Complex-order dynamics in hexapod locomotion

This paper studies the dynamics of foot–ground interaction in hexapod locomotion systems. For that objective the robot motion is characterized in terms of several locomotion variables and the ground is modelled through a non-linear spring-dashpot system, with parameters based on the studies of soil mechanics. Moreover, it is adopted an algorithm with foot-force feedback to control the robot locomotion. A set of model-based experiments reveals the influence of the locomotion velocity on the foot–ground transfer function, which presents complex-order dynamics.

Investigation of the composition of linear alkylbenzenes with emphasis on the identification and quantitation of some trace compounds using GS/MS system in both electron impact and chemical ionization modes

Linear alkylbenzenes, LAB, formed by the Alel3 or HF catalyzed alkylation of benzene are common raw materials for surfactant manufacture. Normally they are sulphonated using S03 or oleum to give the corresponding linear alkylbenzene sulphonates In >95 % yield. As concern has grown about the environmental impact of surfactants,' questions have been raised about the trace levels of unreacted raw materials, linear alkylbenzenes and minor impurities present in them. With the advent of modem analytical instruments and techniques, namely GCIMS, the opportunity has arisen to identify the exact nature of these impurities and to determine the actual levels of them present in the commercial linear ,alkylbenzenes. The object of the proposed study was to separate, identify and quantify major and minor components (1-10%) in commercial linear alkylbenzenes. The focus of this study was on the structure elucidation and determination of impurities and on the qualitative determination of them in all analyzed linear alkylbenzene samples. A gas chromatography/mass spectrometry, (GCIMS) study was performed o~ five samples from the same manufacturer (different production dates) and then it was followed by the analyses of ten commercial linear alkylbenzenes from four different suppliers. All the major components, namely linear alkylbenzene isomers, followed the same elution pattern with the 2-phenyl isomer eluting last. The individual isomers were identified by interpretation of their electron impact and chemical ionization mass spectra. The percent isomer distribution was found to be different from sample to sample. Average molecular weights were calculated using two methods, GC and GCIMS, and compared with the results reported on the Certificate of Analyses (C.O.A.) provided by the manufacturers of commercial linear alkylbenzenes. The GC results in most cases agreed with the reported values, whereas GC/MS results were significantly lower, between 0.41 and 3.29 amu. The minor components, impurities such as branched alkylbenzenes and dialkyltetralins eluted according to their molecular weights. Their fragmentation patterns were studied using electron impact ionization mode and their molecular weight ions confirmed by a 'soft ionization technique', chemical ionization. The level of impurities present i~ the analyzed commercial linear alkylbenzenes was expressed as the percent of the total sample weight, as well as, in mg/g. The percent of impurities was observed to vary between 4.5 % and 16.8 % with the highest being in sample "I". Quantitation (mg/g) of impurities such as branched alkylbenzenes and dialkyltetralins was done using cis/trans-l,4,6,7-tetramethyltetralin as an internal standard. Samples were analyzed using .GC/MS system operating under full scan and single ion monitoring data acquisition modes. The latter data acquisition mode, which offers higher sensitivity, was used to analyze all samples under investigation for presence of linear dialkyltetralins. Dialkyltetralins were reported quantitatively, whereas branched alkylbenzenes were reported semi-qualitatively. The GC/MS method that was developed during the course of this study allowed identification of some other trace impurities present in commercial LABs. Compounds such as non-linear dialkyltetralins, dialkylindanes, diphenylalkanes and alkylnaphthalenes were identified but their detailed structure elucidation and the quantitation was beyond the scope of this study. However, further investigation of these compounds will be the subject of a future study.

Analyse de groupe d’un modèle de la plasticité idéale planaire et sur les solutions en termes d’invariants de Riemann pour les systèmes quasilinéaires du premier ordre

Les objets d’étude de cette thèse sont les systèmes d’équations quasilinéaires du premier ordre. Dans une première partie, on fait une analyse du point de vue du groupe de Lie classique des symétries ponctuelles d’un modèle de la plasticité idéale. Les écoulements planaires dans les cas stationnaire et non-stationnaire sont étudiés. Deux nouveaux champs de vecteurs ont été obtenus, complétant ainsi l’algèbre de Lie du cas stationnaire dont les sous-algèbres sont classifiées en classes de conjugaison sous l’action du groupe. Dans le cas non-stationnaire, une classification des algèbres de Lie admissibles selon la force choisie est effectuée. Pour chaque type de force, les champs de vecteurs sont présentés. L’algèbre ayant la dimension la plus élevée possible a été obtenues en considérant les forces monogéniques et elle a été classifiée en classes de conjugaison. La méthode de réduction par symétrie est appliquée pour obtenir des solutions explicites et implicites de plusieurs types parmi lesquelles certaines s’expriment en termes d’une ou deux fonctions arbitraires d’une variable et d’autres en termes de fonctions elliptiques de Jacobi. Plusieurs solutions sont interprétées physiquement pour en déduire la forme de filières d’extrusion réalisables. Dans la seconde partie, on s’intéresse aux solutions s’exprimant en fonction d’invariants de Riemann pour les systèmes quasilinéaires du premier ordre. La méthode des caractéristiques généralisées ainsi qu’une méthode basée sur les symétries conditionnelles pour les invariants de Riemann sont étendues pour être applicables à des systèmes dans leurs régions elliptiques. Leur applicabilité est démontrée par des exemples de la plasticité idéale non-stationnaire pour un flot irrotationnel ainsi que les équations de la mécanique des fluides. Une nouvelle approche basée sur l’introduction de matrices de rotation satisfaisant certaines conditions algébriques est développée. Elle est applicable directement à des systèmes non-homogènes et non-autonomes sans avoir besoin de transformations préalables. Son efficacité est illustrée par des exemples comprenant un système qui régit l’interaction non-linéaire d’ondes et de particules. La solution générale est construite de façon explicite.

Simulation de la nage anguilliforme

Ce document traite premièrement des diverses tentatives de modélisation et de simulation de la nage anguilliforme puis élabore une nouvelle technique, basée sur la méthode de la frontière immergée généralisée et la théorie des poutres de Reissner-Simo. Cette dernière, comme les équations des fluides polaires, est dérivée de la mécanique des milieux continus puis les équations obtenues sont discrétisées afin de les amener à une résolution numérique. Pour la première fois, la théorie des schémas de Runge-Kutta additifs est combinée à celle des schémas de Runge-Kutta-Munthe-Kaas pour engendrer une méthode d’ordre de convergence formel arbitraire. De plus, les opérations d’interpolation et d’étalement sont traitées d’un nouveau point de vue qui suggère l’usage des splines interpolatoires nodales en lieu et place des fonctions d’étalement traditionnelles. Enfin, de nombreuses vérifications numériques sont faites avant de considérer les simulations de la nage.

Spectroscopie ultrarapide cohérente et non linéaire dans les semiconducteurs organiques

Nous avons étudié la cohérence excitonique dans le poly[N- 9’-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4,7-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole] (PCDTBT). À l’aide d’un modulateur spatial de lumière, nous avons forgé des impulsions lasers ultracourtes permettant de sonder les cohérences du système. Nous nous sommes concentrés sur les propriétés cohérentes des états excitoniques, soit le singulet et l’état à transfert de charge. Nous avons observé que 35 fs après l’excitation, le singulet et l’état à transfert de charge sont toujours cohérents. Cette cohérence se mesure à l’aide de la visibilité qui est de respectivement environ 10% et 30%. De plus, nous avons démontré que les mécanismes permettant de générer du photocourant dans de tels dispositifs photovoltaïques ne sont déjà plus cohérents après 35 fs. Ces mesures révèlent une visibilité inférieure à 3%, ce qui est en deçà de la précision de nos instruments. Nous concluons donc que les états à transfert de charge ne sont pas les états précurseurs à la génération de photocourant, car ceux-ci se comportent très différemment dans les mesures de cohérences.

Les modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives de séries chronologiques.

L'objectif du présent mémoire vise à présenter des modèles de séries chronologiques multivariés impliquant des vecteurs aléatoires dont chaque composante est non-négative. Nous considérons les modèles vMEM (modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives) présentés par Cipollini, Engle et Gallo (2006) et Cipollini et Gallo (2010). Ces modèles représentent une généralisation au cas multivarié des modèles MEM introduits par Engle (2002). Ces modèles trouvent notamment des applications avec les séries chronologiques financières. Les modèles vMEM permettent de modéliser des séries chronologiques impliquant des volumes d'actif, des durées, des variances conditionnelles, pour ne citer que ces applications. Il est également possible de faire une modélisation conjointe et d'étudier les dynamiques présentes entre les séries chronologiques formant le système étudié. Afin de modéliser des séries chronologiques multivariées à composantes non-négatives, plusieurs spécifications du terme d'erreur vectoriel ont été proposées dans la littérature. Une première approche consiste à considérer l'utilisation de vecteurs aléatoires dont la distribution du terme d'erreur est telle que chaque composante est non-négative. Cependant, trouver une distribution multivariée suffisamment souple définie sur le support positif est plutôt difficile, au moins avec les applications citées précédemment. Comme indiqué par Cipollini, Engle et Gallo (2006), un candidat possible est une distribution gamma multivariée, qui impose cependant des restrictions sévères sur les corrélations contemporaines entre les variables. Compte tenu que les possibilités sont limitées, une approche possible est d'utiliser la théorie des copules. Ainsi, selon cette approche, des distributions marginales (ou marges) peuvent être spécifiées, dont les distributions en cause ont des supports non-négatifs, et une fonction de copule permet de tenir compte de la dépendance entre les composantes. Une technique d'estimation possible est la méthode du maximum de vraisemblance. Une approche alternative est la méthode des moments généralisés (GMM). Cette dernière méthode présente l'avantage d'être semi-paramétrique dans le sens que contrairement à l'approche imposant une loi multivariée, il n'est pas nécessaire de spécifier une distribution multivariée pour le terme d'erreur. De manière générale, l'estimation des modèles vMEM est compliquée. Les algorithmes existants doivent tenir compte du grand nombre de paramètres et de la nature élaborée de la fonction de vraisemblance. Dans le cas de l'estimation par la méthode GMM, le système à résoudre nécessite également l'utilisation de solveurs pour systèmes non-linéaires. Dans ce mémoire, beaucoup d'énergies ont été consacrées à l'élaboration de code informatique (dans le langage R) pour estimer les différents paramètres du modèle. Dans le premier chapitre, nous définissons les processus stationnaires, les processus autorégressifs, les processus autorégressifs conditionnellement hétéroscédastiques (ARCH) et les processus ARCH généralisés (GARCH). Nous présentons aussi les modèles de durées ACD et les modèles MEM. Dans le deuxième chapitre, nous présentons la théorie des copules nécessaire pour notre travail, dans le cadre des modèles vectoriels et multiplicatifs avec erreurs non-négatives vMEM. Nous discutons également des méthodes possibles d'estimation. Dans le troisième chapitre, nous discutons les résultats des simulations pour plusieurs méthodes d'estimation. Dans le dernier chapitre, des applications sur des séries financières sont présentées. Le code R est fourni dans une annexe. Une conclusion complète ce mémoire.

Analysis and Optimization of Machining Process Using Evolutionary Algorithms

To ensure quality of machined products at minimum machining costs and maximum machining effectiveness, it is very important to select optimum parameters when metal cutting machine tools are employed. Traditionally, the experience of the operator plays a major role in the selection of optimum metal cutting conditions. However, attaining optimum values each time by even a skilled operator is difficult. The non-linear nature of the machining process has compelled engineers to search for more effective methods to attain optimization. The design objective preceding most engineering design activities is simply to minimize the cost of production or to maximize the production efficiency. The main aim of research work reported here is to build robust optimization algorithms by exploiting ideas that nature has to offer from its backyard and using it to solve real world optimization problems in manufacturing processes.In this thesis, after conducting an exhaustive literature review, several optimization techniques used in various manufacturing processes have been identified. The selection of optimal cutting parameters, like depth of cut, feed and speed is a very important issue for every machining process. Experiments have been designed using Taguchi technique and dry turning of SS420 has been performed on Kirlosker turn master 35 lathe. Analysis using S/N and ANOVA were performed to find the optimum level and percentage of contribution of each parameter. By using S/N analysis the optimum machining parameters from the experimentation is obtained.Optimization algorithms begin with one or more design solutions supplied by the user and then iteratively check new design solutions, relative search spaces in order to achieve the true optimum solution. A mathematical model has been developed using response surface analysis for surface roughness and the model was validated using published results from literature.Methodologies in optimization such as Simulated annealing (SA), Particle Swarm Optimization (PSO), Conventional Genetic Algorithm (CGA) and Improved Genetic Algorithm (IGA) are applied to optimize machining parameters while dry turning of SS420 material. All the above algorithms were tested for their efficiency, robustness and accuracy and observe how they often outperform conventional optimization method applied to difficult real world problems. The SA, PSO, CGA and IGA codes were developed using MATLAB. For each evolutionary algorithmic method, optimum cutting conditions are provided to achieve better surface finish.The computational results using SA clearly demonstrated that the proposed solution procedure is quite capable in solving such complicated problems effectively and efficiently. Particle Swarm Optimization (PSO) is a relatively recent heuristic search method whose mechanics are inspired by the swarming or collaborative behavior of biological populations. From the results it has been observed that PSO provides better results and also more computationally efficient.Based on the results obtained using CGA and IGA for the optimization of machining process, the proposed IGA provides better results than the conventional GA. The improved genetic algorithm incorporating a stochastic crossover technique and an artificial initial population scheme is developed to provide a faster search mechanism. Finally, a comparison among these algorithms were made for the specific example of dry turning of SS 420 material and arriving at optimum machining parameters of feed, cutting speed, depth of cut and tool nose radius for minimum surface roughness as the criterion. To summarize, the research work fills in conspicuous gaps between research prototypes and industry requirements, by simulating evolutionary procedures seen in nature that optimize its own systems.

Optimal piecewise locally linear modeling

Associative memory networks such as Radial Basis Functions, Neurofuzzy and Fuzzy Logic used for modelling nonlinear processes suffer from the curse of dimensionality (COD), in that as the input dimension increases the parameterization, computation cost, training data requirements, etc. increase exponentially. Here a new algorithm is introduced for the construction of a Delaunay input space partitioned optimal piecewise locally linear models to overcome the COD as well as generate locally linear models directly amenable to linear control and estimation algorithms. The training of the model is configured as a new mixture of experts network with a new fast decision rule derived using convex set theory. A very fast simulated reannealing (VFSR) algorithm is utilized to search a global optimal solution of the Delaunay input space partition. A benchmark non-linear time series is used to demonstrate the new approach.

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

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

Measures of observation impact in non-Gaussian data assimilation

ABSTRACT Non-Gaussian/non-linear data assimilation is becoming an increasingly important area of research in the Geosciences as the resolution and non-linearity of models are increased and more and more non-linear observation operators are being used. In this study, we look at the effect of relaxing the assumption of a Gaussian prior on the impact of observations within the data assimilation system. Three different measures of observation impact are studied: the sensitivity of the posterior mean to the observations, mutual information and relative entropy. The sensitivity of the posterior mean is derived analytically when the prior is modelled by a simplified Gaussian mixture and the observation errors are Gaussian. It is found that the sensitivity is a strong function of the value of the observation and proportional to the posterior variance. Similarly, relative entropy is found to be a strong function of the value of the observation. However, the errors in estimating these two measures using a Gaussian approximation to the prior can differ significantly. This hampers conclusions about the effect of the non-Gaussian prior on observation impact. Mutual information does not depend on the value of the observation and is seen to be close to its Gaussian approximation. These findings are illustrated with the particle filter applied to the Lorenz ’63 system. This article is concluded with a discussion of the appropriateness of these measures of observation impact for different situations.

Tests of non-linearity using LIFFE futures transactions price data

This paper presents and implements a number of tests for non-linear dependence and a test for chaos using transactions prices on three LIFFE futures contracts: the Short Sterling interest rate contract, the Long Gilt government bond contract, and the FTSE 100 stock index futures contract. While previous studies of high frequency futures market data use only those transactions which involve a price change, we use all of the transaction prices on these contracts whether they involve a price change or not. Our results indicate irrefutable evidence of non-linearity in two of the three contracts, although we find no evidence of a chaotic process in any of the series. We are also able to provide some indications of the effect of the duration of the trading day on the degree of non-linearity of the underlying contract. The trading day for the Long Gilt contract was extended in August 1994, and prior to this date there is no evidence of any structure in the return series. However, after the extension of the trading day we do find evidence of a non-linear return structure.

Testing for non-linearity in daily sterling exchange rates

A number of tests for non-linear dependence in time series are presented and implemented on a set of 10 daily sterling exchange rates covering the entire post Bretton-Woods era until the present day. Irrefutable evidence of non-linearity is shown in many of the series, but most of this dependence can apparently be explained by reference to the GARCH family of models. It is suggested that the literature in this area has reached an impasse, with the presence of ARCH effects clearly demonstrated in a large number of papers, but with the tests for non-linearity which are currently available being unable to classify any additional non-linear structure.

An evaluation of three upwinding approximations for numerical modeling the flow in tubular membrane of Newtonian and non-Newtonian fluids

In this paper, the laminar fluid flow of Newtonian and non-Newtonian of aqueous solutions in a tubular membrane is numerically studied. The mathematical formulation, with associated initial and boundary conditions for cylindrical coordinates, comprises the mass conservation, momentum conservation and mass transfer equations. These equations are discretized by using the finite-difference technique on a staggered grid system. Comparisons of the three upwinding schemes for discretization of the non-linear (convective) terms are presented. The effects of several physical parameters on the concentration profile are investigated. The numerical results compare favorably with experimental data and the analytical solutions. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.