Modelling the activated sludge flocculation process combining laser light diffraction particle sizing and population balance modelling (PBM)

A technique based on laser light diffraction is shown to be successful in collecting on-line experimental data. Time series of floc size distributions (FSD) under different shear rates (G) and calcium additions were collected. The steady state mass mean diameter decreased with increasing shear rate G and increased when calcium additions exceeded 8 mg/l. A so-called population balance model (PBM) was used to describe the experimental data, This kind of model describes both aggregation and breakage through birth and death terms. A discretised PBM was used since analytical solutions of the integro-partial differential equations are non-existing. Despite the complexity of the model, only 2 parameters need to be estimated: the aggregation rate and the breakage rate. The model seems, however, to lack flexibility. Also, the description of the floc size distribution (FSD) in time is not accurate.

Difference equations in Banach spaces

Difference equations which discretely approximate boundary value problems for second-order ordinary differential equations are analysed. It is well known that the existence of solutions to the continuous problem does not necessarily imply existence of solutions to the discrete problem and, even if solutions to the discrete problem are guaranteed, they may be unrelated and inapplicable to the continuous problem. Analogues to theorems for the continuous problem regarding a priori bounds and existence of solutions are formulated for the discrete problem. Solutions to the discrete problem are shown to converge to solutions of the continuous problem in an aggregate sense. An example which arises in the study of the finite deflections of an elastic string under a transverse load is investigated. The earlier results are applied to show the existence of a solution; the sufficient estimates on the step size are presented. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Large amplitude vibration of thermo-electro-mechanically stressed FGM laminated plates

This paper presents a large amplitude vibration analysis of pre-stressed functionally graded material (FGM) laminated plates that are composed of a shear deformable functionally graded layer and two surface-mounted piezoelectric actuator layers. Nonlinear governing equations of motion are derived within the context of Reddy's higher-order shear deformation plate theory to account for transverse shear strain and rotary inertia. Due to the bending and stretching coupling effect, a nonlinear static problem is solved first to determine the initial stress state and pre-vibration deformations of the plate that is subjected to uniform temperature change, in-plane forces and applied actuator voltage. By adding an incremental dynamic state to the pre-vibration state, the differential equations that govern the nonlinear vibration behavior of pre-stressed FGM laminated plates are derived. A semi-analytical method that is based on one-dimensional differential quadrature and Galerkin technique is proposed to predict the large amplitude vibration behavior of the laminated rectangular plates with two opposite clamped edges. Linear vibration frequencies and nonlinear normalized frequencies are presented in both tabular and graphical forms, showing that the normalized frequency of the FGM laminated plate is very sensitive to vibration amplitude, out-of-plane boundary support, temperature change, in-plane compression and the side-to-thickness ratio. The CSCF and CFCF plates even change the inherent hard-spring characteristic to soft-spring behavior at large vibration amplitudes. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

A new wavelet-based adaptive method for solving population balance equations

A new wavelet-based adaptive framework for solving population balance equations (PBEs) is proposed in this work. The technique is general, powerful and efficient without the need for prior assumptions about the characteristics of the processes. Because there are steeply varying number densities across a size range, a new strategy is developed to select the optimal order of resolution and the collocation points based on an interpolating wavelet transform (IWT). The proposed technique has been tested for size-independent agglomeration, agglomeration with a linear summation kernel and agglomeration with a nonlinear kernel. In all cases, the predicted and analytical particle size distributions (PSDs) are in excellent agreement. Further work on the solution of the general population balance equations with nucleation, growth and agglomeration and the solution of steady-state population balance equations will be presented in this framework. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Aproximação numérica – analítica para a modelagem da conversão termoquímica de combustíveis sólidos

Um algoritmo numérico foi criado para apresentar a solução da conversão termoquímica de um combustível sólido. O mesmo foi criado de forma a ser flexível e dependente do mecanismo de reação a ser representado. Para tanto, um sistema das equações características desse tipo de problema foi resolvido através de um método iterativo unido a matemática simbólica. Em função de não linearidades nas equações e por se tratar de pequenas partículas, será aplicado o método de Newton para reduzir o sistema de equações diferenciais parciais (EDP’s) para um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDO’s). Tal processo redução é baseado na união desse método iterativo à diferenciação numérica, pois consegue incorporar nas EDO’s resultantes funções analíticas. O modelo reduzido será solucionado numericamente usando-se a técnica do gradiente bi-conjugado (BCG). Tal modelo promete ter taxa de convergência alta, se utilizando de um número baixo de iterações, além de apresentar alta velocidade na apresentação das soluções do novo sistema linear gerado. Além disso, o algoritmo se mostra independente do tamanho da malha constituidora. Para a validação, a massa normalizada será calculada e comparada com valores experimentais de termogravimetria encontrados na literatura, , e um teste com um mecanismo simplificado de reação será realizado.

Measuring and Controlling the Chaotic Motion of Profits

The study of economic systems has generated deep interest in exploring the complexity of chaotic motions in economy. Due to important developments in nonlinear dynamics, the last two decades have witnessed strong revival of interest in nonlinear endogenous business chaotic models. The inability to predict the behavior of dynamical systems in the presence of chaos suggests the application of chaos control methods, when we are more interested in obtaining regular behavior. In the present article, we study a specific economic model from the literature. More precisely, a system of three ordinary differential equations gather the variables of profits, reinvestments and financial flow of borrowings in the structure of a firm. Firstly, using results of symbolic dynamics, we characterize the topological entropy and the parameter space ordering of kneading sequences, associated with one-dimensional maps that reproduce significant aspects of the model dynamics. The analysis of the variation of this numerical invariant, in some realistic system parameter region, allows us to quantify and to distinguish different chaotic regimes. Finally, we show that complicated behavior arising from the chaotic firm model can be controlled without changing its original properties and the dynamics can be turned into the desired attracting time periodic motion (a stable steady state or into a regular cycle). The orbit stabilization is illustrated by the application of a feedback control technique initially developed by Romeiras et al. [1992]. This work provides another illustration of how our understanding of economic models can be enhanced by the theoretical and numerical investigation of nonlinear dynamical systems modeled by ordinary differential equations.

A 5GHz/1.8V CMOS Active Balun Integrated with LNA

The development of high performance monolithic RF front-ends requires innovative RF circuit design to make the best of a good technology. A fully differential approach is usually preferred, due to its well-known properties. Although the differential approach must be preserved inside the chip, there are cases where the input signal is single-ended such as RF image filters and IF filters in a RF receiver. In these situations, a stage able to convert single-ended into differential signals (balun) is needed. The most cited topology, which is capable of providing high gain, consists on a differential stage with one of the two inputs grounded. Unfortunately, this solution has some drawbacks when implemented monolithically. This work presents the design and simulated results of an innovative high-performance monolithic single to differential converter, which overcomes the limitations of the circuits.The integration of the monolithic active balun circuit with an LNA on a 0.18μm CMOS process is also reported. The circuits presented here are aimed at 802.11a. Section 2 describes the balun circuit and section 3 presents its performance when it is connected to a conventional single-ended LNA. Section 4 shows the simulated performance results focused at phase/amplitude balance and noise figure. Finally, the last section draws conclusions and future work.

Um novo gerador central de padrões de locomoção para geração de trajectórias em tempo real de robôs quadrúpedes

Neste trabalho estuda-se a geração de trajectórias em tempo real de um robô quadrúpede. As trajectórias podem dividir-se em duas componentes: rítmica e discreta. A componente rítmica das trajectórias é modelada por uma rede de oito osciladores acoplados, com simetria 4 2 Z  Z . Cada oscilador é modelado matematicamente por um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias. A referida rede foi proposta por Golubitsky, Stewart, Buono e Collins (1999, 2000), para gerar os passos locomotores de animais quadrúpedes. O trabalho constitui a primeira aplicação desta rede à geração de trajectórias de robôs quadrúpedes. A derivação deste modelo baseia-se na biologia, onde se crê que Geradores Centrais de Padrões de locomoção (CPGs), constituídos por redes neuronais, geram os ritmos associados aos passos locomotores dos animais. O modelo proposto gera soluções periódicas identificadas com os padrões locomotores quadrúpedes, como o andar, o saltar, o galopar, entre outros. A componente discreta das trajectórias dos robôs usa-se para ajustar a parte rítmica das trajectórias. Este tipo de abordagem é útil no controlo da locomoção em terrenos irregulares, em locomoção guiada (por exemplo, mover as pernas enquanto desempenha tarefas discretas para colocar as pernas em localizações específicas) e em percussão. Simulou-se numericamente o modelo de CPG usando o oscilador de Hopf para modelar a parte rítmica do movimento e um modelo inspirado no modelo VITE para modelar a parte discreta do movimento. Variou-se o parâmetro g e mediram-se a amplitude e a frequência das soluções periódicas identificadas com o passo locomotor quadrúpede Trot, para variação deste parâmetro. A parte discreta foi inserida na parte rítmica de duas formas distintas: (a) como um offset, (b) somada às equações que geram a parte rítmica. Os resultados obtidos para o caso (a), revelam que a amplitude e a frequência se mantêm constantes em função de g. Os resultados obtidos para o caso (b) revelam que a amplitude e a frequência aumentam até um determinado valor de g e depois diminuem à medida que o g aumenta, numa curva quase sinusoidal. A variação da amplitude das soluções periódicas traduz-se numa variação directamente proporcional na extensão do movimento do robô. A velocidade da locomoção do robô varia com a frequência das soluções periódicas, que são identificadas com passos locomotores quadrúpedes.

Robôs quadrúpedes: geração de trajectórias em tempo real usando sistemas dinâmicos não-lineares

A geração de trajectórias de robôs em tempo real é uma tarefa muito complexa, não existindo ainda um algoritmo que a permita resolver de forma eficaz. De facto, há controladores eficientes para trajectórias previamente definidas, todavia, a adaptação a variações imprevisíveis, como sendo terrenos irregulares ou obstáculos, constitui ainda um problema em aberto na geração de trajectórias em tempo real de robôs. Neste trabalho apresentam-se modelos de geradores centrais de padrões de locomoção (CPGs), inspirados na biologia, que geram os ritmos locomotores num robô quadrúpede. Os CPGs são modelados matematicamente por sistemas acoplados de células (ou neurónios), sendo a dinâmica de cada célula dada por um sistema de equações diferenciais ordinárias não lineares. Assume-se que as trajectórias dos robôs são constituídas por esta parte rítmica e por uma parte discreta. A parte discreta pode ser embebida na parte rítmica, (a.1) como um offset ou (a.2) adicionada às expressões rítmicas, ou (b) pode ser calculada independentemente e adicionada exactamente antes do envio dos sinais para as articulações do robô. A parte discreta permite inserir no passo locomotor uma perturbação, que poderá estar associada à locomoção em terrenos irregulares ou à existência de obstáculos na trajectória do robô. Para se proceder á análise do sistema com parte discreta, será variado o parâmetro g. O parâmetro g, presente nas equações da parte discreta, representa o offset do sinal após a inclusão da parte discreta. Revê-se a teoria de bifurcação e simetria que permite a classificação das soluções periódicas produzidas pelos modelos de CPGs com passos locomotores quadrúpedes. Nas simulações numéricas, usam-se as equações de Morris-Lecar e o oscilador de Hopf como modelos da dinâmica interna de cada célula para a parte rítmica. A parte discreta é modelada por um sistema inspirado no modelo VITE. Medem-se a amplitude e a frequência de dois passos locomotores para variação do parâmetro g, no intervalo [-5;5]. Consideram-se duas formas distintas de incluir a parte discreta na parte rítmica: (a) como um (a.1) offset ou (a.2) somada nas expressões que modelam a parte rítmica, e (b) somada ao sinal da parte rítmica antes de ser enviado às articulações do robô. No caso (a.1), considerando o oscilador de Hopf como dinâmica interna das células, verifica-se que a amplitude e frequência se mantêm constantes para -50.2. A extensão do movimento varia de forma directamente proporcional à amplitude. No caso das equações de Morris-Lecar, quando a componente discreta é embebida (a.2), a amplitude e a frequência aumentam e depois diminuem para - 0.170.5 Pode concluir-se que: (1) a melhor forma de inserção da parte discreta que menos perturbação insere no robô é a inserção como offset; (2) a inserção da parte discreta parece ser independente do sistema de equações diferenciais ordinárias que modelam a dinâmica interna de cada célula. Como trabalho futuro, é importante prosseguir o estudo das diferentes formas de inserção da parte discreta na parte rítmica do movimento, para que se possa gerar uma locomoção quadrúpede, robusta, flexível, com objectivos, em terrenos irregulares, modelada por correcções discretas aos padrões rítmicos.

Fractional model for malaria transmission under control strategies

We study a fractional model for malaria transmission under control strategies.Weconsider the integer order model proposed by Chiyaka et al. (2008) in [15] and modify it to become a fractional order model. We study numerically the model for variation of the values of the fractional derivative and of the parameter that models personal protection, b. From observation of the figures we conclude that as b is increased from 0 to 1 there is a corresponding decrease in the number of infectious humans and infectious mosquitoes, for all values of α. This means that this result is invariant for variation of fractional derivative, in the values tested. These results are in agreement with those obtained in Chiyaka et al.(2008) [15] for α = 1.0 and suggest that our fractional model is epidemiologically wellposed.

On a generalized Laguerre operational matrix of fractional integration

A new operationalmatrix of fractional integration of arbitrary order for generalized Laguerre polynomials is derived.The fractional integration is described in the Riemann-Liouville sense.This operational matrix is applied together with generalized Laguerre tau method for solving general linearmultitermfractional differential equations (FDEs).Themethod has the advantage of obtaining the solution in terms of the generalized Laguerre parameter. In addition, only a small dimension of generalized Laguerre operational matrix is needed to obtain a satisfactory result. Illustrative examples reveal that the proposedmethod is very effective and convenient for linear multiterm FDEs on a semi-infinite interval.

Fractional order calculus: basic concepts and engineering applications

The fractional order calculus (FOC) is as old as the integer one although up to recently its application was exclusively in mathematics. Many real systems are better described with FOC differential equations as it is a well-suited tool to analyze problems of fractal dimension, with long-term “memory” and chaotic behavior. Those characteristics have attracted the engineers' interest in the latter years, and now it is a tool used in almost every area of science. This paper introduces the fundamentals of the FOC and some applications in systems' identification, control, mechatronics, and robotics, where it is a promissory research field.

analytical model and measurements of the target erosion depth profile of balanced and unbalanced planar magnetron cathodes

The erosion depth profile of planar targets in balanced and unbalanced magnetron cathodes with cylindrical symmetry is measured along the target radius. The magnetic fields have rotational symmetry. The horizontal and vertical components of the magnetic field B are measured at points above the cathode target with z = 2 x 10(-3) m. The experimental data reveal that the target erosion depth profile is a function of the angle. made by B with a horizontal line defined by z = 2 x 10(-3) m. To explain this dependence a simplified model of the discharge is developed. In the scope of the model, the pathway lengths of the secondary electrons in the pre-sheath region are calculated by analytical integration of the Lorentz differential equations. Weighting these lengths by using the distribution law of the mean free path of the secondary electrons, we estimate the densities of the ionizing events over the cathode and the relative flux of the sputtered atoms. The expression so deduced correlates for the first time the erosion depth profile of the target with the angle theta. The model shows reasonably good fittings to the experimental target erosion depth profiles confirming that ionization occurs mainly in the pre-sheath zone.

Comments on ‘‘Modeling fractional stochastic systems as non-random fractional dynamics driven Brownian motions

Applied Mathematical Modelling, Vol.33

Introduction to fractional linear systems. Part 1 : continuous-time case

IEE Proceedings - Vision, Image, and Signal Processing, Vol. 147, nº 1