Chemoenzymatic Synthesis of alpha-Hydroxy-beta-methyl-gamma-hydroxy Esters: Role of the Keto-Enol Equilibrium To Control the Stereoselective Hydrogenation in a Key Step

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A study of five cervicocephalic relocation tests in three different subject groups

Objective: To compare head relocation accuracy in traumatic ( whiplash), insidious onset neck pain patients and asymptomatic subjects when targeting a natural head posture (NHP) and complex predetermined positions. Design: A case-control study. Setting: University-based musculoskeletal research clinic. Participants: Sixty-three volunteers divided into three groups of similar gender and age: Group 1 (n=21) an asymptomatic group; group 2 (n=20) insidious onset neck pain; group 3 (n=22) a history of whiplash injury. Intervention: Five randomly ordered tests designed to detect relocation accuracy of the head. Outcome measures: A 3-Space Fastrak system measured the mean absolute relocation error of three trials of each relocation test. Results: A significant difference was found between groups in one of the tests targeting the NHP (p=0.001). Post-hoc pairwise comparisons revealed a significant difference (pless than or equal to0.05) between the asymptomatic group and each symptomatic group. The difference between the symptomatic groups just failed to reach significance (p=0.07). None of the other four tests revealed significant differences. Conclusion: The test of targeting the NHP indicates that relocation inaccuracy exists in patients with neck pain with a trend to suggest that the deficit may be greater in whiplash patients. Tests employing unfamiliar postures or more complex movement were not successful in differentiating subject groups.

Control Design Applied to a Micro Electro Mechanical System: MEMS Comb drive

This paper presents the linear optimal control technique for reducing the chaotic movement of the micro-electro-mechanical Comb Drive system to a small periodic orbit. We analyze the non-linear dynamics in a micro-electro-mechanical Comb Drive and demonstrated that this model has a chaotic behavior. Chaos control problems consist of attempts to stabilize a chaotic system to an equilibrium point, a periodic orbit, or more general, about a given reference trajectory. This technique is applied in analyzes the nonlinear dynamics in an MEMS Comb drive. The simulation results show the identification by linear optimal control is very effective.

Swarm Control Designs applied to a Mechanical Oscillator

This paper presented the particle swarm optimization approach for nonlinear system identification and for reducing the oscillatory movement of the nonlinear systems to periodic orbits. We analyzes the non-linear dynamics in an oscillator mechanical and demonstrated that this model has a chaotic behavior. Chaos control problems consist of attempts to stabilize a chaotic system to an equilibrium point, a periodic orbit, or more general, about a given reference trajectory. This approaches is applied in analyzes the nonlinear dynamics in an oscillator mechanical. The simulation results show the identification by particle swarm optimization is very effective.

Swarm control designs applied to a micro-electro-mechanical gyroscope system (MEMS)

This paper analyzes the non-linear dynamics of a MEMS Gyroscope system, modeled with a proof mass constrained to move in a plane with two resonant modes, which are nominally orthogonal. The two modes are ideally coupled only by the rotation of the gyro about the plane's normal vector. We demonstrated that this model has an unstable behavior. Control problems consist of attempts to stabilize a system to an equilibrium point, a periodic orbit, or more general, about a given reference trajectory. We also developed a particle swarm optimization technique for reducing the oscillatory movement of the nonlinear system to a periodic orbit. © 2010 Springer-Verlag.

Optimal game theoretic distributed control methodologies in small scale power systems

This dissertation presents the competitive control methodologies for small-scale power system (SSPS). A SSPS is a collection of sources and loads that shares a common network which can be isolated during terrestrial disturbances. Micro-grids, naval ship electric power systems (NSEPS), aircraft power systems and telecommunication system power systems are typical examples of SSPS. The analysis and development of control systems for small-scale power systems (SSPS) lacks a defined slack bus. In addition, a change of a load or source will influence the real time system parameters of the system. Therefore, the control system should provide the required flexibility, to ensure operation as a single aggregated system. In most of the cases of a SSPS the sources and loads must be equipped with power electronic interfaces which can be modeled as a dynamic controllable quantity. The mathematical formulation of the micro-grid is carried out with the help of game theory, optimal control and fundamental theory of electrical power systems. Then the micro-grid can be viewed as a dynamical multi-objective optimization problem with nonlinear objectives and variables. Basically detailed analysis was done with optimal solutions with regards to start up transient modeling, bus selection modeling and level of communication within the micro-grids. In each approach a detail mathematical model is formed to observe the system response. The differential game theoretic approach was also used for modeling and optimization of startup transients. The startup transient controller was implemented with open loop, PI and feedback control methodologies. Then the hardware implementation was carried out to validate the theoretical results. The proposed game theoretic controller shows higher performances over traditional the PI controller during startup. In addition, the optimal transient surface is necessary while implementing the feedback controller for startup transient. Further, the experimental results are in agreement with the theoretical simulation. The bus selection and team communication was modeled with discrete and continuous game theory models. Although players have multiple choices, this controller is capable of choosing the optimum bus. Next the team communication structures are able to optimize the players’ Nash equilibrium point. All mathematical models are based on the local information of the load or source. As a result, these models are the keys to developing accurate distributed controllers.

Stability of nonlinear difference inclusions

The stability of difference inclusions x(k+1) is an element of F(x(k)) is studied, where F(x) = {F(x, gimel) : is an element of Lambda} and the selections F(., gimel) : E -->E assume values in a Banach space E, partially ordered by a cone K. It is assumed that the operators F(.,gimel) are heterotone or pseudoconcave. The main results concern asymptotically stable absorbing sets, and include the case of a single equilibrium point. The results are applied to a number of practical problems.

Supervisory control of wastewater treatment plants by combining principal component analysis and fuzzy c-means clustering

In this paper a methodology for integrated multivariate monitoring and control of biological wastewater treatment plants during extreme events is presented. To monitor the process, on-line dynamic principal component analysis (PCA) is performed on the process data to extract the principal components that represent the underlying mechanisms of the process. Fuzzy c-means (FCM) clustering is used to classify the operational state. Performing clustering on scores from PCA solves computational problems as well as increases robustness due to noise attenuation. The class-membership information from FCM is used to derive adequate control set points for the local control loops. The methodology is illustrated by a simulation study of a biological wastewater treatment plant, on which disturbances of various types are imposed. The results show that the methodology can be used to determine and co-ordinate control actions in order to shift the control objective and improve the effluent quality.

Non-hyperbolic boundary equilibrium bifurcations in planar Filippov systems: a case study approach

Boundary equilibrium bifurcations in piecewise smooth discontinuous systems are characterized by the collision of an equilibrium point with the discontinuity surface. Generically, these bifurcations are of codimension one, but there are scenarios where the phenomenon can be of higher codimension. Here, the possible collision of a non-hyperbolic equilibrium with the boundary in a two-parameter framework and the nonlinear phenomena associated with such collision are considered. By dealing with planar discontinuous (Filippov) systems, some of such phenomena are pointed out through specific representative cases. A methodology for obtaining the corresponding bi-parametric bifurcation sets is developed.

Feedback control of unstable cellular solidification fronts

We present a feedback control scheme to stabilize unstable cellular patterns during the directional solidification of a binary alloy. The scheme is based on local heating of cell tips which protrude ahead of the mean position of all tips in the array. The feasibility of this scheme is demonstrated using phase-field simulations and, experimentally, using a real-time image processing algorithm, to track cell tips, coupled with a movable laser spot array device to heat the tips locally. We demonstrate, both numerically and experimentally, that spacings well below the threshold for a period-doubling instability can be stabilized. As predicted by the numerical calculations, cellular arrays become stable with uniform spacing through the feedback control which is maintained with minimal heating.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

Instability of equilibrium points of some Lagrangian systems

In this work we show that, if L is a natural Lagrangian system such that the k-jet of the potential energy ensures it does not have a minimum at the equilibrium and such that its Hessian has rank at least n - 2, then there is an asymptotic trajectory to the associated equilibrium point and so the equilibrium is unstable. This applies, in particular, to analytic potentials with a saddle point and a Hessian with at most 2 null eigenvalues. The result is proven for Lagrangians in a specific form, and we show that the class of Lagrangians we are interested can be taken into this specific form by a subtle change of spatial coordinates. We also consider the extension of this results to systems subjected to gyroscopic forces. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

A neural network approach for robust nonlinear parameter estimation in presence of unknown-but-bounded errors

Systems based on artificial neural networks have high computational rates due to the use of a massive number of simple processing elements and the high degree of connectivity between these elements. This paper presents a novel approach to solve robust parameter estimation problem for nonlinear model with unknown-but-bounded errors and uncertainties. More specifically, a modified Hopfield network is developed and its internal parameters are computed using the valid-subspace technique. These parameters guarantee the network convergence to the equilibrium points. A solution for the robust estimation problem with unknown-but-bounded error corresponds to an equilibrium point of the network. Simulation results are presented as an illustration of the proposed approach. Copyright (C) 2000 IFAC.