-loop internal stability are developed for sequential MIMO QFT designs in both domains. The theorems and design equations facilitate less conservative designs and improved design transparency.

On stability in nonsequential MIMO QFT designs

This paper reexamines the stability of uncertain closed-loop systems resulting from the nonsequential (NS) MIMO QFT design methodology. By combining the effect of satisfying both the robust stability and robust performance specifications in a NS MIMO QFT design, a proof for the stability of the uncertain closed-loop system is derived. The stability theorem proves that, subject to the satisfaction of a critical necessary and sufficient condition, the original NS MIMO QFT design methodology will provide a robustly stable closed-loop system. This necessary and sufficient condition provides a useful existence test for a successful NS MIMO QFT design. The results expose the salient features of the NS MIMO QFT design methodology. Two 2 x 2 MIMO design examples are presented to illustrate the key features of the stability, theorem.

A new approach to control of MIMO processes with static nonlinearities using an extended IMC framework

In this paper, a new control design method is proposed for stable processes which can be described using Hammerstein-Wiener models. The internal model control (IMC) framework is extended to accommodate multiple IMC controllers, one for each subsystem. The concept of passive systems is used to construct the IMC controllers which approximate the inverses of the subsystems to achieve dynamic control performance. The Passivity Theorem is used to ensure the closed-loop stability. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.