Representations and algorithms for finite-state bisimulations of linear discrete-time control systems

While a large amount of research over the past two decades has focused on discrete abstractions of infinite-state dynamical systems, many structural and algorithmic details of these abstractions remain unknown. To clarify the computational resources needed to perform discrete abstractions, this paper examines the algorithmic properties of an existing method for deriving finite-state systems that are bisimilar to linear discrete-time control systems. We explicitly find the structure of the finite-state system, show that it can be enormous compared to the original linear system, and give conditions to guarantee that the finite-state system is reasonably sized and efficiently computable. Though constructing the finite-state system is generally impractical, we see that special cases could be amenable to satisfiability based verification techniques. ©2009 IEEE.

Generic scheduling methods for a linear QR array SoC processor

A scheduling method for implementing a generic linear QR array processor architecture is presented. This improves on previous work. It also considerably simplifies the derivation of schedules for a folded linear system, where detailed account has to be taken of processor cell latency. The architecture and scheduling derived provide the basis of a generator for the rapid design of System-on-a-Chip (SoC) cores for QR decomposition.

Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

On Degeneracy of Linear Reconstruction from Three Views: Linear Line Complex and Applications

This paper investigates the linear degeneracies of projective structure estimation from point and line features across three views. We show that the rank of the linear system of equations for recovering the trilinear tensor of three views reduces to 23 (instead of 26) in the case when the scene is a Linear Line Complex (set of lines in space intersecting at a common line) and is 21 when the scene is planar. The LLC situation is only linearly degenerate, and we show that one can obtain a unique solution when the admissibility constraints of the tensor are accounted for. The line configuration described by an LLC, rather than being some obscure case, is in fact quite typical. It includes, as a particular example, the case of a camera moving down a hallway in an office environment or down an urban street. Furthermore, an LLC situation may occur as an artifact such as in direct estimation from spatio-temporal derivatives of image brightness. Therefore, an investigation into degeneracies and their remedy is important also in practice.

Wiener-System subspace identification for mobile wireless mm-wave networks

We discuss the feasibility of wireless terahertz communications links deployed in a metropolitan area and model the large-scale fading of such channels. The model takes into account reception through direct line of sight, ground and wall reflection, as well as diffraction around a corner. The movement of the receiver is modeled by an autonomous dynamic linear system in state space, whereas the geometric relations involved in the attenuation and multipath propagation of the electric field are described by a static nonlinear mapping. A subspace algorithm in conjunction with polynomial regression is used to identify a single-output Wiener model from time-domain measurements of the field intensity when the receiver motion is simulated using a constant angular speed and an exponentially decaying radius. The identification procedure is validated by using the model to perform q-step ahead predictions. The sensitivity of the algorithm to small-scale fading, detector noise, and atmospheric changes are discussed. The performance of the algorithm is tested in the diffraction zone assuming a range of emitter frequencies (2, 38, 60, 100, 140, and 400 GHz). Extensions of the simulation results to situations where a more complicated trajectory describes the motion of the receiver are also implemented, providing information on the performance of the algorithm under a worst case scenario. Finally, a sensitivity analysis to model parameters for the identified Wiener system is proposed.

A stable one-step-ahead predictive control of non-linear systems

In this paper stability of one-step ahead predictive controllers based on non-linear models is established. It is shown that, under conditions which can be fulfilled by most industrial plants, the closed-loop system is robustly stable in the presence of plant uncertainties and input–output constraints. There is no requirement that the plant should be open-loop stable and the analysis is valid for general forms of non-linear system representation including the case out when the problem is constraint-free. The effectiveness of controllers designed according to the algorithm analyzed in this paper is demonstrated on a recognized benchmark problem and on a simulation of a continuous-stirred tank reactor (CSTR). In both examples a radial basis function neural network is employed as the non-linear system model.

Identification of linear systems in the presence of piecewise polynomial disturbances

The paper proposes a method of performing system identification of a linear system in the presence of bounded disturbances. The disturbances may be piecewise parabolic or periodic functions. The method is demonstrated effectively on two example systems with a range of disturbances.

Linear-wavelet models applied to the identification of a two-link manipulator

This paper shows that a wavelet network and a linear term can be advantageously combined for the purpose of non linear system identification. The theoretical foundation of this approach is laid by proving that radial wavelets are orthogonal to linear functions. A constructive procedure for building such nonlinear regression structures, termed linear-wavelet models, is described. For illustration, sim ulation data are used to identify a model for a two-link robotic manipulator. The results show that the introduction of wavelets does improve the prediction ability of a linear model.

On the Convergence of Two-Stage Iterative Processes for Solving Linear Equations

This paper considers two-stage iterative processes for solving the linear system $Af = b$. The outer iteration is defined by $Mf^{k + 1} = Nf^k + b$, where $M$ is a nonsingular matrix such that $M - N = A$. At each stage $f^{k + 1} $ is computed approximately using an inner iteration process to solve $Mv = Nf^k + b$ for $v$. At the $k$th outer iteration, $p_k $ inner iterations are performed. It is shown that this procedure converges if $p_k \geqq P$ for some $P$ provided that the inner iteration is convergent and that the outer process would converge if $f^{k + 1} $ were determined exactly at every step. Convergence is also proved under more specialized conditions, and for the procedure where $p_k = p$ for all $k$, an estimate for $p$ is obtained which optimizes the convergence rate. Examples are given for systems arising from the numerical solution of elliptic partial differential equations and numerical results are presented.

Template-based quadrilateral meshing

Generating quadrilateral meshes is a highly non-trivial task, as design decisions are frequently driven by specific application demands. Automatic techniques can optimize objective quality metrics, such as mesh regularity, orthogonality, alignment and adaptivity; however, they cannot make subjective design decisions. There are a few quad meshing approaches that offer some mechanisms to include the user in the mesh generation process; however, these techniques either require a large amount of user interaction or do not provide necessary or easy to use inputs. Here, we propose a template-based approach for generating quad-only meshes from triangle surfaces. Our approach offers a flexible mechanism to allow external input, through the definition of alignment features that are respected during the mesh generation process. While allowing user inputs to support subjective design decisions, our approach also takes into account objective quality metrics to produce semi-regular, quad-only meshes that align well to desired surface features. Published by Elsevier Ltd.

Suppressing grazing chaos in impacting system by structural nonlinearity

In this note we investigate the influence of structural nonlinearity of a simple cantilever beam impacting system on its dynamic responses close to grazing incidence by a means of numerical simulation. To obtain a clear picture of this effect we considered two systems exhibiting impacting motion, where the primary stiffness is either linear (piecewise linear system) or nonlinear (piecewise nonlinear system). Two systems were studied by constructing bifurcation diagrams, basins of attractions, Lyapunov exponents and parameter plots. In our analysis we focused on the grazing transitions from no impact to impact motion. We observed that the dynamic responses of these two similar systems are qualitatively different around the grazing transitions. For the piecewise linear system, we identified on the parameter space a considerable region with chaotic behaviour, while for the piecewise nonlinear system we found just periodic attractors. We postulate that the structural nonlinearity of the cantilever impacting beam suppresses chaos near grazing. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Pole placement method using the system matrix transfer function and sparsity

This paper presents a pole placement method using both the augmented Jacobian and the corresponding system transfer function matrices. From the manipulation of these matrices a straightforward approach results to get the coefficients of a non-linear system, whose solution gives the parameters of the stabilizers that can provide a pre-specified minimum damping to the system. (C) 2001 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

System identification and active vibration control of a flexible structure

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Suppressing grazing chaos in impacting system by structural nonlinearity

In this note we investigate the influence of structural nonlinearity of a simple cantilever beam impacting system on its dynamic responses close to grazing incidence by a means of numerical simulation. To obtain a clear picture of this effect we considered two systems exhibiting impacting motion, where the primary stiffness is either linear (piecewise linear system) or nonlinear (piecewise nonlinear system). Two systems were studied by constructing bifurcation diagrams, basins of attractions, Lyapunov exponents and parameter plots. In our analysis we focused on the grazing transitions from no impact to impact motion. We observed that the dynamic responses of these two similar systems are qualitatively different around the grazing transitions. For the piecewise linear system, we identified on the parameter space a considerable region with chaotic behaviour, while for the piecewise nonlinear system we found just periodic attractors. We postulate that the structural nonlinearity of the cantilever impacting beam suppresses chaos near grazing. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

On non-linear dynamics and an optimal control synthesis of the action potential of membranes (ideal and non-ideal cases) of the Hodgkin-Huxley (HH) mathematical model

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)