Matrix converter as unified power flow controller: design and implementation of decoupled direct power controllers

This paper presents the design and implementation of direct power controllers for three-phase matrix converters (MC) operating as Unified Power Flow Controllers (UPFC). Theoretical principles of the decoupled linear power controllers of the MC-UPFC to minimize the cross-coupling between active and reactive power control are established. From the matrix converter based UPFC model with a modified Venturini high frequency PWM modulator, decoupled controllers for the transmission line active (P) and reactive (Q) power direct control are synthesized. Simulation results, obtained from Matlab/Simulink, are presented in order to confirm the proposed approach. Results obtained show decoupled power control, zero error tracking, and fast responses with no overshoot and no steady-state error.

Design and characterization of novel biopolymeric structure using biocompatible ionic liquids

The main objective of this thesis was the development of polymeric structures from the dissolution of FucoPol, a bacterial exopolysaccharide (EPS), in a biocompatible ionic liquid, choline acetate. The FucoPol was produced by the bacteria Enterobacter A47 using glycerol as carbon source at controlled temperature and pH (30ºC and 7, respectively). At the end of 3 days it was produced 7 g/L of FucoPol. The net yield of Fucopol in glycerol (YP/S) was 0.22 g/g and the maximum productivity 2.37 g/L.d This polymer was characterized about its composition in sugars and acyl groups (by High-Performance Liquid Chromatography - HPLC), containing fucose (35 % mol), galactose (21 % mol), glucose (29 % mol), rhamnose (3% mol) and glucuronic acid (12% mol) as well as acetate (14.28 % mol), pyruvate (2.15 % mol) and succinate (1.80 % mol). Its content of water and ash was 15% p/p and 2% p/p, respectively, and the chemical bonds (determined by Infrared Spectroscopy - FT-IR) are consistent to the literature reports. However, due to limitations in Differential Scanning Calorimetry (DSC) equipment it was not possible to determine the glass transition temperature. In turn, the ionic liquid showed the typical behavior of a Newtonian fluid, glass transition temperature (determined by DSC) -98.03ºC and density 1.1031 g/cm3. The study of chemical bonds by FT-IR showed that amount of water (8.80%) influenced the visualization of the bands predicted to in view of their chemical structure. After the dissolution of the FucoPol in the ionic liquid at different temperatures (50, 60, 80 and 100 ° C) it was promoted the removal of this by the phase inversion method using deionized water as a solvent, followed by drying in an oven at 70 ° C. The mixtures before and after the phase inversion method were characterized through the studies mentioned above. In order to explore possible application field’s biocompatibility assays and collage on balsa wood tests were performed. It was found that the process of washing with water by the phase inversion method was not totally effective in removing the biocompatible ionic liquid, since all FucoPol – IL mixtures still contained ionic liquid in their composition as can be seen by the DSC results and FT-IR. In addition, washing the mixtures with water significantly altered the composition of FucoPol. However, these mixtures, that developed a viscous behavior typical of a non-Newtonian fluid (shear-thinning), have the potential to be applied in the biomedical field as well as biological glues.

Structure-property relationships in polymer nanocomposites

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos

Food Structure Design: Innovation in food structure-properties relationships

This Special Issue gathers selected contributions from the 1st Congress on Food Structure Design, covering most of the topics described above.

Poly(ester-urethane) scaffolds: effect of structure on properties and osteogenic activity of stem cells

The present study aimed to investigate the effect of structure (design and porosity) on the matrix stiffness and osteogenic activity of stem cells cultured on poly(ester-urethane) (PEU) scaffolds. Different three-dimensional (3D) forms of scaffold were prepared from lysine-based PEU using traditional salt-leaching and advanced bioplotting techniques. The resulting scaffolds were characterized by differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM), mercury porosimetry and mechanical testing. The scaffolds had various pore sizes with different designs, and all were thermally stable up to 300â °C. In vitrotests, carried out using rat bone marrow stem cells (BMSCs) for bone tissue engineering, demonstrated better viability and higher cell proliferation on bioplotted scaffolds compared to salt-leached ones, most probably due to their larger and interconnected pores and stiffer nature, as shown by higher compressive moduli, which were measured by compression testing. Similarly, SEM, von Kossa staining and EDX analyses indicated higher amounts of calcium deposition on bioplotted scaffolds during cell culture. It was concluded that the design with larger interconnected porosity and stiffness has an effect on the osteogenic activity of the stem cells.

Derris (Lonchocarpus) urucu (Leguminosae) Extract Modifies the Peritrophic Matrix Structure of Aedes aegypti (Diptera:Culicidae)

Aqueous suspension of ethanol extracts of Derris (Lonchocarpus) urucu (Leguminosae), collected in the state of Amazonas, Brazil, were tested for larvicidal activity against the mosquito Aedes aegypti (Diptera:Culicidae). The aim of this study was to observe the alterations of peritrophic matrix in Ae. aegypti larvae treated with an aqueous suspension of D. urucu extract. Different concentrations of D. urucu root extract were tested against fourth instar larvae. One hundred percent mortality was observed at 150 µg/ml (LC50 17.6 µg/ml) 24 h following treatment. In response to D. urucu feeding, larvae excreted a large amount of amorphous feces, while control larvae did not produce feces during the assay period. Ultrastructural studies showed that larvae fed with 150 µg/ml of D. urucu extract for 4 h have an imperfect peritrophic matrix and extensive damage of the midgut epithelium. Data indicate a protective role for the peritrophic matrix. The structural modification of the peritrophic matrix is intrinsically associated with larval mortality.

Stream Stabilization in Western Iowa: Structure Evaluation and Design Manual, HR-385, 1998

Stream degradation is the action of deepening the stream bed and widening the banks due to the increasing velocity of water flow. Degradation is pervasive in channeled streams found within the deep to moderately deep loess regions of the central United States. Of all the streams, however, the most severe and widespread entrenchment occurs in western Iowa streams that are tributaries to the Missouri River. In September 1995 the Iowa Department of Transportation awarded a grant to Golden Hills Resource Conservation and Development, Inc. The purpose of the grant, HR-385 "Stream Stabilization in Western Iowa: Structure Evaluation and Design Manual", was to provide an assessment of the effectiveness and costs of various stabilization structures in controlling erosion on channeled streams. A review of literature, a survey of professionals, field observations and an analysis of the data recorded on fifty-two selected structures led to the conclusions presented in the project's publication, Design Manual, Streambed Degradation and Streambank Widening in Western Iowa. Technical standards and specifications for the design and construction of stream channel stabilization structures are included in the manual. Additional information on non-structural measures, monitoring and evaluation of structures, various permit requirements and further resources are also included. Findings of the research project and use and applications of the Design Manual were presented at two workshops in the Loess Hills region. Participants in these workshops included county engineers, private contractors, state and federal agency personnel, elected officials and others. The Design Manual continues to be available through Golden Hills Resource Conservation and Development.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Structure-Based, Rational Design of T Cell Receptors.

Adoptive cell transfer using engineered T cells is emerging as a promising treatment for metastatic melanoma. Such an approach allows one to introduce T cell receptor (TCR) modifications that, while maintaining the specificity for the targeted antigen, can enhance the binding and kinetic parameters for the interaction with peptides (p) bound to major histocompatibility complexes (MHC). Using the well-characterized 2C TCR/SIYR/H-2K(b) structure as a model system, we demonstrated that a binding free energy decomposition based on the MM-GBSA approach provides a detailed and reliable description of the TCR/pMHC interactions at the structural and thermodynamic levels. Starting from this result, we developed a new structure-based approach, to rationally design new TCR sequences, and applied it to the BC1 TCR targeting the HLA-A2 restricted NY-ESO-1157-165 cancer-testis epitope. Fifty-four percent of the designed sequence replacements exhibited improved pMHC binding as compared to the native TCR, with up to 150-fold increase in affinity, while preserving specificity. Genetically engineered CD8(+) T cells expressing these modified TCRs showed an improved functional activity compared to those expressing BC1 TCR. We measured maximum levels of activities for TCRs within the upper limit of natural affinity, K D = ∼1 - 5 μM. Beyond the affinity threshold at K D < 1 μM we observed an attenuation in cellular function, in line with the "half-life" model of T cell activation. Our computer-aided protein-engineering approach requires the 3D-structure of the TCR-pMHC complex of interest, which can be obtained from X-ray crystallography. We have also developed a homology modeling-based approach, TCRep 3D, to obtain accurate structural models of any TCR-pMHC complexes when experimental data is not available. Since the accuracy of the models depends on the prediction of the TCR orientation over pMHC, we have complemented the approach with a simplified rigid method to predict this orientation and successfully assessed it using all non-redundant TCR-pMHC crystal structures available. These methods potentially extend the use of our TCR engineering method to entire TCR repertoires for which no X-ray structure is available. We have also performed a steered molecular dynamics study of the unbinding of the TCR-pMHC complex to get a better understanding of how TCRs interact with pMHCs. This entire rational TCR design pipeline is now being used to produce rationally optimized TCRs for adoptive cell therapies of stage IV melanoma.

Development of Collaborative Product Structure Management

The purpose of this thesis is to develop an environment or network that enables effective collaborative product structure management among stakeholders in each unit, throughout the entire product lifecycle and product data management. This thesis uses framework models as an approach to the problem. Framework model methods for development of collaborative product structure management are proposed in this study, there are three unique models depicted to support collaborative product structure management: organization model, process model and product model. In the organization model, the formation of product data management system (eDSTAT) key user network is specified. In the process model, development is based on the case company’s product development matrix. In the product model framework, product model management, product knowledge management and design knowledge management are defined as development tools and collaboration is based on web-based product structure management. Collaborative management is executed using all these approaches. A case study from an actual project at the case company is presented as an implementation; this is to verify the models’ applicability. A computer assisted design tool and the web-based product structure manager, have been used as tools of this collaboration with the support of the key user. The current PDM system, eDSTAT, is used as a piloting case for key user role. The result of this development is that the role of key user as a collaboration channel is defined and established. The key user is able to provide one on one support for the elevator projects. Also the management activities are improved through the application of process workflow by following criteria for each project milestone. The development shows effectiveness of product structure management in product lifecycle, improved production process by eliminating barriers (e.g. improvement of two-way communication) during design phase and production phase. The key user role is applicable on a global scale in the company.

The use of protein structure/activity relationships in the rational design of stable particulate delivery systems

The recombinant heat shock protein (18 kDa-hsp) from Mycobacterium leprae was studied as a T-epitope model for vaccine development. We present a structural analysis of the stability of recombinant 18 kDa-hsp during different processing steps. Circular dichroism and ELISA were used to monitor protein structure after thermal stress, lyophilization and chemical modification. We observed that the 18 kDa-hsp is extremely resistant to a wide range of temperatures (60% of activity is retained at 80ºC for 20 min). N-Acylation increased its ordered structure by 4% and decreased its ß-T1 structure by 2%. ELISA demonstrated that the native conformation of the 18 kDa-hsp was preserved after hydrophobic modification by acylation. The recombinant 18 kDa-hsp resists to a wide range of temperatures and chemical modifications without loss of its main characteristic, which is to be a source of T epitopes. This resistance is probably directly related to its lack of organization at the level of tertiary and secondary structures.

User Generated Content in Researching for Design: How the Internet Supports Creativity

Résumé Cette recherche a débuté avec l’idée que l’Internet est en train de changer la manière dont nous créons des connaissances et du contenu culturel. Notre point de départ était d’utiliser l’Internet afin de rassembler et amplifier plusieurs points de vue dans un processus de design. Une approche complexe a exposé l’Internet comme un système et conséquemment comme une plateforme pour l’innovation. La structure ouverte de l’Internet a soutenu le mouvement participatif des usagers qui ont choisi de partager leurs besoins, leurs désirs et leurs solutions. Notre recherche a pour but d’étudier ce contenu généré par les usagers en ligne et comprendre sa valeur pour les designers. Les usagers créatifs veulent s’exprimer et participer activement dans le processus de design. Notre recherche tente de démontrer que les designers ont beaucoup à apprendre du contenu généré par les usagers car ceux-ci soumettent des éléments qui ont attrait à toutes les étapes du processus de design et révèlent des relations présentes dans la situation de design à l’étude. Pour en apprendre plus sur ce contenu nous nous demandons : Quel type d’information offre le contenu généré par les usagers pour la phase de recherche dans le processus de design. Afin de centrer la portée de l’étude, nous nous sommes aussi questionné si cette information est plus pertinente au design de produits, au design de services ou au design de système de produits et de services. Aspirant aux idéaux du design participatif, notre méthodologie fut développée afin d’apprendre comment le contenu généré par les usagers pourrait influencer le processus de design. Pour ce faire, nous avons choisi de chercher sur l’Internet pour du contenu qui concerne la mobilité via l’usage d’une automobile. Les trois différents types de média considérés étaient les vidéos sur YouTube, les images sur Flickr et les textes sur Blogger. Afin de répondre à notre première question de recherche, nous nous sommes penchés sur deux éléments lorsque l’on recherche pour le design : les espaces de design et les relations de design. Premièrement, nous avons catégorisé le contenu récolté selon l’espace problème, créatif et solution. Deuxièmement, nous avons catégorisé le contenu dépendant de laquelle des relations de design elle démontrait soit une combinaison d’usagers, objets et contextes. Dans le but de répondre à la deuxième question de cette recherche, nous avons examiné trois types V de produits de design : les automobiles privées comme produit, le partage de voiture comme système de produit et de service, et le taxi comme service. Chaque élément pertinent généré par les usagés trouvé dans cette recherche fut catégorisé jusqu’à ce que l’on récolte 50 échantillons pour chaque combinaison de ces variables. Nous en sommes arrivés avec une matrice de 50 éléments de chaque produit de design, pour chacun des médias, puis catégorisé selon les espaces de design et les relations dans le design. Cette recherche démontre que l’Internet, comme médium, produit les conditions avantageuses pour que les usagers partagent de grandes quantités de contenu original et diversifié qui est pertinent aux situations de design. À partir de nos données de recherche, nous avons identifié des tendances dans le contenu généré par les usagers. Notamment, nous sommes en mesure d’affirmer que le contenu généré par les usagers offre de l’information pertinente à la recherche pour le design, et ce dans tous les espaces de design et toutes les relations de design. Il en fut de même pour les différentes issues du design car du contenu sur les produits, les systèmes de produits et de services et les services était présent et pertinent. Bref, nous avons démontré que l’Internet supporte la créativité et conséquemment il y abonde de contenu créatif produit par les usagers. Suivant dans les traces dessinées par d’autres chercheurs en design participatif, cette étude devrait être considérée comme un nouvel exemple des moyens qu’ont les designers pour percevoir les besoins tacites des usagers en leur permettant d’exprimer leurs idées. Alors que ceux-ci créent librement et intuitivement ainsi exposant leurs besoins, solutions et idées, les designers peuvent porter un regard de tierce partie sur les résultats. Jumelant des techniques comme le crowdsourcing et le brainstorming, nous avons créé une nouvelle activité et le néologisme : brainsourcing. En demeurant dans une forme de pratique réflexive, les designers peuvent réfléchir et ajouter au contenu généré par les usagers qui lui n’est pas biaisé par une éducation ou une culture du design. Ce processus est similaire au design participatif professionnel où le brainsourcing est une activité parallèle lorsque le designer fait des recherches pour le design. C’est cette perspective sur la somme des idées des participants qui peut contribuer à comprendre la complexité de la situation de design. VI Cette recherche a aussi soulevé des questions par rapport à l’effet de démocratisation de l’Internet. Bien que les usagers n’ont pas l’éducation, ni les habiletés des designers, ils aspirent à démocratiser le processus du design en voulant participer activement et en exposant leurs besoins, idées et solutions. Nous avons pu déterminer que les usagers n’étaient pas qualifiés pour entreprendre le processus complet du design comme les designers professionnels, mais nous avons observé directement la capacité des usagers à mettre de l’avant leur créativité. À propos de la relation entre les usagers créatifs et les designers, nous avons étudié des langages communs tels les scénarios et les prototypes. Tous deux sont présents dans le contenu généré par les usagers que nous avons récolté dans nos recherches sur Internet. Ceci nous a mené vers une nouvelle perspective sur l’activité du design où des opportunités créatives ressortent d’une conversation avec les usagers. Cette recherche a dévoilé de grandes tendances dans la manière dont les usagers communiquent naturellement dans un processus de design. Nous espérons avoir offert un aperçu de comment les designers peuvent prendre avantage de tous les types de contenu généré par les usagers en ligne. Dans le futur, nous souhaitons que les designers aient la possibilité d’interagir avec les participants en prenant le rôle de facilitateur de la conversation. La responsabilité du résultat ne tombe pas sur les épaules du designer car son mandat est d’assurer le bon fonctionnement du processus. Les designers rejoignent les usagers en ne demandant plus comment les choses peuvent être créées, mais pourquoi elles devraient exister. En tant que designers, nous aspirons à générer plus à partir de nouvelles connaissances, nous aspirons à créer plus de sens. Mots clés: Recherche en design, complexité, design participatif, contenu généré par les usagers, démocratisation, Internet, créativité, crowdsourcing, brainstorming, brainsourcing, réflexion-en-action.

Structure de fonctionnement des charrettes en design urbain

Ce document s’inscrit dans la foulée des préoccupations mondiales sur le devenir des villes au XXIe siècle. Il questionne les façons de faire qui contribuent à un développement de qualité des cadres de vie des citoyens. Les processus d’idéation de type atelier et charrette sont retenus en regard de leurs valeurs mobilisatrices et consensuelles qui répondent aux principes du développement durable. La problématique posée concerne l’adaptation de leur structure de fonctionnement au contexte local dans lequel il s’applique et de leur performance à induire les résultats escomptés. Une analyse comparative de trois études de cas révèle que le processus d’idéation se singularise en fonction des modalités de communication nécessaires pour progresser dans la démarche de planification des projets et conjointement à ceci, confirme que leur performance réside en leur capacité de rassembler l’ensemble des acteurs du projet en un même lieu. À l’issue de notre étude, nous fournissons un procédurier préliminaire pour diriger la mise en œuvre de processus d’idéation localement.

Development of a design performance measurement matrix for improving collaborative design during a design process

This is a research paper. Research presented in this paper aimed to investigate how to measure collaborative design performance and, in turn, improve the final design output during a design process, with a clear objective to develop a Design Performance Measurement (DPM) matrix to measure design project team member's design collaboration performance.