Neural network enhanced self tuning adaptive control application for non-linear control of dynamic systems

The main theme of research of this project concerns the study of neutral networks to control uncertain and non-linear control systems. This involves the control of continuous time, discrete time, hybrid and stochastic systems with input, state or output constraints by ensuring good performances. A great part of this project is devoted to the opening of frontiers between several mathematical and engineering approaches in order to tackle complex but very common non-linear control problems. The objectives are: 1. Design and develop procedures for neutral network enhanced self-tuning adaptive non-linear control systems; 2. To design, as a general procedure, neural network generalised minimum variance self-tuning controller for non-linear dynamic plants (Integration of neural network mapping with generalised minimum variance self-tuning controller strategies); 3. To develop a software package to evaluate control system performances using Matlab, Simulink and Neural Network toolbox. An adaptive control algorithm utilising a recurrent network as a model of a partial unknown non-linear plant with unmeasurable state is proposed. Appropriately, it appears that structured recurrent neural networks can provide conveniently parameterised dynamic models for many non-linear systems for use in adaptive control. Properties of static neural networks, which enabled successful design of stable adaptive control in the state feedback case, are also identified. A survey of the existing results is presented which puts them in a systematic framework showing their relation to classical self-tuning adaptive control application of neural control to a SISO/MIMO control. Simulation results demonstrate that the self-tuning design methods may be practically applicable to a reasonably large class of unknown linear and non-linear dynamic control systems.

Performance of the Equivalent Reservoir Modelling Technique for Multi-Reservoir Hydropower Systems

This paper investigates the validity of a simplified equivalent reservoir representation of a multi-reservoir hydroelectric system for modelling its optimal operation for power maximization. This simplification, proposed by Arvanitidis and Rosing (IEEE Trans Power Appar Syst 89(2):319-325, 1970), imputes a potential energy equivalent reservoir with energy inflows and outflows. The hydroelectric system is also modelled for power maximization considering individual reservoir characteristics without simplifications. Both optimization models employed MINOS package for solution of the non-linear programming problems. A comparison between total optimized power generation over the planning horizon by the two methods shows that the equivalent reservoir is capable of producing satisfactory power estimates with less than 6% underestimation. The generation and total reservoir storage trajectories along the planning horizon obtained by equivalent reservoir method, however, presented significant discrepancies as compared to those found in the detailed modelling. This study is motivated by the fact that Brazilian generation system operations are based on the equivalent reservoir method as part of the power dispatch procedures. The potential energy equivalent reservoir is an alternative which eliminates problems with the dimensionality of state variables in a dynamic programming model.

An analysis of US greenhouse gas cap-and-trade proposals using a forward-looking economic model

We develop a forward-looking version of the recursive dynamic MIT Emissions Prediction and Policy Analysis (EPPA) model, and apply it to examine the economic implications of proposals in the US Congress to limit greenhouse gas (GHG) emissions. We find that shocks in the consumption path are smoothed out in the forward-looking model and that the lifetime welfare cost of GHG policy is lower than in the recursive model, since the forward-looking model can fully optimize over time. The forward-looking model allows us to explore issues for which it is uniquely well suited, including revenue-recycling and early action crediting. We find capital tax recycling to be more welfare-cost reducing than labor tax recycling because of its long-term effect on economic growth. Also, there are substantial incentives for early action credits; however, when spread over the full horizon of the policy they do not have a substantial effect on lifetime welfare costs.

Forward-looking versus recursive-dynamic modeling in climate policy analysis: A comparison

This paper develops a multi-regional general equilibrium model for climate policy analysis based on the latest version of the MIT Emissions Prediction and Policy Analysis (EPPA) model. We develop two versions so that we can solve the model either as a fully inter-temporal optimization problem (forward-looking, perfect foresight) or recursively. The standard EPPA model on which these models are based is solved recursively, and it is necessary to simplify some aspects of it to make inter-temporal solution possible. The forward-looking capability allows one to better address economic and policy issues such as borrowing and banking of GHG allowances, efficiency implications of environmental tax recycling, endogenous depletion of fossil resources, international capital flows, and optimal emissions abatement paths among others. To evaluate the solution approaches, we benchmark each version to the same macroeconomic path, and then compare the behavior of the two versions under a climate policy that restricts greenhouse gas emissions. We find that the energy sector and CO(2) price behavior are similar in both versions (in the recursive version of the model we force the inter-temporal theoretical efficiency result that abatement through time should be allocated such that the CO(2) price rises at the interest rate.) The main difference that arises is that the macroeconomic costs are substantially lower in the forward-looking version of the model, since it allows consumption shifting as an additional avenue of adjustment to the policy. On the other hand, the simplifications required for solving the model as an optimization problem, such as dropping the full vintaging of the capital stock and fewer explicit technological options, likely have effects on the results. Moreover, inter-temporal optimization with perfect foresight poorly represents the real economy where agents face high levels of uncertainty that likely lead to higher costs than if they knew the future with certainty. We conclude that while the forward-looking model has value for some problems, the recursive model produces similar behavior in the energy sector and provides greater flexibility in the details of the system that can be represented. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Three-dimensional electrical impedance, tomography: A topology optimization approach

Electrical impedance tomography is a technique to estimate the impedance distribution within a domain, based on measurements on its boundary. In other words, given the mathematical model of the domain, its geometry and boundary conditions, a nonlinear inverse problem of estimating the electric impedance distribution can be solved. Several impedance estimation algorithms have been proposed to solve this problem. In this paper, we present a three-dimensional algorithm, based on the topology optimization method, as an alternative. A sequence of linear programming problems, allowing for constraints, is solved utilizing this method. In each iteration, the finite element method provides the electric potential field within the model of the domain. An electrode model is also proposed (thus, increasing the accuracy of the finite element results). The algorithm is tested using numerically simulated data and also experimental data, and absolute resistivity values are obtained. These results, corresponding to phantoms with two different conductive materials, exhibit relatively well-defined boundaries between them, and show that this is a practical and potentially useful technique to be applied to monitor lung aeration, including the possibility of imaging a pneumothorax.

Modified Particle Swarm Optimization Applied to Integrated Demand Response and DG Resources Scheduling

The elastic behavior of the demand consumption jointly used with other available resources such as distributed generation (DG) can play a crucial role for the success of smart grids. The intensive use of Distributed Energy Resources (DER) and the technical and contractual constraints result in large-scale non linear optimization problems that require computational intelligence methods to be solved. This paper proposes a Particle Swarm Optimization (PSO) based methodology to support the minimization of the operation costs of a virtual power player that manages the resources in a distribution network and the network itself. Resources include the DER available in the considered time period and the energy that can be bought from external energy suppliers. Network constraints are considered. The proposed approach uses Gaussian mutation of the strategic parameters and contextual self-parameterization of the maximum and minimum particle velocities. The case study considers a real 937 bus distribution network, with 20310 consumers and 548 distributed generators. The obtained solutions are compared with a deterministic approach and with PSO without mutation and Evolutionary PSO, both using self-parameterization.

General equilibrium with asymmetric information: a dual approach

We study markets where the characteristics or decisions of certain agents are relevant but not known to their trading partners. Assuming exclusive transactions, the environment is described as a continuum economy with indivisible commodities. We characterize incentive efficient allocations as solutions to linear programming problems and appeal to duality theory to demonstrate the generic existence of external effects in these markets. Because under certain conditions such effects may generate non-convexities, randomization emerges as a theoretic possibility. In characterizing market equilibria we show that, consistently with the personalized nature of transactions, prices are generally non-linear in the underlying consumption. On the other hand, external effects may have critical implications for market efficiency. With adverse selection, in fact, cross-subsidization across agents with different private information may be necessary for optimality, and so, the market need not even achieve an incentive efficient allocation. In contrast, for the case of a single commodity, we find that when informational asymmetries arise after the trading period (e.g. moral hazard; ex post hidden types) external effects are fully internalized at a market equilibrium.

L2−estimates for the DG IIPG-0 scheme

We discuss the optimality in L2 of a variant of the Incomplete Discontinuous Galerkin Interior Penalty method (IIPG) for second order linear elliptic problems. We prove optimal estimate, in two and three dimensions, for the lowest order case under suitable regularity assumptions on the data and on the mesh. We also provide numerical evidence, in one dimension, of the necessity of the regularity assumptions.

M-protein and other intrinsic virulence factors of Streptococcus pyogenes are encoded on an ancient pathogenicity island.

BACKGROUND: The increasing number of completely sequenced bacterial genomes allows comparing their architecture and genetic makeup. Such new information highlights the crucial role of lateral genetic exchanges in bacterial evolution and speciation. RESULTS: Here we analyzed the twelve sequenced genomes of Streptococcus pyogenes by a naïve approach that examines the preferential nucleotide usage along the chromosome, namely the usage of G versus C (GC-skew) and T versus A (TA-skew). The cumulative GC-skew plot presented an inverted V-shape composed of two symmetrical linear segments, where the minimum and maximum corresponded to the origin and terminus of DNA replication. In contrast, the cumulative TA-skew presented a V-shape, which segments were interrupted by several steep slopes regions (SSRs), indicative of a different nucleotide composition bias. Each S. pyogenes genome contained up to nine individual SSRs, encompassing all described strain-specific prophages. In addition, each genome contained a similar unique non-phage SSR, the core of which consisted of 31 highly homologous genes. This core includes the M-protein, other mga-related factors and other virulence genes, totaling ten intrinsic virulence genes. In addition to a high content in virulence-related genes and to a peculiar nucleotide bias, this SSR, which is 47 kb-long in a M1GAS strain, harbors direct repeats and a tRNA gene, suggesting a mobile element. Moreover, its complete absence in a M-protein negative group A Streptococcus natural isolate demonstrates that it could be spontaneously lost, but in vitro deletion experiments indicates that its excision occurred at very low rate. The stability of this SSR, combined to its presence in all sequenced S. pyogenes sequenced genome, suggests that it results from an ancient acquisition. CONCLUSION: Thus, this non-phagic SSR is compatible with a pathogenicity island, acquired before S. pyogenes speciation. Its potential excision might bear relevance for vaccine development, because vaccines targeting M-protein might select for M-protein-negative variants that still carry other virulence determinants.

Jatkuvavaletun teräksen leikkaussuunnitelman optimointi

Teollisuuden tuotannon eri prosessien optimointi on hyvin ajankohtainen aihe. Monet ohjausjärjestelmät ovat ajalta, jolloin tietokoneiden laskentateho oli hyvin vaatimaton nykyisiin verrattuna. Työssä esitetään tuotantoprosessi, joka sisältää teräksen leikkaussuunnitelman muodostamisongelman. Valuprosessi on yksi teräksen valmistuksen välivaiheita. Siinä sopivaan laatuun saatettu sula teräs valetaan linjastoon, jossa se jähmettyy ja leikataan aihioiksi. Myöhemmissä vaiheissa teräsaihioista muokataan pienempiä kokonaisuuksia, tehtaan lopputuotteita. Jatkuvavaletut aihiot voidaan leikata tilauskannasta riippuen monella eri tavalla. Tätä varten tarvitaan leikkaussuunnitelma, jonka muodostamiseksi on ratkaistava sekalukuoptimointiongelma. Sekalukuoptimointiongelmat ovat optimoinnin haastavin muoto. Niitä on tutkittu yksinkertaisempiin optimointiongelmiin nähden vähän. Nykyisten tietokoneiden laskentateho on kuitenkin mahdollistanut raskaampien ja monimutkaisempien optimointialgoritmien käytön ja kehittämisen. Työssä on käytetty ja esitetty eräs stokastisen optimoinnin menetelmä, differentiaalievoluutioalgoritmi. Tässä työssä esitetään teräksen leikkausoptimointialgoritmi. Kehitetty optimointimenetelmä toimii dynaamisesti tehdasympäristössä käyttäjien määrittelemien parametrien mukaisesti. Työ on osa Syncron Tech Oy:n Ovako Bar Oy Ab:lle toimittamaa ohjausjärjestelmää.

Object-oriented Programming Applied to the Development of Structural Analysis and Optimization Software

This paper presents the development of a two-dimensional interactive software environment for structural analysis and optimization based on object-oriented programming using the C++ language. The main feature of the software is the effective integration of several computational tools into graphical user interfaces implemented in the Windows-98 and Windows-NT operating systems. The interfaces simplify data specification in the simulation and optimization of two-dimensional linear elastic problems. NURBS have been used in the software modules to represent geometric and graphical data. Extensions to the analysis of three-dimensional problems have been implemented and are also discussed in this paper.

Optimization of p-cycle protection schemes in optical networks

La survie des réseaux est un domaine d'étude technique très intéressant ainsi qu'une préoccupation critique dans la conception des réseaux. Compte tenu du fait que de plus en plus de données sont transportées à travers des réseaux de communication, une simple panne peut interrompre des millions d'utilisateurs et engendrer des millions de dollars de pertes de revenu. Les techniques de protection des réseaux consistent à fournir une capacité supplémentaire dans un réseau et à réacheminer les flux automatiquement autour de la panne en utilisant cette disponibilité de capacité. Cette thèse porte sur la conception de réseaux optiques intégrant des techniques de survie qui utilisent des schémas de protection basés sur les p-cycles. Plus précisément, les p-cycles de protection par chemin sont exploités dans le contexte de pannes sur les liens. Notre étude se concentre sur la mise en place de structures de protection par p-cycles, et ce, en supposant que les chemins d'opération pour l'ensemble des requêtes sont définis a priori. La majorité des travaux existants utilisent des heuristiques ou des méthodes de résolution ayant de la difficulté à résoudre des instances de grande taille. L'objectif de cette thèse est double. D'une part, nous proposons des modèles et des méthodes de résolution capables d'aborder des problèmes de plus grande taille que ceux déjà présentés dans la littérature. D'autre part, grâce aux nouveaux algorithmes, nous sommes en mesure de produire des solutions optimales ou quasi-optimales. Pour ce faire, nous nous appuyons sur la technique de génération de colonnes, celle-ci étant adéquate pour résoudre des problèmes de programmation linéaire de grande taille. Dans ce projet, la génération de colonnes est utilisée comme une façon intelligente d'énumérer implicitement des cycles prometteurs. Nous proposons d'abord des formulations pour le problème maître et le problème auxiliaire ainsi qu'un premier algorithme de génération de colonnes pour la conception de réseaux protegées par des p-cycles de la protection par chemin. L'algorithme obtient de meilleures solutions, dans un temps raisonnable, que celles obtenues par les méthodes existantes. Par la suite, une formulation plus compacte est proposée pour le problème auxiliaire. De plus, nous présentons une nouvelle méthode de décomposition hiérarchique qui apporte une grande amélioration de l'efficacité globale de l'algorithme. En ce qui concerne les solutions en nombres entiers, nous proposons deux méthodes heurisiques qui arrivent à trouver des bonnes solutions. Nous nous attardons aussi à une comparaison systématique entre les p-cycles et les schémas classiques de protection partagée. Nous effectuons donc une comparaison précise en utilisant des formulations unifiées et basées sur la génération de colonnes pour obtenir des résultats de bonne qualité. Par la suite, nous évaluons empiriquement les versions orientée et non-orientée des p-cycles pour la protection par lien ainsi que pour la protection par chemin, dans des scénarios de trafic asymétrique. Nous montrons quel est le coût de protection additionnel engendré lorsque des systèmes bidirectionnels sont employés dans de tels scénarios. Finalement, nous étudions une formulation de génération de colonnes pour la conception de réseaux avec des p-cycles en présence d'exigences de disponibilité et nous obtenons des premières bornes inférieures pour ce problème.

« Resolution Search » et problèmes d’optimisation discrète

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université d'Avignon.

Revisiting optimization algorithms for maximum likelihood estimation

Parmi les méthodes d’estimation de paramètres de loi de probabilité en statistique, le maximum de vraisemblance est une des techniques les plus populaires, comme, sous des conditions l´egères, les estimateurs ainsi produits sont consistants et asymptotiquement efficaces. Les problèmes de maximum de vraisemblance peuvent être traités comme des problèmes de programmation non linéaires, éventuellement non convexe, pour lesquels deux grandes classes de méthodes de résolution sont les techniques de région de confiance et les méthodes de recherche linéaire. En outre, il est possible d’exploiter la structure de ces problèmes pour tenter d’accélerer la convergence de ces méthodes, sous certaines hypothèses. Dans ce travail, nous revisitons certaines approches classiques ou récemment d´eveloppées en optimisation non linéaire, dans le contexte particulier de l’estimation de maximum de vraisemblance. Nous développons également de nouveaux algorithmes pour résoudre ce problème, reconsidérant différentes techniques d’approximation de hessiens, et proposons de nouvelles méthodes de calcul de pas, en particulier dans le cadre des algorithmes de recherche linéaire. Il s’agit notamment d’algorithmes nous permettant de changer d’approximation de hessien et d’adapter la longueur du pas dans une direction de recherche fixée. Finalement, nous évaluons l’efficacité numérique des méthodes proposées dans le cadre de l’estimation de modèles de choix discrets, en particulier les modèles logit mélangés.

Domain/Multi-Domain Protection and Provisioning in Optical Networks

L’évolution récente des commutateurs de sélection de longueurs d’onde (WSS -Wavelength Selective Switch) favorise le développement du multiplexeur optique d’insertionextraction reconfigurable (ROADM - Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers) à plusieurs degrés sans orientation ni coloration, considéré comme un équipement fort prometteur pour les réseaux maillés du futur relativement au multiplexage en longueur d’onde (WDM -Wavelength Division Multiplexing ). Cependant, leur propriété de commutation asymétrique complique la question de l’acheminement et de l’attribution des longueur d’ondes (RWA - Routing andWavelength Assignment). Or la plupart des algorithmes de RWA existants ne tiennent pas compte de cette propriété d’asymétrie. L’interruption des services causée par des défauts d’équipements sur les chemins optiques (résultat provenant de la résolution du problème RWA) a pour conséquence la perte d’une grande quantité de données. Les recherches deviennent ainsi incontournables afin d’assurer la survie fonctionnelle des réseaux optiques, à savoir, le maintien des services, en particulier en cas de pannes d’équipement. La plupart des publications antérieures portaient particulièrement sur l’utilisation d’un système de protection permettant de garantir le reroutage du trafic en cas d’un défaut d’un lien. Cependant, la conception de la protection contre le défaut d’un lien ne s’avère pas toujours suffisante en termes de survie des réseaux WDM à partir de nombreux cas des autres types de pannes devenant courant de nos jours, tels que les bris d’équipements, les pannes de deux ou trois liens, etc. En outre, il y a des défis considérables pour protéger les grands réseaux optiques multidomaines composés de réseaux associés à un domaine simple, interconnectés par des liens interdomaines, où les détails topologiques internes d’un domaine ne sont généralement pas partagés à l’extérieur. La présente thèse a pour objectif de proposer des modèles d’optimisation de grande taille et des solutions aux problèmes mentionnés ci-dessus. Ces modèles-ci permettent de générer des solutions optimales ou quasi-optimales avec des écarts d’optimalité mathématiquement prouvée. Pour ce faire, nous avons recours à la technique de génération de colonnes afin de résoudre les problèmes inhérents à la programmation linéaire de grande envergure. Concernant la question de l’approvisionnement dans les réseaux optiques, nous proposons un nouveau modèle de programmation linéaire en nombres entiers (ILP - Integer Linear Programming) au problème RWA afin de maximiser le nombre de requêtes acceptées (GoS - Grade of Service). Le modèle résultant constitue celui de l’optimisation d’un ILP de grande taille, ce qui permet d’obtenir la solution exacte des instances RWA assez grandes, en supposant que tous les noeuds soient asymétriques et accompagnés d’une matrice de connectivité de commutation donnée. Ensuite, nous modifions le modèle et proposons une solution au problème RWA afin de trouver la meilleure matrice de commutation pour un nombre donné de ports et de connexions de commutation, tout en satisfaisant/maximisant la qualité d’écoulement du trafic GoS. Relativement à la protection des réseaux d’un domaine simple, nous proposons des solutions favorisant la protection contre les pannes multiples. En effet, nous développons la protection d’un réseau d’un domaine simple contre des pannes multiples, en utilisant les p-cycles de protection avec un chemin indépendant des pannes (FIPP - Failure Independent Path Protecting) et de la protection avec un chemin dépendant des pannes (FDPP - Failure Dependent Path-Protecting). Nous proposons ensuite une nouvelle formulation en termes de modèles de flots pour les p-cycles FDPP soumis à des pannes multiples. Le nouveau modèle soulève un problème de taille, qui a un nombre exponentiel de contraintes en raison de certaines contraintes d’élimination de sous-tour. Par conséquent, afin de résoudre efficacement ce problème, on examine : (i) une décomposition hiérarchique du problème auxiliaire dans le modèle de décomposition, (ii) des heuristiques pour gérer efficacement le grand nombre de contraintes. À propos de la protection dans les réseaux multidomaines, nous proposons des systèmes de protection contre les pannes d’un lien. Tout d’abord, un modèle d’optimisation est proposé pour un système de protection centralisée, en supposant que la gestion du réseau soit au courant de tous les détails des topologies physiques des domaines. Nous proposons ensuite un modèle distribué de l’optimisation de la protection dans les réseaux optiques multidomaines, une formulation beaucoup plus réaliste car elle est basée sur l’hypothèse d’une gestion de réseau distribué. Ensuite, nous ajoutons une bande pasiv sante partagée afin de réduire le coût de la protection. Plus précisément, la bande passante de chaque lien intra-domaine est partagée entre les p-cycles FIPP et les p-cycles dans une première étude, puis entre les chemins pour lien/chemin de protection dans une deuxième étude. Enfin, nous recommandons des stratégies parallèles aux solutions de grands réseaux optiques multidomaines. Les résultats de l’étude permettent d’élaborer une conception efficace d’un système de protection pour un très large réseau multidomaine (45 domaines), le plus large examiné dans la littérature, avec un système à la fois centralisé et distribué.