Método multigrid algébrico: reutilização das estruturas multigrid no transporte de contaminantes

A necessidade de obter solução de grandes sistemas lineares resultantes de processos de discretização de equações diferenciais parciais provenientes da modelagem de diferentes fenômenos físicos conduz à busca de técnicas numéricas escaláveis. Métodos multigrid são classificados como algoritmos escaláveis.Um estimador de erros deve estar associado à solução numérica do problema discreto de modo a propiciar a adequada avaliação da solução obtida pelo processo de aproximação. Nesse contexto, a presente tese caracteriza-se pela proposta de reutilização das estruturas matriciais hierárquicas de operadores de transferência e restrição dos métodos multigrid algébricos para acelerar o tempo de solução dos sistemas lineares associados à equação do transporte de contaminantes em meio poroso saturado. Adicionalmente, caracteriza-se pela implementação das estimativas residuais para os problemas que envolvem dados constantes ou não constantes, os regimes de pequena ou grande advecção e pela proposta de utilização das estimativas residuais associadas ao termo de fonte e à condição inicial para construir procedimentos adaptativos para os dados do problema. O desenvolvimento dos códigos do método de elementos finitos, do estimador residual e dos procedimentos adaptativos foram baseados no projeto FEniCS, utilizando a linguagem de programação PYTHONR e desenvolvidos na plataforma Eclipse. A implementação dos métodos multigrid algébricos com reutilização considera a biblioteca PyAMG. Baseado na reutilização das estruturas hierárquicas, os métodos multigrid com reutilização com parâmetro fixo e automática são propostos, e esses conceitos são estendidos para os métodos iterativos não-estacionários tais como GMRES e BICGSTAB. Os resultados numéricos mostraram que o estimador residual captura o comportamento do erro real da solução numérica, e fornece algoritmos adaptativos para os dados cuja malha retornada produz uma solução numérica similar à uma malha uniforme com mais elementos. Adicionalmente, os métodos com reutilização são mais rápidos que os métodos que não empregam o processo de reutilização de estruturas. Além disso, a eficiência dos métodos com reutilização também pode ser observada na solução do problema auxiliar, o qual é necessário para obtenção das estimativas residuais para o regime de grande advecção. Esses resultados englobam tanto os métodos multigrid algébricos do tipo SA quanto os métodos pré-condicionados por métodos multigrid algébrico SA, e envolvem o transporte de contaminantes em regime de pequena e grande advecção, malhas estruturadas e não estruturadas, problemas bidimensionais, problemas tridimensionais e domínios com diferentes escalas.

Linear chaos for the Quick-Thinking-Driver model.

In recent years, the topic of car-following has experimented an increased importance in traffic engineering and safety research. This has become a very interesting topic because of the development of driverless cars (Google driverless cars, http://en.wikipedia.org/wiki/Google_driverless_car). Driving models which describe the interaction between adjacent vehicles in the same lane have a big interest in simulation modeling, such as the Quick-Thinking-Driver model. A non-linear version of it can be given using the logistic map, and then chaos appears. We show that an infinite-dimensional version of the linear model presents a chaotic behaviour using the same approach as for studying chaos of death models of cell growth.

Modelagem e controle de posição e orientação de uma Plataforma de Stewart

Este trabalho apresenta o controle de posição e orientação de um modelo não linear de Plataforma de Stewart com seis graus de liberdade construído no ambiente de sistemas multicorpos ADAMS® desenvolvido pela Mechanical Dynamics, Inc. O modelo não linear é exportado para o ambiente SIMULINK® desenvolvido pela MathWorks, Inc., onde o controle de posição e orientação é realizado a partir da linearização do modelo e a aplicação de um sistema seguidor com realimentação de estados. Utililiza-se, também o SIMULINK® para implementar a dinâmica de um sistema servoválvula e cilindro hidráulico com um servocontrole de pressão e assim simular o comportamento dinâmico de um simulador de vôo com acionamento hidráulico. A utilização destes pacotes comerciais visa obter uma economia de tempo e esforço na modelagem de sistemas mecânicos complexos e na programação para obtenção da resposta do sistema no tempo, além de facilitar a análise de várias configurações de Plataformas de Stewart

Atenuação de vibrações em pás de helicópteros utilizando circuito piezelétrico semi-passivo

O uso de materiais inteligentes em problemas de controle de vibração tem sido investigado em diversas pesquisas ao longo dos últimos anos. Apesar de que diferentes materiais inteligentes estão disponíveis, o piezelétrico tem recebido grande atenção devido à facilidade de uso como sensores, atuadores, ou ambos simultaneamente. As principais técnicas de controle usando materiais piezoelétricos são os ativos e passivos. Circuitos piezelétricos passivos são ajustados para uma frequência específica e, portanto, a largura de banda efetiva é pequena. Embora os sistemas ativos possam apresentar um bom desempenho no controle de vibração, a quantidade de energia externa e hardware adicionado são questões importantes. As técnicas SSD (Synchronized Switch Damping) foram desenvolvidas como uma alternativa aos controladores passivos e controladores ativos de vibração. Elas podem ser técnicas semi-ativas ou semi-passivas que introduzem um tratamento não linear na tensão elétrica proveniente do material piezelétrico e induz um aumento na conversão de energia mecânica para energia elétrica e, consequentemente, um aumento no efeito de amortecimento. Neste trabalho, o controle piezoelétrico semi-passivo de uma pá piezelétrica engastada é apresentado e comparado com outros controladores. O modelo não linear electromecânico de uma pá com piezocerâmicas incorporados é determinado com base no método variacional-assintótico (VAM). O sistema rotativo acoplado não linear é resolvido no domínio do tempo, utilizando um método de integração alfa-generalizado afim de garantir a estabilidade numérica. As simulações são realizadas para uma vasta gama de velocidades de rotação. Em primeiro lugar, um conjunto de resistências (variando desde a condição de curto-circuito para a condição de circuito aberto) é considerada. O efeito da resistência ótima (que resulta em máximo amortecimento) sobre o comportamento do sistema é investigado para o aumento da velocidade de rotação. Mais tarde, a técnica SSDS é utilizada para amortecer as oscilações da pá com o aumento da velocidade de rotação. Os resultados mostram que a técnica SSDS pode ser um método útil para o controle de vibrações de vigas rotativas não lineares, tais como pás de helicóptero.

Sistema inteligente baseado em decomposição por componentes ortogonais e inferência fuzzy para localização de faltas de alta impedância em sistemas de distribuição de energia elétrica com geração distribuída

Os sistemas elétricos de potência modernos apresentam inúmeros desafios em sua operação. Nos sistemas de distribuição de energia elétrica, devido à grande ramificação, presença de extensos ramais monofásicos, à dinâmica das cargas e demais particularidades inerentes, a localização de faltas representa um dos maiores desafios. Das barreiras encontradas, a influência da impedância de falta é uma das maiores, afetando significativamente a aplicação dos métodos tradicionais na localização, visto que a magnitude das correntes de falta é similar à da corrente de carga. Neste sentido, esta tese objetivou desenvolver um sistema inteligente para localização de faltas de alta impedância, o qual foi embasado na aplicação da técnica de decomposição por componentes ortogonais no pré-processamento das variáveis e inferência fuzzy para interpretar as não-linearidades do Sistemas de Distribuição com presença de Geração Distribuída. Os dados para treinamento do sistema inteligente foram obtidos a partir de simulações computacionais de um alimentador real, considerando uma modelagem não-linear da falta de alta impedância. O sistema fuzzy resultante foi capaz de estimar as distâncias de falta com um erro absoluto médio inferior a 500 m e um erro absoluto máximo da ordem de 1,5 km, em um alimentador com cerca de 18 km de extensão. Tais resultados equivalem a um grau de exatidão, para a maior parte das ocorrências, dentro do intervalo de ±10%.

Aplicações híbridas entre sistemas multiagentes e técnicas de inteligência artificial para redes inteligentes de distribuição de energia elétrica

Os smart grids representam a nova geração dos sistemas elétricos de potência, combinando avanços em computação, sistemas de comunicação, processos distribuídos e inteligência artificial para prover novas funcionalidades quanto ao acompanhamento em tempo real da demanda e do consumo de energia elétrica, gerenciamento em larga escala de geradores distribuídos, entre outras, a partir de um sistema de controle distribuído sobre a rede elétrica. Esta estrutura modifica profundamente a maneira como se realiza o planejamento e a operação de sistemas elétricos nos dias de hoje, em especial os de distribuição, e há interessantes possibilidades de pesquisa e desenvolvimento possibilitada pela busca da implementação destas funcionalidades. Com esse cenário em vista, o presente trabalho utiliza uma abordagem baseada no uso de sistemas multiagentes para simular esse tipo de sistema de distribuição de energia elétrica, considerando opções de controle distintas. A utilização da tecnologia de sistemas multiagentes para a simulação é baseada na conceituação de smart grids como um sistema distribuído, algo também realizado nesse trabalho. Para validar a proposta, foram simuladas três funcionalidades esperadas dessas redes elétricas: classificação de cargas não-lineares; gerenciamento de perfil de tensão; e reconfiguração topológica com a finalidade de reduzir as perdas elétricas. Todas as modelagens e desenvolvimentos destes estudos estão aqui relatados. Por fim, o trabalho se propõe a identificar os sistemas multiagentes como uma tecnologia a ser empregada tanto para a pesquisa, quanto para implementação dessas redes elétricas.

Towards Closed-loop Deep Brain Stimulation: Behavior Recognition from Human STN

Deep brain stimulation (DBS) provides significant therapeutic benefit for movement disorders such as Parkinson’s disease (PD). Current DBS devices lack real-time feedback (thus are open loop) and stimulation parameters are adjusted during scheduled visits with a clinician. A closed-loop DBS system may reduce power consumption and side effects by adjusting stimulation parameters based on patient’s behavior. Thus behavior detection is a major step in designing such systems. Various physiological signals can be used to recognize the behaviors. Subthalamic Nucleus (STN) Local field Potential (LFP) is a great candidate signal for the neural feedback, because it can be recorded from the stimulation lead and does not require additional sensors. This thesis proposes novel detection and classification techniques for behavior recognition based on deep brain LFP. Behavior detection from such signals is the vital step in developing the next generation of closed-loop DBS devices. LFP recordings from 13 subjects are utilized in this study to design and evaluate our method. Recordings were performed during the surgery and the subjects were asked to perform various behavioral tasks. Various techniques are used understand how the behaviors modulate the STN. One method studies the time-frequency patterns in the STN LFP during the tasks. Another method measures the temporal inter-hemispheric connectivity of the STN as well as the connectivity between STN and Pre-frontal Cortex (PFC). Experimental results demonstrate that different behaviors create different m odulation patterns in STN and it’s connectivity. We use these patterns as features to classify behaviors. A method for single trial recognition of the patient’s current task is proposed. This method uses wavelet coefficients as features and support vector machine (SVM) as the classifier for recognition of a selection of behaviors: speech, motor, and random. The proposed method is 82.4% accurate for the binary classification and 73.2% for classifying three tasks. As the next step, a practical behavior detection method which asynchronously detects behaviors is proposed. This method does not use any priori knowledge of behavior onsets and is capable of asynchronously detect the finger movements of PD patients. Our study indicates that there is a motor-modulated inter-hemispheric connectivity between LFP signals recorded bilaterally from STN. We utilize a non-linear regression method to measure this inter-hemispheric connectivity and to detect the finger movements. Our experimental results using STN LFP recorded from eight patients with PD demonstrate this is a promising approach for behavior detection and developing novel closed-loop DBS systems.

Mathematical approach for predicting non-negative tristimulus values using the CAT02 chromatic adaptation transform

It has been reported that for certain colour samples, the chromatic adaptation transform CAT02 imbedded in the CIECAM02 colour appearance model predicts corresponding colours with negative tristimulus values (TSVs), which can cause problems in certain applications. To overcome this problem, a mathematical approach is proposed for modifying CAT02. This approach combines a non-negativity constraint for the TSVs of corresponding colours with the minimization of the colour differences between those values for the corresponding colours obtained by visual observations and the TSVs of the corresponding colours predicted by the model, which is a constrained non-linear optimization problem. By solving the non-linear optimization problem, a new matrix is found. The performance of the CAT02 transform with various matrices including the original CAT02 matrix, and the new matrix are tested using visual datasets and the optimum colours. Test results show that the CAT02 with the new matrix predicted corresponding colours without negative TSVs for all optimum colours and the colour matching functions of the two CIE standard observers under the test illuminants considered. However, the accuracy with the new matrix for predicting the visual data is approximately 1 CIELAB colour difference unit worse compared with the original CAT02. This indicates that accuracy has to be sacrificed to achieve the non-negativity constraint for the TSVs of the corresponding colours.

Linear system solvers for parallel computers /

Includes bibliographical references.

An Electromechanical Coupled Model of the Probe of a Scanning Fiber Imaging System

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Searching oligo sets of human chromosome 12 using evolutionary strategies

DNA Microarray is a powerful tool to measure the level of a mixed population of nucleic acids at one time, which has great impact in many aspects of life sciences research. In order to distinguish nucleic acids with very similar composition by hybridization, it is necessary to design microarray probes with high specificities and sensitivities. Highly specific probes correspond to probes having unique DNA sequences; whereas highly sensitive probes correspond to those with melting temperature within a desired range and having no secondary structure. The selection of these probes from a set of functional DNA sequences (exons) constitutes a computationally expensive discrete non-linear search problem. We delegate the search task to a simple yet effective Evolution Strategy algorithm. The computational efficiency is also greatly improved by making use of an available bioinformatics tool.

Adaptive phase measurements in linear optical quantum computation

Photon counting induces an effective non-linear optical phase shift in certain states derived by linear optics from single photons. Although this non-linearity is non-deterministic, it is sufficient in principle to allow scalable linear optics quantum computation (LOQC). The most obvious way to encode a qubit optically is as a superposition of the vacuum and a single photon in one mode-so-called 'single-rail' logic. Until now this approach was thought to be prohibitively expensive (in resources) compared to 'dual-rail' logic where a qubit is stored by a photon across two modes. Here we attack this problem with real-time feedback control, which can realize a quantum-limited phase measurement on a single mode, as has been recently demonstrated experimentally. We show that with this added measurement resource, the resource requirements for single-rail LOQC are not substantially different from those of dual-rail LOQC. In particular, with adaptive phase measurements an arbitrary qubit state a alpha/0 > + beta/1 > can be prepared deterministically.

Analytical solutions of linear finite- and small-strain one-dimensional consolidation

Analytical solutions are presented for linear finite-strain one-dimensional consolidation of initially unconsolidated soil layers with surcharge loading for both one- and two-way drainage. These solutions complement earlier solutions for initially unconsolidated soil layers without surcharge and initially normally consolidated soil layers with surcharge. Small-strain solutions for the consolidation of initially unconsolidated soil layers with surcharge loading are also presented, and the relationship between the earlier solutions for initially unconsolidated soil without surcharge and the corresponding small-strain solutions, which was not addressed in the earlier work, is clarified. The new solutions for initially unconsolidated soil with surcharge loading can be applied to the analysis of low stress consolidation tests and to the partial validation of numerical solutions of non-linear finite-strain consolidation. They also clarify a formerly perplexing aspect of finite-strain solution charts first noted in numerical solutions. Copyright (C) 2004 John Wiley Sons, Ltd.

On the chaotic rotation of a liquid-filled gyrostat via the Melnikov-Holmes-Marsden integral

The non-linear motions of a gyrostat with an axisymmetrical, fluid-filled cavity are investigated. The cavity is considered to be completely filled with an ideal incompressible liquid performing uniform rotational motion. Helmholtz theorem, Euler's angular momentum theorem and Poisson equations are used to develop the disturbed Hamiltonian equations of the motions of the liquid-filled gyrostat subjected to small perturbing moments. The equations are established in terms of a set of canonical variables comprised of Euler angles and the conjugate angular momenta in order to facilitate the application of the Melnikov-Holmes-Marsden (MHM) method to investigate homoclinic/heteroclinic transversal intersections. In such a way, a criterion for the onset of chaotic oscillations is formulated for liquid-filled gyrostats with ellipsoidal and torus-shaped cavities and the results are confirmed via numerical simulations. (c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Suppressing chaos via Lyapunov-Krasovskii's method

An algorithm for suppressing the chaotic oscillations in non-linear dynamical systems with singular Jacobian matrices is developed using a linear feedback control law based upon the Lyapunov-Krasovskii (LK) method. It appears that the LK method can serve effectively as a generalised method for the suppression of chaotic oscillations for a wide range of systems. Based on this method, the resulting conditions for undisturbed motions to be locally or globally stable are sufficient and conservative. The generalized Lorenz system and disturbed gyrostat equations are exemplified for the validation of the proposed feedback control rule. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.