Stability Analysis and Implementation of a Decentralized Formation Control Strategy for Unmanned Vehicles

This paper presents a new methodology for solving the multi-vehicle formation control problem. It employs a unique extension-decomposition-aggregation scheme to transform the overall complex formation control problem into a group of subproblems, which work via boundary interactions or disturbances. Thus, it is proved that the overall formation system is exponentially stable in the sense of Lyapunov, if all the individual augmented subsystems (IASs) are stable. Linear matrix inequality-based H8 control methodology is employed to design the decentralized formation controllers to reject the impact of the formation changes being treated as boundary disturbances and guarantee the stability of all the IASs, consequently maintaining the stability of the overall formation system. Simulation studies are performed to verify the stability, performance, and effectiveness of the proposed strategy.

The effect of sub-optimal control and the spectral wave climate on the performance of wave energy converter arrays

A linear hydrodynamic model is used to assess the sensitivity of the performance of a wave energy converter (WEC) array to control parameters. It is found that WEC arrays have a much smaller tolerance to imprecision of the control parameters than isolated WECs and that the increase in power capture of WEC arrays is only achieved with larger amplitudes of motion of the individual WECs. The WEC array radiation pattern is found to provide useful insight into the array hydrodynamics. The linear hydrodynamic model is used, together with the wave climate at the European Marine Energy Centre (EMEC), to assess the maximum annual average power capture of a WEC array. It is found that the maximum annual average power capture is significantly reduced compared to the maximum power capture for regular waves and that the optimum array configuration is also significantly modified. It is concluded that the optimum configuration of a WEC array will be as much influenced by factors such as mooring layout, device access and power smoothing as it is by the theoretical optimum hydrodynamic configuration. © 2009 Elsevier Ltd.

Prostate stereotactic ablative body radiotherapy using a standard linear accelerator:toxicity, biochemical, and pathological outcomes

Biological dose escalation through stereotactic ablative radiotherapy (SABR) holds promise of improved patient convenience, system capacity and tumor control with decreased cost and side effects. The objectives are to report the toxicities, biochemical and pathologic outcomes of this prospective study.

Corporate ownership and control in Victorian Britain

Using ownership and control data for 890 firm‐years, this article examines the concentration of capital and voting rights in British companies in the second half of the nineteenth century. We find that both capital and voting rights were diffuse by modern‐day standards. However, this does not necessarily mean that there was a modern‐style separation of ownership from control in Victorian Britain. One major implication of our findings is that diffuse ownership was present in the UK much earlier than previously thought, and given that it occurred in an era with weak shareholder protection law, it somewhat undermines the influential law and finance hypothesis. We also find that diffuse ownership is correlated with large boards, a London head office, non‐linear voting rights, and shares traded on multiple markets.

Identification and output tracking control of Hammerstein systems through wireless networks

his paper investigates the identification and output tracking control of a class of Hammerstein systems through a wireless network within an integrated framework and the statistic characteristics of the wireless network are modelled using the inverse Gaussian cumulative distribution function. In the proposed framework, a new networked identification algorithm is proposed to compensate for the influence of the wireless network delays so as to acquire the more precise Hammerstein system model. Then, the identified model together with the model-based approach is used to design an output tracking controller. Mean square stability conditions are given using linear matrix inequalities (LMIs) and the optimal controller gains can be obtained by solving the corresponding optimization problem expressed using LMIs. Illustrative numerical simulation examples are given to demonstrate the effectiveness of our proposed method.

New results on stability analysis of delayed recurrent neural networks based on the integral quadratic constraints approach

This paper is concerned with the analysis of the stability of delayed recurrent neural networks. In contrast to the widely used Lyapunov–Krasovskii functional approach, a new method is developed within the integral quadratic constraints framework. To achieve this, several lemmas are first given to propose integral quadratic separators to characterize the original delayed neural network. With these, the network is then reformulated as a special form of feedback-interconnected system by choosing proper integral quadratic constraints. Finally, new stability criteria are established based on the proposed approach. Numerical examples are given to illustrate the effectiveness of the new approach.

Control of uncertain compartmental systems

Os sistemas compartimentais são frequentemente usados na modelação de diversos processos em várias áreas, tais como a biomedicina, ecologia, farmacocinética, entre outras. Na maioria das aplicações práticas, nomeadamente, aquelas que dizem respeito à administração de drogas a pacientes sujeitos a cirurgia, por exemplo, a presença de incertezas nos parâmetros do sistema ou no estado do sistema é muito comum. Ao longo dos últimos anos, a análise de sistemas compartimentais tem sido bastante desenvolvida na literatura. No entanto, a análise da sensibilidade da estabilidade destes sistemas na presença de incertezas tem recebido muito menos atenção. Nesta tese, consideramos uma lei de controlo por realimentação do estado com restrições de positividade e analisamos a sua robustez quando aplicada a sistemas compartimentais lineares e invariantes no tempo com incertezas nos parâmetros. Além disso, para sistemas lineares e invariantes no tempo com estado inicial desconhecido, combinamos esta lei de controlo com um observador do estado e a robustez da lei de controlo resultante também é analisada. O controlo do bloqueio neuromuscular por meio da infusão contínua de um relaxante muscular pode ser modelado como um sistema compartimental de três compartimentos e tem sido objecto de estudo por diversos grupos de investigação. Nesta tese, os nossos resultados são aplicados a este problema de controlo e são fornecidas estratégias para melhorar os resultados obtidos.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Non-linear finite element analysis of thin composite structures

A non-conforming three-node triangular finite element with 18 degree of freedom, is used in conjugation with the Kirchhoff theory for the non-linear analysis of thin composite plate-shell structure. The formulation of the geometrically non-linear analysis is based on an updated Lagrangian formulation associated with the Newton-Raphson iterative technique, which incorporates an automatic arc-length control procedure.

Non-linear analysis of piezolaminated structures

In the recent years the study of smart structures has attracted significant researchers, due to their potential benefits in a wide range of applications, such as shape control, vibration suppression, noise attenuation and damage detection. The applications in aerospace industry are of great relevance, such as in active control of airplane wings, helicopter blade rotor, space antenna. The use of smart materials, such as piezoelectric materials, in the form of layers or patches embedded and/or surface bonded on laminated composite structures, can provide structures that combine the superior mechanical properties of composite materials and the capability to sense and adapt their static and dynamic response, becoming adaptive structures. The piezoelectric materials have the property of generate electrical charge under mechanical load or deformation, and the reverse, applying an electrical field to the material results in mechanical strain or stresses.

A scalable and open source linear positioning system controller

This paper is on the implementation of a dual axis positioning system controller. The system was designed to be used for space-dependent ultrasound signal acquisition problems, such as pressure field mapping. The work developed can be grouped in two main subjects: hardware and software. Each axis includes one stepper motor connected to a driver circuit, which is then connected to a processing unit. The graphical user interface is simple and clear for the user. The system resolution was computed as 127 mu m with an accuracy of 2.44 mu m. Although the target application is ultrasound signal acquisition, the controller can be applied to other devices that has up to four stepper motors. The application was developed as an open source software, thus it can be used or changed to fit different purposes.

A case-control study of the health and wellbeing benefits of allotment gardening

Background - Allotments in the UK are popular and waiting lists long. There is, however, little evidence on the health benefits of allotment gardening. The aims of this study were to determine the impacts of a session of allotment gardening on self-esteem and mood and to compare the mental well-being of allotment gardeners with non-gardeners. Methods - Self-esteem, mood and general health were measured in 136 allotment gardeners pre- and post- an allotment session, and 133 non-gardener controls. Allotment gardeners also detailed the time spent on their allotment in the current session and previous 7 days, and their length of tenure. Results - Paired t-tests revealed a significant improvement in self-esteem (P < 0.05) and mood (P < 0.001) as a result of one allotment session. Linear regression revealed that neither the time spent on the allotment in the current session, the previous 7 days or the length of tenure affected the impacts on self-esteem and mood (P > 0.05). One-way ANCOVA revealed that allotment gardeners had a significantly better self-esteem, total mood disturbance and general health (P < 0.001), experiencing less depression and fatigue and more vigour (P < 0.0083). Conclusions - Allotment gardening can play a key role in promoting mental well-being and could be used as a preventive health measure

Genetic algorithm methodology applied to intelligent house control

In recent years the use of several new resources in power systems, such as distributed generation, demand response and more recently electric vehicles, has significantly increased. Power systems aim at lowering operational costs, requiring an adequate energy resources management. In this context, load consumption management plays an important role, being necessary to use optimization strategies to adjust the consumption to the supply profile. These optimization strategies can be integrated in demand response programs. The control of the energy consumption of an intelligent house has the objective of optimizing the load consumption. This paper presents a genetic algorithm approach to manage the consumption of a residential house making use of a SCADA system developed by the authors. Consumption management is done reducing or curtailing loads to keep the power consumption in, or below, a specified energy consumption limit. This limit is determined according to the consumer strategy and taking into account the renewable based micro generation, energy price, supplier solicitations, and consumers’ preferences. The proposed approach is compared with a mixed integer non-linear approach.

Optimal scheduling of a renewable micro-grid in an isolated load area using mixed-integer linear programming

In the energy management of the isolated operation of small power system, the economic scheduling of the generation units is a crucial problem. Applying right timing can maximize the performance of the supply. The optimal operation of a wind turbine, a solar unit, a fuel cell and a storage battery is searched by a mixed-integer linear programming implemented in General Algebraic Modeling Systems (GAMS). A Virtual Power Producer (VPP) can optimal operate the generation units, assured the good functioning of equipment, including the maintenance, operation cost and the generation measurement and control. A central control at system allows a VPP to manage the optimal generation and their load control. The application of methodology to a real case study in Budapest Tech, demonstrates the effectiveness of this method to solve the optimal isolated dispatch of the DC micro-grid renewable energy park. The problem has been converged in 0.09 s and 30 iterations.