Fractional Dynamics and Control of Distributed Parameter Systems

Fractional Calculus (FC) goes back to the beginning of the theory of differential calculus. Nevertheless, the application of FC just emerged in the last two decades, due to the progress in the area of chaos that revealed subtle relationships with the FC concepts. In the field of dynamical systems theory some work has been carried out but the proposed models and algorithms are still in a preliminary stage of establishment. Having these ideas in mind, the paper discusses a FC perspective in the study of the dynamics and control of some distributed parameter systems.

Improved Numerical Simulation for a Novel Adaptive Control Using Fractional Order Derivatives

A novel control technique is investigated in the adaptive control of a typical paradigm, an approximately and partially modeled cart plus double pendulum system. In contrast to the traditional approaches that try to build up ”complete” and ”permanent” system models it develops ”temporal” and ”partial” ones that are valid only in the actual dynamic environment of the system, that is only within some ”spatio-temporal vicinity” of the actual observations. This technique was investigated for various physical systems via ”preliminary” simulations integrating by the simplest 1st order finite element approach for the time domain. In 2004 INRIA issued its SCILAB 3.0 and its improved numerical simulation tool ”Scicos” making it possible to generate ”professional”, ”convenient”, and accurate simulations. The basic principles of the adaptive control, the typical tools available in Scicos, and others developed by the authors, as well as the improved simulation results and conclusions are presented in the contribution.

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Toxoplasma-IgM and IgG-avidity in single samples from areas with a high infection rate can determine the risk of mother-to-child transmission

Anti-Toxoplasma IgG-avidity was determined in 168 serum samples from IgG- and IgM-positive pregnant women at various times during pregnancy, in order to evaluate the predictive value for risk of mother-to-child transmission in a single sample, taking the limitations of conventional serology into account. The neonatal IgM was considered the serologic marker of transmission. Fluorometric tests for IgG, IgM (immunocapture) and IgG-avidity were performed. Fifty-one of the 128 pregnant women tested gave birth in the hospital and neonatal IgM was obtained. The results showed 32 (62.75%) pregnant women having high avidity, IgM indexes between 0.6 and 2.4, and no infected newborn. Nineteen (37.25%) had low or inconclusive avidity, IgM indexes between 0.6 and 11.9, and five infected newborns and one stillbirth. In two infected newborns and the stillbirth maternal IgM indexes were low and in one infected newborn the only maternal parameter that suggested fetal risk was IgG-avidity. In the present study, IgG-avidity performed in single samples from positive IgM pregnant women helped to determine the risk of transmission at any time during pregnancy, especially when the indexes of the two tests were analysed with respect to gestational age. This model may be less expensive in developing countries where there is a high prevalence of infection than the follow-up of susceptible mothers until childbirth with monthly serology, and it creates a new perspective for the diagnosis of congenital toxoplasmosis.

Calibration Method for Underwater Visual Ground-Truth System

This work presents an automatic calibration method for a vision based external underwater ground-truth positioning system. These systems are a relevant tool in benchmarking and assessing the quality of research in underwater robotics applications. A stereo vision system can in suitable environments such as test tanks or in clear water conditions provide accurate position with low cost and flexible operation. In this work we present a two step extrinsic camera parameter calibration procedure in order to reduce the setup time and provide accurate results. The proposed method uses a planar homography decomposition in order to determine the relative camera poses and the determination of vanishing points of detected lines in the image to obtain the global pose of the stereo rig in the reference frame. This method was applied to our external vision based ground-truth at the INESC TEC/Robotics test tank. Results are presented in comparison with an precise calibration performed using points obtained from an accurate 3D LIDAR modelling of the environment.

Acompanhamento do Processo de Compostagem e Identificação de Hipóteses de Melhoria, Tendo em Vista a Valorização do Produto Comercializado

A compostagem tem-se revelado uma boa alternativa na gestão, tratamento e valorização de resíduos sólidos urbanos. Dependendo das matérias-primas usadas no processo, os produtos podem ser considerados fertilizantes/corretivos orgânicos com utilidade agrícola. A Suldouro, Valorização e Tratamento de Resíduos Sólidos Urbanos, S.A., é responsável pela gestão, valorização, recuperação e destino final dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) produzidos em Vila Nova de Gaia e Santa Maria da Feira. Um dos processos do sistema de gestão é a valorização orgânica, que através da compostagem dos resíduos biodegradáveis origina um corretivo orgânico, denominado comercialmente de Agrovida. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o composto produzido na Suldouro através da análise de alguns metais, nomeadamente cobre, zinco e chumbo, pois o seu teor condiciona a classe em que o composto está inserido, e da avaliação da razão C/N, visto ser um parâmetro importante para o desenvolvimento dos microrganismos. Um outro objetivo foi a determinação do tempo ótimo de compostagem, através da avaliação da temperatura máxima, recorrendo ao teste de auto-aquecimento usando vasos de Dewar. O estudo da presença de chumbo não chegou a ser realizado, pois a sua concentração era muito baixa (da ordem dos ppb), ou seja, não era limitativa para a utilização do composto. Quanto à análise de cobre e zinco no composto verificou-se que era necessário fazer alterações no processo, no sentido de reduzir estes valores, tanto a nível da qualidade dos resíduos usados como matéria-prima como a nível da limpeza, essencial depois das operações de manutenção aos pulpers. Em relação à razão C/N esta apresenta valores muito elevados, ou seja, uma quantidade de azoto total muito baixa, indicativa de que seria necessário acrescentar, no início do processo, resíduos mais ricos em azoto. A análise do teste de auto-aquecimento indica que o tempo necessário para a estabilização e maturação das pilhas de compostagem é superior a 3 meses. Assim, sugerem-se melhorias a nível da qualidade do resíduo, tentando incluir resíduos mais facilmente biodegradáveis, uma redução da altura da pilha proporcionando um melhor arejamento ou em alternativa proceder periodicamente ao seu revolvimento como complemento à insuflação de ar. Para concluir, neste trabalho foi realizada uma pesquisa sobre processos de valorização energética, alternativas potenciais à valorização orgânica, tendo sido dado especial relevo a um dos processos, a carbonização hidrotérmica (HTC).

Otimização de um processo produtivo e formulação de um novo produto utilizando ferramentas estatísticas

Na tentativa de se otimizar o processo de fabrico associado a uma tinta base aquosa (TBA), para minimizar os desvios de viscosidade final verificados, e de desenvolver um novo adjuvante plastificante para betão, recorreu-se a métodos e ferramentas estatísticas para a concretização do projeto. Relativamente à TBA, procedeu-se numa primeira fase a um acompanhamento do processo de fabrico, a fim de se obter todos os dados mais relevantes que poderiam influenciar a viscosidade final da tinta. Através de uma análise de capacidade ao parâmetro viscosidade, verificou-se que esta não estava sempre dentro das especificações do cliente, sendo o cpk do processo inferior a 1. O acompanhamento do processo resultou na escolha de 4 fatores, que culminou na realização de um plano fatorial 24. Após a realização dos ensaios, efetuou-se uma análise de regressão a um modelo de primeira ordem, não tendo sido esta significativa, o que implicou a realização de mais 8 ensaios nos pontos axiais. Com arealização de uma regressão passo-a-passo, obteve-se uma aproximação viável a um modelo de segunda ordem, que culminou na obtenção dos melhores níveis para os 4 fatores que garantem que a resposta viscosidade se situa no ponto médio do intervalo de especificação (1400 mPa.s). Quanto ao adjuvante para betão, o objetivo é o uso de polímeros SIKA ao invés da matériaprima comum neste tipo de produtos, tendo em conta o custo final da formulação. Escolheram-se 3 fatores importantes na formulação do produto (mistura de polímeros, mistura de hidrocarbonetos e % de sólidos), que resultou numa matriz fatorial 23. Os ensaios foram realizados em triplicado, em pasta de cimento, um para cada tipo de cimento mais utilizado em Portugal. Ao efetuar-se a análise estatística de dados obtiveram-se modelos de primeira ordem para cada tipo de cimento. O processo de otimização consistiu em otimizar uma função custo associada à formulação, garantindo sempre uma resposta superior à observada pelo produto considerado padrão. Os resultados foram animadores uma vez que se obteve para os 3 tipos de cimentocustos abaixo do requerido e espalhamento acima do observado pelo padrão.

Interactional strategies between terminologist and domain specialist. Putting order into our universe: the concept of Blended Learning

A presente comunicação visa discutir as mais-valias de um desenho metodológico sustentado numa abordagem conceptual da Terminologia aplicado ao exercício de harmonização da definição do cenário educativo mais promissor do Ensino Superior actual: o blended learning. Sendo a Terminologia uma disciplina que se ocupa da representação, da descrição e da definição do conhecimento especializado através da língua a essência deste domínio do saber responde a uma necessidade fundamental da sociedade actual: putting order into our universe, nas palavras de Nuopponen (2011). No contexto descrito, os conceitos, enquanto elementos da estrutura do conhecimento (Sager, 1990) constituem um objecto de investigação de complexidade não despicienda, pois apesar do postulado de que a língua constitui uma ferramenta fundamental para descrever e organizar o conhecimento, o princípio isomórfico não pode ser tomado como adquirido. A abordagem conceptual em Terminologia propõe uma visão precisa do papel da língua no trabalho terminológico, sendo premissa basilar que não existe uma correspondência unívoca entre os elementos atomísticos do conhecimento e os elementos da expressão linguística. É pela razões enunciadas que as opções metodológicas circunscritas à análise do texto de especialidade serão consideradas imprecisas. Nesta reflexão perspectiva-se que o conceito-chave de uma abordagem conceptual do trabalho terminológico implica a combinação de um processo de elicitação do conhecimento tácito através de uma negociação discursiva orientada para o conceito e a análise de corpora textuais. Defende-se consequentemente que as estratégias de interacção entre terminólogo e especialista de domínio merecem atenção detalhada pelo facto de se reflectirem com expressividade na qualidade dos resultados obtidos. Na sequência do exposto, o modelo metodológico que propomos sustenta-se em três etapas que privilegiam um refinamento dessa interacção permitindo ao terminólogo afirmar-se como sujeito conceptualizador, decisor e interventor: (1) etapa exploratória do domínio-objecto de estudo; (2) etapa de análise onamasiológica de evidência textual e discursiva; (3) etapa de modelização e de validação de resultados. Defender-se-á a produtividade de uma sequência cíclica entre a análise textual e discursiva para fins onomasiológicos, a interacção colaborativa e a introspecção.

T CD4+ cells count among patients co-infected with human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and human T-cell leukemia virus type 1 (HTLV-1): high prevalence of tropical spastic paraparesis/HTLV-1-associated myelopathy (TSP/HAM)

INTRODUCTION: HIV positive patients co-infected with HTLV-1 may have an increase in their T CD4+ cell counts, thus rendering this parameter useless as an AIDS-defining event. OBJECTIVE: To study the effects induced by the co-infection of HIV-1 and HTLV-1 upon CD4+ cells. MATERIAL AND METHODS: Since 1997, our group has been following a cohort of HTLV-1-infected patients, in order to study the interaction of HTLV-1 with HIV and/or with hepatitis C virus (HCV), as well as HTLV-1-only infected asymptomatic carriers and those with tropical spastic paraparesis/HTLV-1 associated myelopathy (TSP/HAM). One hundred and fifty HTLV-1-infected subjects have been referred to our clinic at the Institute of Infectious Diseases "Emílio Ribas", São Paulo. Twenty-seven of them were also infected with HIV-1 and HTLV-1-infection using two ELISAs and confirmed and typed by Western Blot (WB) or polymerase chain reaction (PCR). All subjects were evaluated by two neurologists, blinded to the patient's HTLV status, and the TSP/HAM diagnostic was based on the World Health Organization (WHO) classification. AIDS-defining events were in accordance with the Centers for Disease Control (CDC) classification of 1988. The first T CD4+ cells count available before starting anti-retroviral therapy are shown compared to the HIV-1-infected subjects at the moment of AIDS defining event. RESULTS: A total of 27 HIV-1/HTLV-1 co-infected subjects were identified in this cohort; 15 already had AIDS and 12 remained free of AIDS. The median of T CD4+ cell counts was 189 (98-688) cells/mm³ and 89 (53-196) cells/mm³ for co-infected subjects who had an AIDS-defining event, and HIV-only infected individuals, respectively (p = 0.036). Eight of 27 co-infected subjects (30%) were diagnosed as having a TSP/HAM simile diagnosis, and three of them had opportunistic infections but high T CD4+ cell counts at the time of their AIDS- defining event. DISCUSSION: Our results indicate that higher T CD4+ cells count among HIV-1/HTLV-1-coinfected subjects was found in 12% of the patients who presented an AIDS-defining event. These subjects also showed a TSP/HAM simile picture when it was the first manifestation of disease; this incidence is 20 times higher than that for HTLV-1-only infected subjects in endemic areas.

Prognostic Value of a New Cardiopulmonary Exercise Testing Parameter in Chronic Heart Failure: Oxygen Uptake Efficiency at Peak Exercise - Comparison with Oxygen Uptake Efficiency Slope

INTRODUCTION: A growing body of evidence shows the prognostic value of oxygen uptake efficiency slope (OUES), a cardiopulmonary exercise test (CPET) parameter derived from the logarithmic relationship between O(2) consumption (VO(2)) and minute ventilation (VE) in patients with chronic heart failure (CHF). OBJECTIVE: To evaluate the prognostic value of a new CPET parameter - peak oxygen uptake efficiency (POUE) - and to compare it with OUES in patients with CHF. METHODS: We prospectively studied 206 consecutive patients with stable CHF due to dilated cardiomyopathy - 153 male, aged 53.3±13.0 years, 35.4% of ischemic etiology, left ventricular ejection fraction 27.7±8.0%, 81.1% in sinus rhythm, 97.1% receiving ACE-Is or ARBs, 78.2% beta-blockers and 60.2% spironolactone - who performed a first maximal symptom-limited treadmill CPET, using the modified Bruce protocol. In 33% of patients an cardioverter-defibrillator (ICD) or cardiac resynchronization therapy device (CRT-D) was implanted during follow-up. Peak VO(2), percentage of predicted peak VO(2), VE/VCO(2) slope, OUES and POUE were analyzed. OUES was calculated using the formula VO(2) (l/min) = OUES (log(10)VE) + b. POUE was calculated as pVO(2) (l/min) / log(10)peakVE (l/min). Correlation coefficients between the studied parameters were obtained. The prognosis of each variable adjusted for age was evaluated through Cox proportional hazard models and R2 percent (R2%) and V index (V6) were used as measures of the predictive accuracy of events of each of these variables. Receiver operating characteristic (ROC) curves from logistic regression models were used to determine the cut-offs for OUES and POUE. RESULTS: pVO(2): 20.5±5.9; percentage of predicted peak VO(2): 68.6±18.2; VE/VCO(2) slope: 30.6±8.3; OUES: 1.85±0.61; POUE: 0.88±0.27. During a mean follow-up of 33.1±14.8 months, 45 (21.8%) patients died, 10 (4.9%) underwent urgent heart transplantation and in three patients (1.5%) a left ventricular assist device was implanted. All variables proved to be independent predictors of this combined event; however, VE/VCO2 slope was most strongly associated with events (HR 11.14). In this population, POUE was associated with a higher risk of events than OUES (HR 9.61 vs. 7.01), and was also a better predictor of events (R2: 28.91 vs. 22.37). CONCLUSION: POUE was more strongly associated with death, urgent heart transplantation and implantation of a left ventricular assist device and proved to be a better predictor of events than OUES. These results suggest that this new parameter can increase the prognostic value of CPET in patients with CHF.

Question order and context effects on multi-items scales questions

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Estatística e Gestão de Informação

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Otimização da Hidrofugação do Couro Wetwhite

O processo de hidrofugação é definido como um tratamento efetuado com gorduras e agentes químicos, nomeadamente polímeros e acrílicos que dão características de lubrificação e propriedades hidrofóbicas ao material, cujas etapas são adicionadas na fase de recurtume. Um dos objetivos principais foi a obtenção de um couro com alto grau hidrofóbico, isto é um couro com baixo poder de absorção da água, resistência a sua penetração e conservação da permeabilidade ao vapor de água, sem a utilização do sal de crómio na fase de fixação, e mais pelas problemáticas ambientais que existem na atualidade com o uso deste metal no mundo dos couros. É de salientar que, o único parâmetro que foi possível analisar, de acordo com a disponibilidade do laboratório foi a percentagem de absorção da água. Portanto, para este trabalho escrito foram desenhadas uma série de ensaios, onde se testaram inúmeros produtos utilizados na indústria de produção dos couros, alterando-se fatores de temperatura, dosagem, posição dos produtos aplicados, tempos, entre outros parâmetros, de modo a obter um couro com melhores resultados na percentagem de absorção. A hidrofugação é um processo bastante delicado e mais quando se tenta produzir um couro isento de metais e com alto poder hidrofóbico. Os resultados obtidos experimentalmente apontam para uma percentagem de absorção de cerca de 30% para espaços de tempo de 10 minutos, utilizando sempre sais de alumínio na etapa de fixação, pelo que ainda se requer mais investigação para obter um couro wet-white sem adição de sais metálicas e com alto poder de absorção.

Determinação da tenacidade à fratura em corte (GIIc) de adesivos estruturais pelo ensaio End-Notched Flexure (ENF)

Os adesivos têm sido alvo de estudo ao longo dos últimos anos para ligação de componentes a nível industrial. Devido à crescente utilização das juntas adesivas, torna-se necessária a existência de modelos de previsão de resistência que sejam fiáveis e robustos. Neste âmbito, a determinação das propriedades dos adesivos é fundamental para o projeto de ligações coladas. Uma abordagem recente consiste no uso de modelos de dano coesivo (MDC), que permitem simular o comportamento à fratura das juntas de forma bastante fiável. Esta técnica requer a definição das leis coesivas em tração e corte. Estas leis coesivas dependem essencialmente de 2 parâmetros: a tensão limite e a tenacidade no modo de solicitação respetivo. O ensaio End-Notched Flexure (ENF) é o mais utilizado para determinar a tenacidade em corte, porque é conhecido por ser o mais expedito e fiável para caraterizar este parâmetro. Neste ensaio, os provetes são sujeitos a flexão em 3 pontos, sendo apoiados nas extremidades e solicitados no ponto médio para promover a flexão entre substratos, o que se reflete numa solicitação de corte no adesivo. A partir deste ensaio, e após de definida a tenacidade em corte (GIIc), existem alguns métodos para estimativa da lei coesiva respetiva. Nesta dissertação são definidas as leis coesivas em corte de três adesivos estruturais através do ensaio ENF e um método inverso de ajuste dos dados experimentais. Para o efeito, foram realizados ensaios experimentais considerado um adesivo frágil, o Araldite® AV138, um adesivo moderadamente dúctil, o Araldite® 2015 e outro dúctil, o SikaForce® 7752. O trabalho experimental consistiu na realização dos ensaios ENF e respetivo tratamento dos dados para obtenção das curvas de resistência (curvas-R) através dos seguintes métodos: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance-Based Beam Method (CBBM). Os ensaios foram simulados numericamente pelo código comercial ABAQUS®, recorrendo ao Métodos de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos em solicitação de corte. Após este estudo, foi feita uma análise de sensibilidade ao valor de GIIc e resistência coesiva ao corte (tS 0), para uma melhor compreensão do efeito destes parâmetros na curva P- do ensaio ENF. Com o objetivo de testar adequação dos 4 métodos de obtenção de GIIc usados neste trabalho, estes foram aplicados a curvas P- numéricas de cada um dos 3 adesivos, e os valores de GIIc previstos por estes métodos comparados com os respetivos valores introduzidos nos modelos numéricos. Como resultado do trabalho realizado, conseguiu-se obter uma lei coesiva única em corte para cada um dos 3 adesivos testados, que é capaz de reproduzir com precisão os resultados experimentais.