Tesis sobre el tema "Difference equation system"

In this thesis, we study the existence of stationary solutions for two cases. One is for random difference equations. For this, we prove the existence and uniqueness of the stationary solutions in a finite-dimensional Euclidean space Rd by applying the coupling method. The other one is for semi linear stochastic evolution equations. For this case, we follows Mohammed, Zhang and Zhao [25]'s work. In an infinite-dimensional Hilbert space H, we release the Lipschitz constant restriction by using Arzela-Ascoli compactness argument. And we also weaken the globally bounded condition for F by applying forward and backward Gronwall inequality and coupling method.

Les réseaux de lois de bilan sont définis par l'interconnexion, via des conditions aux bords, de modules élémentaires individuellement caractérisés par la conservation de certaines quantités. Des applications industrielles se trouvent dans les réseaux de lignes de transmission électriques (réseaux HVDC), hydrauliques et pneumatiques (réseaux de distribution du gaz, de l'eau et du fuel). La thèse se concentre sur l'analyse modulaire et la commande au bord d'une ligne élémentaire représentée par un système de lois de bilan en dimension infinie, où la dynamique de la ligne est prise en considération au moyen d'équations aux dérivées partielles hyperboliques linéaires du premier ordre et couplées deux à deux. Cette dynamique permet de modéliser d'une manière rigoureuse les phénomènes de transport et les vitesses finies de propagation, aspects normalement négligés dans le régime transitoire. Les développements de ces travaux sont des outils d'analyse qui testent la stabilité du système, et de commande au bord pour la stabilisation autour d'un point d'équilibre. Dans la partie analyse, nous considérons un système de lois de bilan avec des couplages statiques aux bords et anti-diagonaux à l’intérieur du domaine. Nous proposons des conditions suffisantes de stabilité, tant explicites en termes des coefficients du système, que numériques par la construction d'un algorithme. La méthode se base sur la reformulation du problème en une analyse, dans le domaine fréquentiel, d'un système à retard obtenu en appliquant une transformation backstepping au système de départ. Dans le travail de stabilisation, un couplage avec des dynamiques décrites par des équations différentielles ordinaires (EDO) aux deux bords des EDP est considéré. Nous développons une transformation backstepping (bornée et inversible) et une loi de commande qui, à la fois stabilise les EDP à l'intérieur du domaine et la dynamique des EDO, et élimine les couplages qui peuvent potentiellement mener à l’instabilité. L'efficacité de la loi de commande est illustrée par une simulation numérique
Networks of balance laws are defined by the interconnection, via boundary conditions, of elementary modules individually characterized by the conservation of physical quantities. Industrial applications of such networks can be found in electric (HVDC networks), hydraulic and pneumatic (gas, water and oil distribution) transmission lines. The thesis is focused on modular analysis and boundary control of an elementary line represented by a system of balance laws in infinite dimension, where the dynamics of the line is taken into consideration by means of first order two by two coupled linear hyperbolic partial differential equations. This representation allows to rigorously model the transport phenomena and finite propagation speed, aspects usually neglected in transient regime. The developments of this work are analysis tools that test the stability, as well as boundary control for the stabilization around an equilibrium point. In the analysis section, we consider a system of balance laws with static boundary conditions and anti-diagonal in-domain couplings. We propose sufficient stability conditions, explicit in terms of the system coefficients, and numerical by constructing an algorithm. The method is based on reformulating the analysis problem as an analysis of a delay system in the frequency domain, obtained by applying a backstepping transform to the original system. In the stabilization work, couplings with dynamic boundary conditions, described by ordinary differential equations (ODE), at both boundaries of the PDEs are considered. We develop a backstepping (bounded and invertible) transform and a control law that at the same time, stabilizes the PDEs inside the domain and the ODE dynamics, and eliminates the couplings that are a potential source of instability. The effectiveness of the control law is illustrated by a numerical simulation

This is a study of the effect of harvesting on a system with two competing species. The system is a Ricker-type model that extends the work done by Luis, Elaydi, and Oliveira to include the effect of harvesting on the system. We look at the uniform bound of the system as well as the isoclines and perform a stability analysis of the equilibrium points. We also look at the effects of harvesting on the stability of the system by looking at the bifurcation of the system with respect to harvesting.

Dizertační práce se zabývá slabě zpožděnými lineárními rovinnými systémemy s konstantními koeficienty. Charakteristická rovnice těchto systémů je identická s charakteristickou rovnicí systému, který neobsahuje zpožděné členy. V takovém případě se počáteční dimenze prostoru řešení mění po několika krocích na menší. V jistém smyslu je tato situace analogická podobnému jevu v teorii lineárních diferenciálních systémů s konstantními koeficienty a speciálním zpožděním, kdy původně nekonečně rozměrný prostor řešení (na počátečním intervalu) přejde po několika krocích do konečného prostoru řešení. V práci je pro každý možný případ kombinace kořenů charakteristické rovnice konstruováno obecné řešení daného systému a jsou formulovány výsledky o dimenzi prostoru řešení. Také je zkoumána stabilita řešení.

Dizertační práce se zabývá konstrukcí obecného řešení slabě zpožděných systémů lineárních diskrétních rovnic v ${\mathbb R}^3$ tvaru \begin{equation*} x(k+1)=Ax(k)+Bx(k-m), \end{equation*} kde $m>0$ je kladné celé číslo, $x\colon \bZ_{-m}^{\infty}\to\bR^3$, $\bZ_{-m}^{\infty} := \{-m, -m+1, \dots, \infty\}$, $k\in\bZ_0^{\infty}$, $A=(a_{ij})$ a $B=(b_{ij})$ jsou konstantní $3\times 3$ matice. Charakteristické rovnice těchto systémů jsou identické s charakteristickými rovnicemi systému, který neobsahuje zpožděné členy. Jsou získána kriteria garantující, že daný systém je slabě zpožděný a následně jsou tato kritéria specifikována pro všechny možné případy Jordanova tvaru matice $A$. Systém je vyřešen pomocí metody, která ho transformuje na systém vyšší dimenze, ale bez zpoždění \begin{equation*} y(k+1)=\mathcal{A}y(k), \end{equation*} kde ${\mathrm{dim}}\ y = 3(m+1)$. Pomocí metod lineární algebry je možné najít Jordanovy formy matice $\mathcal{A}$ v závislosti na vlastních číslech matic $A$ and $B$. Tudíž lze nalézt obecné řešení nového systému a v důsledku toho pak odvodit obecné řešení počátečního systému.

This work is divided in two parts. In the first part we develop the theory of discrete nonautonomous dynamical systems. In particular, we investigate skew-product dynamical system, periodicity, stability, center manifold, and bifurcation. In the second part we present some concrete models that are used in ecology/biology and economics. In addition to developing the mathematical theory of these models, we use simulations to construct graphs that illustrate and describe the dynamics of the models. One of the main contributions of this dissertation is the study of the stability of some concrete nonlinear maps using the center manifold theory. Moreover, the second contribution is the study of bifurcation, and in particular the construction of bifurcation diagrams in the parameter space of the autonomous Ricker competition model. Since the dynamics of the Ricker competition model is similar to the logistic competition model, we believe that there exists a certain class of two-dimensional maps with which we can generalize our results. Finally, using the Brouwer’s fixed point theorem and the construction of a compact invariant and convex subset of the space, we present a proof of the existence of a positive periodic solution of the nonautonomous Ricker competition model.
Henrique Oliveira and Saber Elaydi

This thesis is concerned with the development of numerical methods using finite difference techniques for the discretization of initial value problems (IVPs) and initial boundary value problems (IBVPs) of certain hyperbolic systems which are first order in time and second order in space. This type of system appears in some formulations of Einstein equations, such as ADM, BSSN, NOR, and the generalized harmonic formulation. For IVP, the stability method proposed in [14] is extended from second and fourth order centered schemes, to 2n-order accuracy, including also the case when some first order derivatives are approximated with off-centered finite difference operators (FDO) and dissipation is added to the right-hand sides of the equations. For the model problem of the wave equation, special attention is paid to the analysis of Courant limits and numerical speeds. Although off-centered FDOs have larger truncation errors than centered FDOs, it is shown that in certain situations, off-centering by just one point can be beneficial for the overall accuracy of the numerical scheme. The wave equation is also analyzed in respect to its initial boundary value problem. All three types of boundaries - outflow, inflow and completely inflow that can appear in this case, are investigated. Using the ghost-point method, 2n-accurate (n = 1, 4) numerical prescriptions are prescribed for each type of boundary. The inflow boundary is also approached using the SAT-SBP method. In the end of the thesis, a 1-D variant of BSSN formulation is derived and some of its IBVPs are considered. The boundary procedures, based on the ghost-point method, are intended to preserve the interior 2n-accuracy. Numerical tests show that this is the case if sufficient dissipation is added to the rhs of the equations.
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung numerischer Verfahren für die Diskretisierung des Anfangswertproblems und des Anfangs-Randwertproblems unter Einsatz von finite-Differenzen-Techniken für bestimmte hyperbolischer Systeme erster Ordnung in der Zeit und zweiter Ordnung im Raum. Diese Art von Systemen erscheinen in einigen Formulierungen der Einstein'schen-Feldgleichungen, wie zB. den ADM, BSSN oder NOR Formulierungen, oder der sogenanten verallgemeinerten harmonischen Darstellung. Im Hinblick auf das Anfangswertproblem untersuche ich zunächst tiefgehend die mathematischen Eigenschaften von finite-Differenzen-Operatoren (FDO) erster und zweiter Ordnung mit 2n-facher Genaugigkeit. Anschließend erweitere ich eine in der Literatur beschriebene Methode zur Stabilitätsanalyse für Systeme mit zentrierten FDOs in zweiter und vierter Genauigkeitsordung auf Systeme mit gemischten zentrierten und nicht zentrierten Ableitungsoperatoren 2n-facher Genauigkeit, eingeschlossen zusätzlicher Dämpfungsterme, wie sie bei numerischen Simulationen der allgemeinen Relativitätstheorie üblich sind. Bei der Untersuchung der einfachen Wellengleichung als Fallbeispiel wird besonderes Augenmerk auf die Analyse der Courant-Grenzen und numerischen Geschwindigkeiten gelegt. Obwohl unzentrierte, diskrete Ableitungsoperatoren größere Diskretisierungs-Fehler besitzen als zentrierte Ableitungsoperatoren, wird gezeigt, daß man in bestimmten Situationen eine Dezentrierung des numerischen Moleküls von nur einem Punkt bezüglich des zentrierten FDO eine höhere Genauigkeit des numerischen Systems erzielen kann. Die Wellen-Gleichung in einer Dimension wurde ebenfalls im Hinblick auf das Anfangswertproblem untersucht. In Abhängigkeit des Wertes des sogenannten Shift-Vektors, müssen entweder zwei (vollständig eingehende Welle), eine (eingehende Welle) oder keine Randbedingung (ausgehende Welle) definiert werden. In dieser Arbeit wurden alle drei Fälle mit Hilfe der 'Ghost-point-methode' numerisch simuliert und untersucht, und zwar auf eine Weise, daß alle diese Algorithmen stabil sind und eine 2n-Genauigkeit besitzen. In der 'ghost-point-methode' werden die Evolutionsgleichungen bis zum letzen Punkt im Gitter diskretisiert unter Verwendung von zentrierten FDOs und die zusätzlichen Punkte die am Rand benötigt werden ('Ghost-points') werden unter Benutzung von Randwertbedingungen und Extrapolationen abgeschätzt. Für den Zufluß-Randwert wurde zusätzlich noch eine andere Implementierung entwickelt, welche auf der sogenannten SBP-SAT (Summation by parts-simulatanous approximation term) basiert. In dieser Methode werden die diskreten Ableitungen durch Operatoren angenähert, welche die 'Summation-by-parts' Regeln erfüllen. Die Randwertbedingungen selber werden in zusätzlichen Termen integriert, welche zu den Evolutionsgleichnungen der Punkte nahe des Randes hinzuaddiert werden und zwar auf eine Weise, daß die 'summation-by-parts' Eigenschaften erhalten bleiben. Am Ende dieser Arbeit wurde noch eine eindimensionale (kugelsymmetrische) Version der BSSN Formulierung abgeleitet und einige physikalisch relevanten Anfangs-Randwertprobleme werden diskutiert. Die Randwert-Algorithmen, welche für diesen Fall ausgearbeitet wurden, basieren auf der 'Ghost-point-Methode' and erfüllen die innere 2n-Genauigkeit solange genügend Reibung in den Gleichungen zugefügt wird.

Disertační práce se zabývá lineárními diskrétními systémy s konstantními maticemi a s jedním nebo dvěma zpožděními. Hlavním cílem je odvodit vzorce analyticky popisující řešení počátečních úloh. K tomu jsou definovány speciální maticové funkce zvané diskrétní maticové zpožděné exponenciály a je dokázána jejich základní vlastnost. Tyto speciální maticové funkce jsou základem analytických vzorců reprezentujících řešení počáteční úlohy. Nejprve je uvažována počáteční úloha s impulsy, které působí na řešení v některých předepsaných bodech, a jsou odvozeny vzorce popisující řešení této úlohy. V další části disertační práce jsou definovány dvě různé diskrétní maticové zpožděné exponenciály pro dvě zpoždění a jsou dokázány jejich základní vlastnosti. Tyto diskrétní maticové zpožděné exponenciály nám dávají možnost najít reprezentaci řešení lineárních systémů se dvěma zpožděními. Tato řešení jsou konstruována v poslední kapitole disertační práce, kde je řešení tohoto problému dáno pomocí dvou různých vzorců.

We relate linear constant coefficient systems of partial difference equations (a discretization of a system of linear partial differential equations) satisfying some collection of scalar polynomial equations to systems defined over the coordinate ring of an algebraic variety. This motivates the extension of behavioral systems theory (a generalization of classical systems theory where inputs and outputs are lumped together) to the setting where the ring of operators is an affine domain and the signal space is restricted to signals which satisfy the same scalar polynomial equations. By recognizing the role of the kernel representationâ s Gröbner basis in the Cauchy problem, we extend notions of controllability from the classical behavioral setting to accommodate this generalization. We then address the question as to when an autonomous behavior admits a LivÅ¡ic-system state-space representation, where the state update equations are overdetermined leading to the requirement that the input and output signals satisfy their own compatibility difference equations. This leads to a frequency domain setting involving input and output holomorphic vector bundles and a transfer function given by a meromorphic bundle map. An analogue of the Hankel realization theorem developed by J. Ball and V. Vinnikov then leads to a LivÅ¡ic-system state-space representation for an autonomous behavior satisfying some natural additional conditions.
Ph. D.

The main purpose of this thesis is to define the stability of a system of linear difference equations of the form, ∇y(t) = Ay(t), and to analyze the stability theory for such a system using the eigenvalues of the corresponding matrix A in nabla discrete calculus and nabla fractional discrete calculus. Discrete exponential functions and the Putzer algorithms are studied to examine the stability theorem. This thesis consists of five chapters and is organized as follows. In the first chapter, the Gamma function and its properties are studied. Additionally, basic definitions, properties and some main theorem of discrete calculus are discussed by using particular example. In the second chapter, we focus on solving the linear difference equations by using the undetermined coefficient method and the variation of constants formula. Moreover, we establish the matrix exponential function which is the solution of the initial value problems (IVP) by the Putzer algorithm.

We study planar systems of difference equations and applications to biological models of species populations. Central to the analysis of this study is the idea of folding - the method of transforming systems of difference equations into higher order scalar difference equations. Two classes of second order equations are studied: quadratic fractional and exponential. We investigate the boundedness and persistence of solutions, the global stability of the positive fixed point and the occurrence of periodic solutions of the quadratic rational equations. These results are applied to a class of linear/rational systems that can be transformed into a quadratic fractional equation via folding. These results apply to systems with negative parameters, instances not commonly considered in previous studies. We also identify ranges of parameter values that provide sufficient conditions on existence of chaotic and multiple stable orbits of different periods for the planar system. We study a second order exponential difference equation with time varying parameters and obtain sufficient conditions for boundedness of solutions and global convergence to zero. For the autonomous case, we show occurrence of multistable periodic and nonperiodic orbits. For the case where parameters are periodic, we show that the nature of the solutions differs qualitatively depending on whether the period of the parameters is even or odd. The above results are applied to biological models of populations. We investigate a broad class of planar systems that arise in the study of stage-structured single species populations. In biological contexts, these results include conditions on extinction or survival of the species in some balanced form, and possible occurrence of complex and chaotic behavior. Special rational (Beverton-Holt) and exponential (Ricker) cases are considered to explore the role of inter-stage competition, restocking strategies, as well as seasonal fluctuations in the vital rates.

Matrix population models are discrete in both time and state-space, where a matrix with density-dependent entries is used to project a population vector of a stage-structured population from one time to the next. Such models are useful for modeling populations with discrete categorizations (e.g. developmental cycles, communities of multiple species, differing sizes, etc.). We present a general matrix model of two interacting populations where one (the resident) has a stable cycle, and we analyze when the other population (the invader) can successfully invade. Specifically, we study the local bifurcations of coexistence cycles as the resident cycle destabilizes, where a cycle of length 1 corresponds to an equilibrium. We make no assumptions on the types of interactions between the populations or on the population structure of the resident; we consider when the invader's projection matrix is primitive or imprimitive and 2x2. The simplest biological scenarios for such structures are an iteroparous invader and a two-stage semelparous invader. When the invader has a primitive projection matrix, coexistence cycles (of the same period as the resident cycle) bifurcate from the resident-cycle. When the invader has an imprimitive two-stage projection matrix, two types of coexistence cycles bifurcate from the resident-cycle: cycles of the same period and cycles of double the period. In both the primitive and imprimitive cases, we provide diagnostic quantities to determine the direction of bifurcation and the stability of the bifurcating cycles. Because we only perform a local stability analysis, the only successful invasion provided by our results is through stable coexistence cycles. As we show in some simple examples, however, the invader may persist when the coexistence cycles are unstable through competitive exclusion where the branch of bifurcating cycles connects to a branch of invader attractors and creates a multi-attractor scenario known as a strong Allee effect.

The generation of wind energy deliberately becomes a significant part of generated electrical power in developed nations. Factors like fluctuation in natural wind speed and the use of power electronics present issues related power quality in wind turbine application. Following to the fact that there have been remarkable increase of wind energy in the electrical energy production worldwide, the effect on power quality and power system stability caused by wind power is considered significant, and hence the evaluation of this effect is crucial and obligatory. In order to examine and evaluate the characteristics of power quality of grid-integration of wind power in a persistent and authentic manner, several guidelines were introduced and established. One of the widely used guideline to define power quality of wind turbine is IEC standard 61400-21. Moreover, power system operator demands wind turbines to tolerate a certain voltage dip in some countries. The wind turbines concepts such as doubly-fed induction generator wind turbine and the direct driven wind turbine wind turbine with a permanent magnet synchronous generator are considered as the most promising concepts among other wind turbine types since they can operate in wide range of wind speed. The major goal of this PhD work is to examine the power quality character aspects of these wind turbine concepts. The power quality problems were calculated according to that devised by IEC- 61400-21 and then compared afterwards. The research includes the evaluation of the following power quality characteristics: voltage dip response, current harmonics distortion, control of active and reactive power and voltage flicker. Besides the IEC-standard 61400-21, the study also looks into the short-circuit current and fault-ride through with specifications provided by some grid codes, as power system stability is greatly influenced by these aspects. In order to achieve the research's goal, a reliable dynamic model of wind turbine system and control are required. Thus a complete model for both wind turbines systems was developed in PSCAD/EMTDC simulation-program which is the fanatical power system analysis tool, which can achieve a complete simulation of the system dynamic behaviour from the wind turbine. Two controllers are adopted for wind turbine system, converter control and pitch angle control. The converter controlled by a vector control in order to regulate the active and the reactive power whereas the pitch control scheme is put to function to limit the aerodynamic power in high wind speed. The ability of providing adequate state steady and dynamic performances are what wind turbine assures, as examined by simulation results, and via this, problems related to power quality caused by integrating wind turbines to the grid can be studied by wind turbine model.

In this thesis the Lyapunov exponents of random dynamical systems are presented and investigated. The main results are: 1. In the space of all unbounded linear cocycles satisfying a certain integrability condition, we construct an open set of linear cocycles have simple Lyapunov spectrum and no exponential separation. Thus, unlike the bounded case, the exponential separation property is nongeneric in the space of unbounded cocycles. 2. The multiplicative ergodic theorem is established for random difference equations as well as random differential equations with random delay. 3. We provide a computational method for computing an invariant measure for infinite iterated functions systems as well as the Lyapunov exponents of products of random matrices
In den vorliegenden Arbeit werden Lyapunov-Exponented für zufällige dynamische Systeme untersucht. Die Hauptresultate sind: 1. Im Raum aller unbeschränkten linearen Kozyklen, die eine gewisse Integrabilitätsbedingung erfüllen, konstruieren wir eine offene Menge linearer Kyzyklen, die einfaches Lyapunov-Spektrum besitzen und nicht exponentiell separiert sind. Im Gegensatz zum beschränkten Fall ist die Eingenschaft der exponentiellen Separiertheit nicht generisch in Raum der unbeschränkten Kozyklen. 2. Sowohl für zufällige Differenzengleichungen, als auch für zufällige Differentialgleichungen, mit zufälligem Delay wird ein multiplikatives Ergodentheorem bewiesen. 3.Eine algorithmisch implementierbare Methode wird entwickelt zur Berechnung von invarianten Maßen für unendliche iterierte Funktionensysteme und zur Berechnung von Lyapunov-Exponenten für Produkte von zufälligen Matrizen

We address in this thesis the numerical solution of state constrained optimal control problems for systems modeled by linear parabolic equations. For the unconstrained or control-constrained optimal control problem, the first order optimality condition can be obtained in a general way and the associated Lagrange multiplier has low regularity, such as in the L²(Ω). However, for state-constrained optimal control problems, additional assumptions are required in general to guarantee the existence and regularity of Lagrange multipliers. The resulting optimality system leads to difficulties for both the numerical solution and the theoretical analysis. The approach discussed here combines the alternating direction of multipliers (ADMM) with a conjugate gradient (CG) algorithm, both operating in well-chosen Hilbert spaces. The ADMM approach allows the decoupling of the state constraints and the parabolic equation, in which we need solve an unconstrained parabolic optimal control problem and a projection onto the admissible set in each iteration. It has been shown that the CG method applied to the unconstrained optimal control problem modeled by linear parabolic equation is very efficient in the literature. To tackle the issue about the associated Lagrange multiplier, we prove the convergence of our proposed algorithm without assuming the existence and regularity of Lagrange multipliers. Furthermore, a worst case O(1/k) convergence rate in the ergodic sense is established. For numerical purposes, we employ the finite difference method combined with finite element method to implement the time-space discretization. After full discretization, the numerical results we obtain validate the methodology discussed in this thesis.

This thesis has made two significant contributions to the field of reactive crystallisation. First, new data from batch cooling crystallisation and semi-batch reactive crystallisation experiments of mono-ammonium phosphate (MAP) were obtained to describe the key factors that influence crystal nucleation and growth rates, crystal size distribution (CSD), and crystal shape. The second contribution is the development of a numerical scheme for solving the population balance equations, which can be used to describe the evolution of CSD during the crystallisation process. This scheme combines the finite difference method with a wavelet method, and is the first reported application of this approach for crystallisation modelling and simulation.Experiments into the batch cooling crystallisation of MAP were conducted both with and without seed crystals. The effects of key factors such as cooling rate, initial level of supersaturation and seeding technique, including seed concentration and seed size, on the real time supersaturation, final CSD, crystal yield and crystal shape were investigated. It was found that a seed concentration of 20-30% effectively suppressed nucleation. The growth and nucleation rate were estimated by using an isothermal seeded batch approach and their parameters were calculated by non-linear optimisation techniques.The second series of experiments involved the semi-batch reactive crystallisation of MAP. Both single-feed and dual-feed systems were investigated. In the single-feed arrangement, an ammonia solution was fed into a charge of phosphoric acid. In the dual-feed system, phosphoric acid and ammonia solution were fed into a charge of saturated MAP solution. The molar ratio of the reactants, initial supersaturation, presence or absence of seed crystals, initial MAP concentration, reactants’ flow rate, feeding time and stirring speed were varied, and the effects upon the real time supersaturation, final CSD, crystal yield, crystal shape and solution temperature were measured. X-ray diffraction analysis showed that MAP can be produced in both the single-feed and dual-feed arrangements. For the single feed system, the N/P mole ratio controlled the degree of reaction and the CSD of the product. Di-ammonium phosphate (DAP) was not be observed in the single-feed system due to its high solubility. In the dual-feed system, a seeded solution with slow feed addition, moderate stirring speed and a low initial supersaturation provided the most favourable conditions for generating a desirable supersaturation profile, and thus obtaining a product with good CSD and crystal shape.A comparative numerical study was undertaken in order to evaluate the existing numerical schemes for solving the population balance equations (PBE) that describe crystallisation. Several analytical solutions to the PBE were used to benchmark the following numerical schemes: Upwind Finite Difference, Biased Upwind Finite Difference, Orthogonal Collocation with Finite Elements, and Wavelet Orthogonal Collocation. The Wavelet Finite Difference (WFD) method has been applied here for the first time for solving PBE problems. The WFD scheme was adapted to solve the batch cooling and the semi-batch reactive crystallisation models, and the solutions were validated against experimental data that we obtained.In summary, the experimental data provide an improved understanding of MAPreaction and crystallisation mechanisms. The adaptability of the WFD method has beendemonstrated validating the two crystallisation systems, and this should help extendthe application of wavelet-based solutions beyond crystallisation processes and intomore diverse areas of chemical engineering.

This thesis has made two significant contributions to the field of reactive crystallisation. First, new data from batch cooling crystallisation and semi-batch reactive crystallisation experiments of mono-ammonium phosphate (MAP) were obtained to describe the key factors that influence crystal nucleation and growth rates, crystal size distribution (CSD), and crystal shape. The second contribution is the development of a numerical scheme for solving the population balance equations, which can be used to describe the evolution of CSD during the crystallisation process. This scheme combines the finite difference method with a wavelet method, and is the first reported application of this approach for crystallisation modelling and simulation.
Experiments into the batch cooling crystallisation of MAP were conducted both with and without seed crystals. The effects of key factors such as cooling rate, initial level of supersaturation and seeding technique, including seed concentration and seed size, on the real time supersaturation, final CSD, crystal yield and crystal shape were investigated. It was found that a seed concentration of 20-30% effectively suppressed nucleation. The growth and nucleation rate were estimated by using an isothermal seeded batch approach and their parameters were calculated by non-linear optimisation techniques.
The second series of experiments involved the semi-batch reactive crystallisation of MAP. Both single-feed and dual-feed systems were investigated. In the single-feed arrangement, an ammonia solution was fed into a charge of phosphoric acid. In the dual-feed system, phosphoric acid and ammonia solution were fed into a charge of saturated MAP solution. The molar ratio of the reactants, initial supersaturation, presence or absence of seed crystals, initial MAP concentration, reactants’ flow rate, feeding time and stirring speed were varied, and the effects upon the real time supersaturation, final CSD, crystal yield, crystal shape and solution temperature were measured. X-ray diffraction analysis showed that MAP can be produced in both the single-feed and dual-feed arrangements. For the single feed system, the N/P mole ratio controlled the degree of reaction and the CSD of the product. Di-ammonium phosphate (DAP) was not be observed in the single-feed system due to its high solubility. In the dual-feed system, a seeded solution with slow feed addition, moderate stirring speed and a low initial supersaturation provided the most favourable conditions for generating a desirable supersaturation profile, and thus obtaining a product with good CSD and crystal shape.
A comparative numerical study was undertaken in order to evaluate the existing numerical schemes for solving the population balance equations (PBE) that describe crystallisation. Several analytical solutions to the PBE were used to benchmark the following numerical schemes: Upwind Finite Difference, Biased Upwind Finite Difference, Orthogonal Collocation with Finite Elements, and Wavelet Orthogonal Collocation. The Wavelet Finite Difference (WFD) method has been applied here for the first time for solving PBE problems. The WFD scheme was adapted to solve the batch cooling and the semi-batch reactive crystallisation models, and the solutions were validated against experimental data that we obtained.
In summary, the experimental data provide an improved understanding of MAPreaction and crystallisation mechanisms. The adaptability of the WFD method has beendemonstrated validating the two crystallisation systems, and this should help extendthe application of wavelet-based solutions beyond crystallisation processes and intomore diverse areas of chemical engineering.

Ce travail est consacré à l’étude théorique et numérique de systèmes hyperboliques d’équations aux dérivées partielles et aux équations de transport, avec des termes de relaxation et des conditions aux bords. Dans la première partie, on étudie la stabilité raide d’approximations numériques par différences finies du problème mixte donnée initiale-donnée au bord pour l’équation des ondes amorties dans le quart de plan. Dans le cadre du schéma discret en espace, nous proposons deux méthodes de discrétisation de la condition de Dirichlet. La première est la technique de sommation par partie et la seconde est basée sur le concept de condition au bord transparente. Nous proposons également une comparaison numérique des deux méthodes, en particulier de leur domaine de stabilité. La deuxième partie traite de schémas numériques d’ordre élevé pour l’équation de transport avec une donnée entrante sur domaine borné. Nous construisons, implémentons et analysons la procédure de Lax-Wendroff inverse au bord entrant. Nous obtenons des taux de convergence optimaux en combinant des estimations de stabilité précises pour l’extrapolation des conditions au bord avec des développements de couche limite numérique. Dans la dernière partie, nous étudions la stabilité de solutions stationnaires pour des systèmes non conservatifs avec des termes géométrique et de relaxation. Nous démontrons que les solutions stationnaires sont stables parmi les solutions entropique processus, qui généralisent le concept de solutions entropiques faibles. Nous supposons essentiellement que le système est complété par une entropie partiellement convexe et que, selon la dissipation du terme de relaxation, la stabilité ou la stabilité asymptotique des solutions stationnaires est obtenue
The dissertation focuses on the study of the theoretical and numerical analysis of hyperbolic systems of partial differential equations and transport equations, with relaxation terms and boundary conditions. In the first part, we consider the stiff stability for numerical approximations by finite differences of the initial boundary value problem for the linear damped wave equation in a quarter plane. Within the framework of the difference scheme in space, we propose two methods of discretization of Dirichlet boundary condition. The first is the technique of summation by part and the second is based on the concept of transparent boundary conditions. We also provide a numerical comparison of the two numerical methods, in particular in terms of stability domain. The second part is about high order numerical schemes for transport equations with nonzero incoming boundary data on bounded domains. We construct, implement and analyze the so-called inverse Lax-Wendroff procedure at incoming boundary. We obtain optimal convergence rates by combining sharp stability estimate for extrapolation boundary conditions with numerical boundary layer expansions. In the last part, we study the stability of stationary solutions for non-conservative systems with geometric and relaxation source term. We prove that stationary solutions are stable among entropy process solution, which is a generalisation of the concept of entropy weak solutions. We mainly assume that the system is endowed with a partially convex entropy and, according to the entropy dissipation provided by the relaxation term, stability or asymptotic stability of stationary solutions is obtained

On considère la synthèse de la commande basée sur un asservissement affecté par des retards. L’approche utilisée repose sur des méthodes ensemblistes. Une partie de cette thèse est consacrée à une conception de commande active pour la compensation des retards qui apparaissent dans des canaux de communication entre le capteur et correcteur. Ce problème est considéré dans une perspective générale du cadre de commande tolérante aux défauts où des retards variés sont vus comme un mode particulier de dégradation du capteur. Le cas avec transmission de mesure retardée pour des systèmes avec des capteurs redondants est également examiné. Par conséquent, un cadre unifié est proposé afin de régler le problème de commande basé sur la transmission des mesures avec retard qui peuvent également être fournies par des capteurs qui sont affectés par des défauts soudains.Dans la deuxième partie le concept d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret est exposé. En ce qui concerne l’invariance pour cette classe des systèmes dynamiques, il existe deux idées principales. La première approche repose sur la réécriture d’un tel système dans l’espace d’état augmenté et de le considérer comme un système linéaire. D’autre part, la seconde approche considère l’invariance dans l’espace d’état initial. Cependant, la caractérisation d’un tel ensemble invariant est encore une question ouverte, même pour le cas linéaire. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’introduire une notion générale d’invariance positive pour des systèmes linéaires à retard à temps discret. Également, certains nouveaux éclairages sur l’existence et la construction pour les ensembles invariants positifs robustes sont détaillés. En outre, les nouveaux concepts d’invariance alternatives sont décrits
We considered the process regulation which is based on feedback affected by varying delays. Proposed approach relies on set-based control methods. One part of the thesis examines active control design for compensation of delays in sensor-to controller communication channel. This problem is regarded in a general perspective of the fault tolerant control where delays are considered as a particular degradation mode of the sensor. Obtained results are also adapted to the systems with redundant sensing elements that are prone to abrupt faults. In this sense, an unified framework is proposed in order to address the control design with outdated measurements provided by unreliable sensors.Positive invariance for linear discrete-time systems with delays is outlined in the second part of the thesis. Concerning this class of dynamics, there are two main approaches which define positive invariance. The first one relies on rewriting a delay-difference equation in the augmented state-space and applying standard analysis and control design tools for the linear systems. The second approach considers invariance in the initial state-space. However, the initial state-space characterization is still an open problem even for the linear case and it represents our main subject of interest. As a contribution, we provide new insights on the existence of the positively invariant sets in the initial state-space. Moreover, a construction algorithm for the minimal robust D-invariant set is outlined. Additionally, alternative invariance concepts are discussed

Розроблено математичну модель нанокомпозитної системи багатошарових захисних покриттів для ріжучого інструменту при заданих початкових та граничних умовах. Побудовано чисельний розв’язок за допомогою методу скінченних різниць. Модель реалізовано у формі програмного забезпечення в середовищі Matlab.
Розроблено математичну модель нанокомпозитної системи багатошарових захисних покриттів для ріжучого інструменту при заданих початкових та граничних умовах. Побудовано чисельний розв’язок за допомогою методу скінченних різниць. Модель реалізовано у формі програмного забезпечення в середовищі Matlab.

This thesis mainly concerns the numerical investigation and application of fractional dynamical systems. Two main problems are considered: fractional dynamical models involving the Riesz fractional operator, such as the time-space fractional Bloch-Torrey equation, and complex viscoelastic non-Newtonian Maxwell and Oldroyd-B fluid models. The two main contributions of the research are the treatment of the Riesz space fractional derivative on irregular convex domains and presenting a unified numerical scheme to solve a class of novel multi-term time fractional non-Newtonian fluid models. A rigorous stability and convergence analysis of the computational models is also established.

Diplomová práce pojednává o stabilizaci diskrétního logistického modelu pomocí několika řídících metod. Je zde provedena především stabilizace rovnováh, 2-periodických cyklů a 3-periodických cyklů. Ke stabilizaci systému je využito proporčního zpětně-vazebního řízení, zpětně-vazebního řízení s časovým zpožděním a řízení založeného na predikci. U každé metody je diskutovaná stabilizační množina pro řídící zesilovač spolu s oblastmi stability pro odpovídající kontrolovaná řešení. Všechny teoretické výsledky jsou ilustrovány grafickými interpretacemi v softwaru MATLAB. Podpůrné výpočty jsou provedeny pomocí softwaru Maple.

The demand for automated decision making, learning and inference in uncertain, risk sensitive and dynamically changing situations presents a challenge: to design computational approaches that promise to be widely deployable and flexible to adapt on the one hand, while offering reliable guarantees on safety on the other. The tension between these desiderata has created a gap that, in spite of intensive research and contributions made from a wide range of communities, remains to be filled. This represents an intriguing challenge that provided motivation for much of the work presented in this thesis. With these desiderata in mind, this thesis makes a number of contributions towards the development of algorithms for automated decision-making and inference under uncertainty. To facilitate inference over unobserved effects of actions, we develop machine learning approaches that are suitable for the construction of models over dynamical laws that provide uncertainty bounds around their predictions. As an example application for conservative decision-making, we apply our learning and inference methods to control in uncertain dynamical systems. Owing to the uncertainty bounds, we can derive performance guarantees of the resulting learning-based controllers. Furthermore, our simulations demonstrate that the resulting decision-making algorithms are effective in learning and controlling under uncertain dynamics and can outperform alternative methods. Another set of contributions is made in multi-agent decision-making which we cast in the general framework of optimisation with interaction constraints. The constraints necessitate coordination, for which we develop several methods. As a particularly challenging application domain, our exposition focusses on collision avoidance. Here we consider coordination both in discrete-time and continuous-time dynamical systems. In the continuous-time case, inference is required to ensure that decisions are made that avoid collisions with adjustably high certainty even when computation is inevitably finite. In both discrete-time and finite-time settings, we introduce conservative decision-making. That is, even with finite computation, a coordination outcome is guaranteed to satisfy collision-avoidance constraints with adjustably high confidence relative to the current uncertain model. Our methods are illustrated in simulations in the context of collision avoidance in graphs, multi-commodity flow problems, distributed stochastic model-predictive control, as well as in collision-prediction and avoidance in stochastic differential systems. Finally, we provide an example of how to combine some of our different methods into a multi-agent predictive controller that coordinates learning agents with uncertain beliefs over their dynamics. Utilising the guarantees established for our learning algorithms, the resulting mechanism can provide collision avoidance guarantees relative to the a posteriori epistemic beliefs over the agents' dynamics.

Este trabalho é em parte baseado no livro The Stability and Control of Discrete Processes de Joseph P. LaSalle. Nós estudamos equações como x(n+1) = T(x(n)), onde T : \' R POT. m\' \' SETA\' \'R POT. m\' é uma aplicação contínua, com o sistema dinâmico associado \'PI\' (n,x) := \' T POT. n\' (x). Nós fornecemos condições suficientes para a estabilidade de equilíbrios usando o método direto de Liapunov. Também consideramos sistemas discretos da forma x(n+1)=T(n, x(n),\'lâmbda\' ) dependendo de uma parâmetro \' lâmbda\' e apresentamos resultados obtendo estimativas de atratores. Finalmente, nós apresentamos algumas simulações de sistemas acoplados como uma aplicação em sistemas de comunicação
This work is in part based on the book The Stability and Control of Discrete Processes of Joseph P. LaSalle. We studing equations as x(n+1) = T(x(n)), where T : \' R POT.m\' \' ARROW\' \' \' R POT.m\' is continuous transformation, with the associated dynamic system \'PI\' (n,x) := \' T POT.n\' (x). We provide suddicient conditions for stability of equilibria, using Liapunov direct method. We also consider nonautonomous discrete systems of the form x(n + 1) = T(n, x(n), \' lâmbda\') depending on the parameter \'lâmbda\' and present results obtaining uniform estimatives of attractors. We finally we present some simulations on synchronization of coupled systems as an application on communication systems

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-03T12:21:26Z No. of bitstreams: 1 alexandrebittencourtpigozzo.pdf: 866787 bytes, checksum: c6792b0cf7e2393b912ea7c1c8fdae2c (MD5)
Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T20:06:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 alexandrebittencourtpigozzo.pdf: 866787 bytes, checksum: c6792b0cf7e2393b912ea7c1c8fdae2c (MD5)
Made available in DSpace on 2017-03-06T20:06:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 alexandrebittencourtpigozzo.pdf: 866787 bytes, checksum: c6792b0cf7e2393b912ea7c1c8fdae2c (MD5) Previous issue date: 2011-02-28
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
O sistema imunológico humano (SIH) é composto por uma rede complexa de células, tecidos e órgãos especializados em defender o organismo contra doenças. Para atingir tal objetivo, o SIH identifica e extermina uma ampla gama de agentes patogênicos externos, como vírus e bactérias, além de células do próprio organismo que podem estar se comportando de forma anormal, e que poderiam dar origem a tumores, caso não fossem eliminadas. O SIH é ainda responsável pelo processo de eliminação de células mortas e renovação de algumas estruturas do organismo. A compreensão do SIH é, portanto, essencial. Entretanto a sua complexidade e a interação entre seus muitos componentes, nos mais diversos níveis, torna a tarefa extremamente complexa. Alguns de seus aspectos, no entanto, podem ser melhor compreendidos se modelados computacionalmente, permitindo a pesquisadores da área realizar um grande volume de experimentos e testar um grande número de hipóteses em um curto período de tempo. A longo prazo, pode-se vislumbrar um quadro onde todo o SIH poderá ser simulado, permitindo aos cientistas desenvolverem e testarem vacinas e medicamentos contra várias doenças, bem como contra a rejeição de órgãos e tecidos transplantados, diminuindo o uso de animais experimentais. Neste contexto, o presente trabalho visa implementar e simular computacionalmente um modelo matemático do SIH, sendo o objetivo principal reproduzir a dinâmica de uma resposta imune ao lipopolissacarídeo (LPS) em um pequena seção de um tecido. O modelo matemático é composto de um sistema de equações diferenciais parciais (EDPs) que incorpora a dinâmica de alguns tipos de células e moléculas do SIH durante uma resposta imune ao LPS no tecido.
The Human Immune System (HIS) consists of a complex network of cells, tissues and organs. The HIS plays an crucial role in defending the body against diseases. To achieve this goal, the immune system identifies and kills a wide range of external pathogens such as viruses and bacteria, and the body's own cells which are behaving abnormally. If these cells were not eliminated, they could give rise to tumors. The HIS is also responsible for removing dead cells and replacing some of the structures of the body. The understanding of the HIS is therefore essential. However, its complexity and the intense interaction among several components, in various levels, make this task extremely complex. Some of its aspects, however, may be better understood if a computational model is used, which allows researchers to test a large number of hypotheses in a short period of time. In the future we can envision a computer program that can simulate the entire HIS. This computer program will allow scientists to develop and test new drugs against various diseases, as well as to treat organ or tissue transplant rejection, without requiring animals experiments. In this scenario, our work aims to implement and simulate a mathematical model of the HIS. Its main objective is to reproduce the dynamics of a immune response to lipopoly-saccharides (LPS) in a microscopic section of a tissue. The mathematical model is composed of a system of partial differential equations (PDEs) that defines the dynamics of some tissues and molecules of the HIS during the immune response to the LPS.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-04-11T19:27:27Z No. of bitstreams: 1 daianaaparecidarodrigues.pdf: 8225936 bytes, checksum: 96ec323f343f92c319f4e261145f9c6a (MD5)
Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-04-24T03:34:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 daianaaparecidarodrigues.pdf: 8225936 bytes, checksum: 96ec323f343f92c319f4e261145f9c6a (MD5)
Made available in DSpace on 2016-04-24T03:34:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 daianaaparecidarodrigues.pdf: 8225936 bytes, checksum: 96ec323f343f92c319f4e261145f9c6a (MD5) Previous issue date: 2013-08-29
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Fenômenos biológicos são todo e qualquer evento que possa ser observado nos seres vivos. O estudo desses fenômenos permite propor explicações para o seu mecanismo, a m de entender as causas e efeitos. Pode-se citar como exemplos de fenômenos biológicos o comportamento das células como respiração, reprodução, metabolismo e morte celular. Equações de reação-difusão são frequentemente utilizadas para modelar fenômenos bioló- gicos. Sistemas de reação-difusão podem produzir padrões espaciais estáveis a partir de uma distribuição inicial uniforme esse fenômeno é conhecido como instabilidade de Turing. Este trabalho apresenta a análise da instabilidade de Turing bem como resultados numéricos para a solução de três modelos biológicos, modelo de Schnakenberg, modelo de glicólise e modelo da coagulação sanguínea. O modelo de Schnakenberg é utilizado para descrever uma reação química autocatalítica e o modelo de glicólise é relativo ao processo de degradação metabólica da molécula de glicose para proporcionar energia para o metabolismo celular, esses dois modelos são frequentemente relatados na literatura. O terceiro modelo é mais recente e descreve o fenômeno da coagulação sanguínea. Nas soluções numéricas se utiliza o método das linhas onde a discretização espacial é feita através de um esquema de diferenças nitas. O sistema de equações diferencias ordinárias resultante é resolvido por um esquema de integração adaptativo, com a utilização de pacote para computação cientí ca da linguagem Python, Scipy.
Biological phenomena are all and any event that can be observed in living beings. The study of these phenomena enables us to propose explanations for its mechanisms in order to understand causes and e ects. One can cite as examples of biological phenomena the behavior of cells as respiration, reproduction, metabolism and cell death. Reactiondi usion equations are often used to model biological phenomena. Reaction-di usion systems can produce stable spatial patterns from a uniform initial distribution, this phenomenon is known as Turing instability. This dissertation presents an analysis of the Turing instability as well as numerical results for the solution of three biological models, model Schnakenberg, model of glycolysis and model of blood coagulation. The Schnakenberg model is used to describe an autocatalytic chemical reaction and glycolysis model refers to the process of metabolic breakdown of the glucose molecule to provide energy for cellular metabolism, these two models are frequently reported in the literature. The third model is newer and describes the phenomenon of blood coagulation. The method of lines is used in the numerical solutions, where the spatial discretization is done through a nite di erence scheme. The resulting system of ordinary di erential equations is then solved by an adaptive integration scheme with the use of the package for scienti c computing of Python language, Scipy.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude de la dynamique de populations. Elle porte sur la modélisation et l'analyse mathématique de l'hématopoïèse, le processus de production et de régulation des cellules sanguines. La population de cellules est perçue comme un milieu continu avec une structuration en âge et en espace. Nous avons commencé par analyser des modèles d'équations différentielles et aux différences à retard discret et distribué. Ces modèles à retard permettent de mettre en évidence des comportements particuliers tels que l'existence de solutions périodiques. Ensuite, nous avons pris en compte l'aspect spatial et la diffusion des cellules dans ces modèles, tout en sachant que la structuration en espace, dans le cas de l'hématopoïèse, a été très peu abordée par le passé. Un nouveau modèle a été obtenu du point de vue mathématique. Une étude d'existence d'ondes progressives est effectuée lorsque le domaine est non borné et lorsque le domaine est borné une étude de stabilité des états stationnaires ainsi que de l'existence d'une bifurcation de Hopf est réalisée
This thesis focuses on the study of population dynamics. It is devoted to the mathematical analysis and modeling of hematopoiesis, which is the process leading to the production and regulation of blood cells. The cell's population is seen as a continuous medium structured in age and space. We analyzed models of differential-difference system with discrete- and distributed -delay. These models can exhibit specific behaviors such as the existence of periodic solutions. Then we consider a space structuration and the diffusion of cells in such models, knowing that the space structure has not been widely studied in the case of hematopoiesis. A new model is obtained from the mathematical point of view. We studied the existence of traveling waves when the domain is unbounded. When the domain is bounded, the stability of stationary solutions and the existence of a Hopf bifurcation are obtained

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-02T17:47:54Z No. of bitstreams: 1 pedroaugustoferreirarocha.pdf: 4715587 bytes, checksum: dfef00badf9cc3d7c79c1b4c62d3abfd (MD5)
Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T19:58:07Z (GMT) No. of bitstreams: 1 pedroaugustoferreirarocha.pdf: 4715587 bytes, checksum: dfef00badf9cc3d7c79c1b4c62d3abfd (MD5)
Made available in DSpace on 2017-03-06T19:58:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pedroaugustoferreirarocha.pdf: 4715587 bytes, checksum: dfef00badf9cc3d7c79c1b4c62d3abfd (MD5) Previous issue date: 2012-08-27
CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Dois mecanismos são utilizados pelo Sistema Imunológico Humano (SIH) para defender o organismo contra doenças causadas pelos mais distintos agentes patogênicos: o sistema inato e o sistema adaptativo. O primeiro é composto por células e substâncias químicas que utilizam um mecanismo genérico de defesa para prevenir ou limitar infecções ocasionadas pela maioria dos patógenos. Já o segundo mecanismo é ativado pelo primeiro, baseando-se na habilidade de reconhecer e de recordar agentes patogênicos específicos, colaborando para a montagem de um ataque mais potente a cada vez que o mesmo patógeno é encontrado. Apesar de ser muito estudado, muitas questões sobre o funcionamento do SIH ainda estão em aberto em virtude de sua complexidade e do grande número de interações, nos mais diversos níveis, entre seus distintos componentes. Neste sentido, ferramentas computacionais podem se constituir em um poderoso ferramental para auxiliar nas pesquisas sobre o tema. O presente trabalho está inserido neste escopo, dividindo-se em duas partes. Na primeira parte, o trabalho apresenta os resultados de uma análise de sensibilidade em um modelo matemático-computacional que simula a resposta imunológica inata ao lipopolissacarídeo (LPS), com o objetivo de encontrar os parâmetros mais sensíveis deste modelo. Além disto, a segunda parte do trabalho propõe uma adaptação do modelo original para um modelo tridimensional. As simulações realizadas nas duas partes do trabalho mostraram-se computacionalmente caras, demandando longos períodos de tempo para serem concluídas. Assim, GPGPUs (General Purpose Graphics Processing Units) foram utilizadas para reduzir os tempos de execução. O uso de GPGPUs permitiu que acelerações de 276 vezes para a análise de sensibilidade massiva e de 87 vezes para a computação do modelo em três dimensões fossem obtidas.
Two mechanisms are used by the Humman Immune System (HIS) to protect the body against diseases caused by distinct pathogens: the innate and the adaptive immune system. The first one is composed of cells and chemicals that use a generic mechanism of defense to prevent or limit infections caused by most pathogens. The second mechanism is activated by the first one. It has the ability to recognize and remember specific pathogens, contributing to the assembly of a more powerful attack each time the same pathogen is encountered again. Despite being widely studied, many questions about the functioning of the HIS are still open because of its complexity and the large number of interactions of its components on distinct levels. In this sense, computational tools are a powerful instrument to assist researchers on this field of study. This work is inserted in this scope and it is split into two parts. In the first part, this work presents the results of a sensitivity analysis on a mathematical-computational model that simulates the innate immune response to lipopolysaccharide (LPS). The main objective of the sensitivity analysis was to find the most sensitive parameters of the mathematical model. The second part of this work proposes the extension of the original model to a three-dimensional one. The simulations in the two parts of the work proved to be computationally expensive, requiring long periods of time to complete. Thus, GPGPUs (General Purpose Graphics Processing Units) were used to reduce execution times. The use of GPGPUs allowed speedups of 276 times for sensitivity analysis, when compared to the sequential one, and of 87 times for computations using the three dimensions model.

In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir schwache Lösungen, die zu einem geeigneten Sobolevraum gehören, q-elliptischer und parabolischer Systeme partieller Differentialgleichungen auf deren Regularität für den Fall 1
In the present work we study the regularity of weak solution to q-elliptic and parabolic systems partial differential equations in appropriate Sobolev spaces in case 1

Les amplificateurs contiennent des composants linéaires passifs, ainsi que non-linéaires actifs, qui peuvent tous être décrits par un nombre fini de variables d'état; ils contiennent aussi des lignes de transmission, généralement modélisées par des équations aux dérivées partielles 1-D hyperboliques comme les équations du Télégraphe sans perte qui rendent l'espace d'état de dimension infinie.En utilisant une forme intégrée des équations du Télégraphe, on obtient un modèle composé d'équations aux différence retardées et d'équations différentielles. Considérant une trajectoire périodique qui s'établit dans l'amplificateur à cause d'un signal périodique forçant, la thèse vise à caractériser la stabilité locale d'une telle trajectoire périodique. En utilisant une approximation de premier ordre, cela se réduit à étudier la stabilité exponentielle du système linéaire périodique temporel obtenu par linéarisation autour de la solution périodique, et qui est un réseau d'équations aux différences retardées dont les conditions aux limites sont couplées par des équations différentielles. La stabilité de ce type d'équations est fortement corrélée avec la stabilité d'un système périodique aux différences linéaires (via un argument de perturbation compacte). La thèse établit alors des conditions pour garantir la stabilité des systèmes retardés périodiques linéaires. En raison du nombre énorme de composants électroniques, il est connu dans les livres d'ingénierie électronique que la stabilité ne peut pas se déterminer directement à partir du système linéarisée. Ainsi pour étudier les propriétés de stabilité du système linéarisé précédent, une famille de systèmes entrées-sorties est construite, obtenue en perturbant le système linéarisé par un petit courant $ i $ à un nœud du circuit et en observant la perturbation résultante de tension $ v $ entre deux nœuds. Via un développement de Fourier, la stabilité se ramène à étudier les singularités de la fonction de transfert harmonique (FTH) qui est une matrice infinie dépendant d'une variable complexe et à valeur banachique. Sous des hypothèses de dissipation à haute fréquence qui sont toujours vérifiées pour les amplificateurs, la thèse montre alors que la FTH possède au plus des pôles dans un demi plan droit complexe contenant strictement l'axe imaginaire. Ces pôles sont en particulier les logarithmes d'une famille finie de nombre complexe, et sous une hypothèse de contrôlabilité et d'observabilité, la solution périodique est localement stable si et seulement si la FTH n'a pas de poles dans le demi-plan droit complexe
Amplifiers contain linear, passive components as well as nonlinear, active ones, all of which can be described by finitely many state variables; but they also contain transmission lines, typically modeled by simple hyperbolic Partial Differential Equations (PDE) like lossless telegrapher equations, that make the global state space of the circuit infinite-dimensional. Using an integrated form of telegraphers equations,one obtains a model comprised of delay difference and differential equations. Using first order approximation, this reduces to exponential stability of the time-periodic linear system obtained by linearizing around the periodic solution, which is a network of delay difference equations whose boundary conditions are coupled by differential equations. The stability of this kind of equation is strongly correlated with the stability of a periodic linear difference delay system (via a compact perturbation argument). The thesis then establishes conditions to guarantee the stability of periodic difference delay system systems. Due to the huge number of electronic components, it is known in electronic engineering textbooks that stability cannot be determined directly from the linearized system. To study the stability properties of the previously-described linearized system, one constructs a family of input-output systems, obtained by perturbing the linearized system by a small current $i$ at some node of the circuit and observing the resulting perturbation of the voltage $v$ between two nodes. Via a Fourier development, stability is studied through the singularities of the harmonic transfer function (HTF) which is an infinite matrix depending on a complex variable with Banach value. Under high frequency dissipativity assumption, which are always verified for amplifiers, the HTF has at most poles in a complex right half-plane containing strictly the imaginary axis. These poles are in particular the logarithms of a finite family of complex numbers, and under an assumption of controllability and observability, the periodic solution is locally stable if and only if the HTF has no poles in the complex right half-plane

El objetivo de esta memoria se centra en primer lugar en la modelización del comportamiento de enfermedades estacionales mediante sistemas de ecuaciones diferenciales y en el estudio de las propiedades dinámicas tales como positividad, periocidad, estabilidad de las soluciones analíticas y la construcción de esquemas numéricos para las aproximaciones de las soluciones numéricas de sistemas de ecuaciones diferenciales de primer orden no lineales, los cuales modelan el comportamiento de enfermedades infecciosas estacionales tales como la transmisión del virus Respiratory Syncytial Virus (RSV). Se generalizan dos modelos matemáticos de enfermedades estacionales y se demuestran que tiene soluciones periódicas usando un Teorema de Coincidencia de Jean Mawhin. Para corroborar los resultados analíticos, se desarrollan esquemas numéricos usando las técnicas de diferencias finitas no estándar desarrolladas por Ronald Michens y el método de la transformada diferencial, los cuales permiten reproducir el comportamiento dinámico de las soluciones analíticas, tales como positividad y periocidad. Finalmente, las simulaciones numéricas se realizan usando los esquemas implementados y parámetros deducidos de datos clínicos De La Región de Valencia de personas infectadas con el virus RSV. Se confrontan con las que arrojan los métodos de Euler, Runge Kutta y la rutina de ODE45 de Matlab, verificándose mejores aproximaciones para tamaños de paso mayor a los que usan normalmente estos esquemas tradicionales.
Arenas Tawil, AJ. (2009). Mathematical modelling of virus RSV: qualitative properties, numerical solutions and validation for the case of the region of Valencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8316
Palancia

Захист відбудеться «02» жовтня 2020 р. о 12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д58.052.01 в Тернопільському національному технічному університеті імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, ауд. 79.
Дисертація присвячена вирішенню проблеми розвитку математичного моделювання та обчислювальних методів у напрямку створення та дослідження нових компартментних математичних моделей кіберфізичних систем медико- біологічних процесів. Розроблено компартментні математичні моделі кіберфізичних систем медико-біологічних процесів з використанням решітчастих диференціальних та різницевих рівнянь із запізненням на прямокутній та гексагональній решітках. Запропоновано методи обчислювальної математики для дослідження перманентності, екстинкції та стійкості компартментних математичних моделей кіберфізичних систем медико-біологічних процесів. Розроблено нові методи моделювання кіберфізичних біосенсорних систем з використанням гібридного програмування та інтерпретацією результатів моделювання у вигляді зображення фазових площин, решітчастих портретів та електричних сигналів. Запропоновано методи дослідження експоненційної стійкості рекурентних нейромережевих моделей для кіберфізичних систем медико-біологічних процесів. Розроблено алгоритм оптимального керування в моделі кіберфізичної системи лабораторної діагностики на основі полімеразно-ланцюгової реакції. Програмно реалізовані методи дослідження стійкості кіберфізичних систем медико-біологічних процесів.
Диссертация посвящена решению проблемы развития математического моделирования и вычислительных методов в направлении создания и исследования новых компартментных математических моделей киберфизических систем медико- биологических процессов. Разработаны компартментные математические модели киберфизических систем медико-биологических процессов с использованием решётчастых дифференциальных и разностных уравнений с запаздыванием на прямоугольной и гексагональной решётках. Предложенные методы вычислительной математики для исследования перманентности, экстинкции и устойчивости компартментных математических моделей киберфизических систем медико- биологических процессов. Разработаны новые методы моделирования киберфизических биосенсорных систем с использованием гибридного программирования и интерпретацией результатов моделирования в виде изображения фазовых плоскостей, решётчастых портретов и электрических сигналов. Предложенные методы исследования экспоненциальной устойчивости рекуррентных нейросетевых моделей для киберфизических систем медико- биологических процессов. Разработан алгоритм оптимального управления в модели киберфизической системы лабораторной диагностики на основе полимеразно- цепной реакции. Программно реализованы методы исследования устойчивости киберфизических систем медико-биологических процессов.
The dissertation is devoted to the solution of the problem of development of mathematical modelling and computational methods in the direction of creation and investigation of new compartmental mathematical models of cyber-physical systems of medical and biological processes. A methodology for designing cyber-physical biosensor systems used for automated monitoring of biomedical processes has been developed. On the basis of the suggested methodology, compartmental mathematical models of cyber- physical systems of medical and biological processes have been developed using lattice differential and difference equations with delay on rectangular and hexagonal lattices. The developed compartmental mathematical models take into account all the properties that are characteristic of lattice cyber-physical systems of medical and biological processes. Taking into account the lattice structure, the research has been carried out by the use of appropriate interactions between pixels of rectangular and hexagonal lattices, spatial operators and coordinations of biopixels. Methods of computational mathematics have been developed for solving problems of studying the permanence, extinction and stability of compartmental mathematical models of cyber-physical systems of medical and biological processes by using lattice differential and difference equations with delay on rectangular and hexagonal lattices. The basic numbers of reproduction have been suggested as a tool for studying the stability of compartmental lattice-type mathematical models. The conditions of stability, stability state without antibodies, stability state without antigens and antibodies, identical and non-identical endemic stability state have been investigated. Тhe study of local and global asymptotic stability has presented qualitative and quantitative results of numerical simulation of cyber-physical systems of medical and biological processes. The numerical simulation results show that the time delay has the greatest influence on the stability of the developed mathematical models of cyber-physical biosensor systems on rectangular and hexagonal lattices using lattice differential and difference equations with delay. New methods of organizing and optimizing the processes of simulation of cyber-physical biosensor systems using hybrid programming and interpretation of simulation results in the form of phase planes, lattice portraits have been developed. A mathematical model of dynamic logic for the systems under study has been developed by using the basic terms of the hybrid programming language. The results of numerical simulation of the developed cyber-physical biosensor system have been presented in the form of electrical signals from transducers characterizing the number of fluorescent pixels. Methods of computational mathematics have been worked out to solve the problems of exponential stability research of recurrent neural network models for cyber-physical systems of medical and biological processes. The algorithm of optimal control in the model of cyber-physical system of laboratory diagnostics based on polymerase-chain reaction has been developed. Using the obtained results, it is possible to control the temperature to minimize the required time of implementation of the annealing stage with the possibility of using a minimum amount of primer. The practical significance of the results of the dissertation research consists in the fact that, on the basis of the developed compartmental mathematical models of cyber- physical systems of medical and biological processes, the study of stability on rectangular and hexagonal lattices with the use of lattice differential and difference equations, it has been established that the constant delay is the most important parameter that affects the stability of the systems under study. A software complex has been developed to study the stability of cyber-physical systems of medical-biological processes, consisting of a block of identification and input of the parameters of the studied models, a software module for investigation of continuous dynamics, the block of modelling of the lattice images of antigens and antibodies, the block of obtaining the lattice images of connections of antigens with antibodies, the module of the study of discrete dynamics on the stability of the cyber-physical biosensor system and the visualization unit. The developed software complex and the obtained practical results are suitable for use in the design of modern cyber-physical systems of medical and biological processes with ensuring their stability during storage and use.
Перелік основних умовних позначень, символів і скорочень 42 Вступ 46 Розділ 1. Аналітичний огляд кіберфізичних систем медико- біологічних процесів та їх математичних моделей 57 1.1. Огляд практичних задач, пов’язаних із застосуванням кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 58 1.1.1. Портативні кіберфізичні системи медико-біологічних процесів 59 1.1.2. Кіберфізичні біосенсорні системи для комплексного моніторингу біохімічних показників 60 1.1.3. Кіберфізичні біосенсорні системи для моніторингу прийому лікарських препаратів 62 1.1.4. Кіберфізичні системи медико-біологічних процесів для моніторингу рівня глюкози 63 1.1.5. Селективні елементи кіберфізичних систем медико- біологічних досліджень 68 1.2. Задача проектування та технічні характеристики кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 74 1.3. Математичні моделі біосенсорів у кіберфізичних системах медико-біологічних процесів 81 1.3.1. Статичні математичні моделі біосенсорів у кіберфізичних системах медико-біологічних процесів 81 1.3.1.1. Модель оптичного біосенсора на основі поверхневого плазмонного резонансу 81 1.3.1.2. Багатошарова модель оптичного біосенсора 83 1.3.2. Динамічні математичні моделі біосенсорів на основі звичайних диференціальних рівнянь 86 1.3.2.1. Модель біосенсора першого порядку 86 1.3.2.2. Динамічна модель біосенсора другого порядку 89 1.3.3. Динамічні моделі біосенсорів у вигляді диференціальних рівнянь в частинних похідних 91 1.3.3.1. Модель біосенсора на основі рівнянь реакції-дифузії 91 1.3.3.2. Моделі біосенсорів, які використовують кінетику Міхаеліса-Ментена 92 1.3.3.3. Математична модель електрохімічного біосенсора 95 1.3.3.4. Модель біосенсора для визначення рівня глюкози 98 1.3.3.5. Модель для оптимізації розроблення біосенсорних кіберфізичних систем 100 1.3.3.6. Модель біосенсора в циліндричних координатах 101 1.4. Математична модель решітчастої динамічної системи в медико- біологічних дослідженнях 102 1.5. Математична модель Г.І. Марчука та використання її в кіберфізичних системах медико-біологічних процесів 106 1.6. Властивості, які повинні мати компартментні математичні моделі кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 108 1.7. Висновки до першого розділу 114 Розділ 2. Розробка компартментних математичних моделей кіберфізичних біосенсорних систем 116 2.1. Математичне моделювання медико-біологічних процесів 117 2.2. Математична модель біосенсора на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 120 2.3. Математична модель біосенсора на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 125 2.4. Математична модель біосенсора на гексагональній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 129 2.5. Математична модель біосенсора на гексагональній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 132 2.6. Математична модель компартментних медико-біологічних процесів на основі клітинних автоматів 136 2.7. Модель кіберфізичної системи з атаками стану та вимірювань на основі стохастичних різницевих рівнянь 137 2.8. Ідентифікація параметрів у решітчастих диференціальних рівняннях із запізненням 140 2.9. Математична модель бутирилхолінестеразного біосенсора для визначення α-чаконіну 146 2.10. Висновки до другого розділу 149 Розділ 3. Дослідження неперервної та дискретної динаміки компартментних математичних моделей решітчастого типу 151 3.1. Ендемічні стани рівноваги компартментних математичних моделей решітчастого типу в кіберфізичних біосенсорних системах 152 3.1.1. Ендемічні стани рівноваги математичних моделей біосенсора на прямокутній решітці з використанням диференціальних та різницевих рівнянь 152 3.1.2. Ендемічні стани рівноваги математичних моделей біосенсора на гексагональній решітці з використанням диференціальних та різницевих рівнянь 153 3.2. Базові числа репродукції як інструмент дослідження стійкості компартментних математичних моделей решітчастого типу 155 3.3. Умови локальної асимптотичної стійкості компартментних математичних моделей біосенсорів решітчастого типу 159 3.3.1. Умови локальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на прямокутній решітці 159 3.3.2. Умови перманентності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на прямокутній решітці 164 3.3.3. Умови локальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 173 3.3.4. Умови перманентності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 174 3.4. Умови глобальної асимптотичної стійкості компартментних математичних моделей решітчастого типу 175 3.4.1. Умови глобальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на прямокутній решітці 175 3.4.2. Умови глобальної притягувальності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на прямокутній решітці 182 3.5. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в компартментних математичних моделях решітчастого типу 187 3.5.1. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням на прямокутній решітці 187 3.5.2. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням на гексагональній решітці 192 3.5.3. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на прямокутній решітці 193 3.5.4. Виникнення біфуркації та детермінованого хаосу в математичній моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 198 3.6. Дослідження на основі чисельних характеристик нелінійної динаміки 199 3.6.1. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням диференціальних рівнянь на прямокутній решітці 199 3.6.2. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 203 3.6.3. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням різницевих рівнянь на прямокутній решітці 206 3.6.4. Результати чисельного моделювання математичної моделі біосенсора з використанням різницевих рівнянь на гексагональній решітці 207 3.7. Дослідження стійкості математичної моделі бутирилхолінестеразного біосенсора для визначення α-чаконіну 211 3.8. Висновки до третього розділу 214 Розділ 4. Розроблення та дослідження математичних моделей динамічної логіки кіберфізичних біосенсорних систем 216 4.1. Концептуальна модель архітектури кіберфізичних систем медико- біологічних процесів 216 4.2. Проектування динамічних процесів в кіберфізичних біосенсорних системах 219 4.3. Принцип вимірювання медико-біологічних показників кіберфізичними біосенсорними системами 222 4.4. Моделювання неперервної динаміки кіберфізичних біосенсорних систем 224 4.5. Основні терміни мови гібридного програмування 225 4.6. Моделі динамічної логіки кіберфізичних біосенсорних систем 228 4.6.1. Динамічне логічне моделювання кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 228 4.6.2. Динамічне логічне моделювання КФБСС на гексагональній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 230 4.7. Експериментальні дослідження математичних моделей динамічної логіки в кіберфізичних системах 232 4.7.1. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 232 4.7.2. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 238 4.7.3. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 243 4.7.4. Дослідження динамічної логіки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 248 4.8. Порівняльний аналіз результатів чисельного моделювання математичних моделей кіберфізичних біосенсорних систем на прямокутній та гексагональній решітках з використанням решітчастих диференціальних рівнянь 253 4.9. Порівняльний аналіз результатів чисельного моделювання математичних моделей кіберфізичних біосенсорних систем на прямокутній та гексагональній решітках з використанням решітчастих різницевих рівнянь 254 4.10. Висновки до четвертого розділу 256 Розділ 5. Розроблення методів дослідження нейромережевих моделей кіберфізичних біосенсорних систем медико-біологічних процесів 258 5.1. Нейромережеві моделі кіберфізичних систем медико-біологічних процесів та методи їх дослідження 258 5.2. Модель кіберфізичної біосенсорної системи на основі рекурентної нейромережі 260 5.3. Розроблення методу експоненціального оцінювання рекурентної нейромережі 261 5.3.1. Метод Кертеша та етапи побудови оцінки експоненціального згасання 261 5.3.2. Оцінка для похідної функціонала Ляпунова 262 5.3.3. Різницева нерівність для функціонала Ляпунова 265 5.4. Непрямий метод дослідження стійкості моделі нейронної мережі з дискретно розподіленим запізненням 269 5.4.1. Методи дослідження стійкості нейромережевих моделей 269 5.4.2. Модель нейронної мережі з дискретно розподіленим запізненням 271 5.4.3. Непрямий метод дослідження стійкості рекурентної нейронної мережі з дискретно розподіленим запізненням 273 5.5. Дослідження моделі нейронної мережі з дискретним та неперервним запізненням 282 5.6. Експериментальне дослідження якісної поведінки моделі рекурентної нейромережі 289 5.6.1. Чисельне дослідження динамічної поведінки двонейронної мережі з чотирма дискретними запізненнями 289 5.6.2. Чисельне дослідження динамічної поведінки нейронної мережі з трьома нейронами 291 5.6.3. Чисельне дослідження динамічної поведінки рекурентної двонейронної мережі зі змішаним запізненням 292 5.7. Висновки до п’ятого розділу 296 Розділ 6. Розроблення і дослідження компартментних математичних моделей медико-біологічних процесів лабораторної діагностики 298 6.1. Полімеразно-ланцюгова реакція, як універсальний метод лабораторної діагностики 298 6.2. Розроблення компартментної моделі стадій полімеразно- ланцюгової реакції 304 6.3. Дослідження стійкості полімеразно-ланцюгової реакції 305 6.4. Розроблення алгоритму оптимального керування полімеразно- ланцюговою реакцією 306 6.5. Задача оптимального керування стадією відпалу в ПЛР 307 6.6. Задача оптимального керування стадією елонгації в ПЛР 312 6.7. Чисельне моделювання кіберфізичної системи лабораторної діагностики на прикладі полімерезно-ланцюгової рекції для стадії відпалу 316 6.8. Висновки до шостого розділу 323 Розділ 7. Розроблення програмного забезпечення для реалізації методів математичного моделювання компартментних медико- біологічних процесів 325 7.1. Програмний комплекс для дослідження стійкості КФБСС 326 7.1.1. Розробка програмного комплексу для дослідження стійкості КФБСС 326 7.1.2. Програмний модуль для дослідження фазових площин в КФБСС на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 328 7.1.3. Програмний модуль для дослідження фазових площин в КФБСС на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 331 7.2. Програмний модуль дослідження інтенсивності імунної відповіді 333 7.2.1. Комп’ютерне моделювання контактів антигенів із антитілами в кіберфізичних біосенсорних системах на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 333 7.2.2. Комп’ютерне моделювання контактів антигенів із антитілами в кіберфізичних біосенсорних системах на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 334 7.3. Програмна реалізація вихідних сигналів кіберфізичної системи 336 7.3.1. Програмний комплекс аналізу дискретизованого сигналу з перетворювача КФБСС на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 336 7.3.2. Результати чисельного аналізу електричного сигналу з перетворювача кіберфізичної біосенсорної системи 337 7.4. Розроблення та використання програмного забезпечення кіберфізичних систем аналізу біосигналів 338 7.4.1. Програмний комплекс для аналізу біосигналів в поліграфах 338 7.4.2. Використання відкритих ресурсів біосигналів PhysioNet для розробки кіберфізичних систем кардіодіагностики 339 7.5. Телемедичні технології у кіберфізичних системах 343 7.6. Використання методу індукції дерев рішень в кіберфізичних системах для потреб судово-медичної експертної практики 344 7.7. Використання комп’ютерних програм при проектуванні та дослідженні кіберфізичних медико-біологічних систем 346 7.8. Ідентифікація параметрів математичної моделі бутирилхолінестеразного біосенсора для визначення α-чаконіну 350 7.9. Дослідження стійкості кіберфізичних біосенсорних систем під впливом електромагнітного випромінювання 354 7.10. Висновки до сьомого розділу 355 Висновки 357 Список використаних джерел 360 Додатки 427 Додаток А. Класифікація та використання кіберфізичних біосенсорних систем 428 A.1. Електрохімічні кіберфізичні біосенсорні системи 428 A.2. Оптичні кіберфізичні біосенсорні системи 429 A.3. Кіберфізичні біосенсорні системи на основі оксиду кремнію 429 A.4. Кіберфізичні біосенсорні системи на основі наноматеріалів 430 A.5. Генетично кодовані кіберфізичні біосенсорні системи 431 A.6. Клітинні кіберфізичні біосенсорні системи 432 A.7. Порівняльний аналіз кіберфізичних біосенсорних систем 433 Додаток Б. Базові числа репродукції математичної моделі біосенсора на прямокутній та гексагональній решітках 437 Б.1. Базові числа репродукції математичної моделі біосенсора на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь 437 Б.2. Базові числа репродукції математичних моделей біосенсора на гексагональній решітці з використанням диференціальних та різницевих рівнянь 440 Додаток В. Доведення умов локальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 443 Додаток Д. Доведення квазіперманентності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 448 Додаток Е. Умови глобальної асимптотичної стійкості математичної моделі біосенсора на основі диференціальних рівнянь на гексагональній решітці 453 Додаток Ж. Умови глобальної притягувальності математичної моделі біосенсора на основі різницевих рівнянь на гексагональній решітці 461 Додаток И. Фазові діаграми популяцій антигенів щодо антитіл в біопікселях кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці 467 Додаток К. Дослідження кіберфізичної системи з атаками стану та вимірювань на основі стохастичних різницевих рівнянь 473 Додаток Л. Семантика гібридних програм та приклад їх застосування 480 Л.1. Семантика гібридних програм 480 Л.2. Приклад застосування гібридної програми 482 Додаток М. Динамічне логічне моделювання КФБСС на прямокутній та гексагональній решітках 484 М.1. Динамічне логічне моделювання КФБСС на прямокутній решітці з використанням різницевих рівнянь із запізненням 484 М.2. Динамічне логічне моделювання КФБСС на гексагональній решітці з використаням решітчастих різницевих рівнянь із запізненням 486 Додаток Н. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 489 Додаток П. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням решітчастих диференціальних рівнянь із запізненням 499 Додаток Р. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використаням решітчастих різницевих рівнянь із запізненням 506 Додаток С. Результати чисельного моделювання дискретної динаміки кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням решітчастих різницевих рівнянь із запізненням 514 Додаток Т. Етапи створення медичних нейромережевих експертних кіберфізичних систем 522 Додаток У. Ієрархічна модель якісного аналізу решітчастих компартментних математичних моделей кіберфізичних медико- біологічних систем 523 Додаток Ф. Використання пакету R для розроблення та дослідження кіберфізичних систем медико-біологічних процесів 526 Ф.1. Пакет R як середовище програмування для статистичного аналізу даних 526 Ф.2. Короткий опис функцій пакета R deSolve 528 Ф.3. Приклад моделювання в пакеті R моделі типу Лотки– Вольтерри 529 Додаток Х. Фрагмент програми для дослідження фазових діаграм кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 533 Додаток Ц. Фрагмент програми для дослідження біфуркаційних діаграм в кіберфізичній біосенсорній системі на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 543 Додаток Ш. Фрагмент програми для дослідження фазових діаграм кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 545 Додаток Щ. Фрагмент програми для дослідження біфуркаційних діаграм в кіберфізичній біосенсорній системі на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 554 Додаток Ю. Фрагмент програми для дослідження електричного сигналу з перетворювача кіберфізичної біосенсорної системи на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із 556 запізненням Додаток Я. Фрагмент програми для дослідження електричного сигналу з перетворювача кіберфізичної біосенсорної системи на гексагональній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням 557 Додаток АА. Список публікацій здобувача за темою дисертації 559 Додаток АБ. Свідоцтва про реєстрацію авторського права на комп’ютерні програми, патент 582 Додаток АВ. Акти впроваджень 597

This thesis deals with the problem of the instantaneous frequency (IF) estimation of sinusoidal signals. This topic plays significant role in signal processing and communications. Depending on the type of the signal, two major approaches are considered. For IF estimation of single-tone or digitally-modulated sinusoidal signals (like frequency shift keying signals) the approach of digital phase-locked loops (DPLLs) is considered, and this is Part-I of this thesis. For FM signals the approach of time-frequency analysis is considered, and this is Part-II of the thesis. In part-I we have utilized sinusoidal DPLLs with non-uniform sampling scheme as this type is widely used in communication systems. The digital tanlock loop (DTL) has introduced significant advantages over other existing DPLLs. In the last 10 years many efforts have been made to improve DTL performance. However, this loop and all of its modifications utilizes Hilbert transformer (HT) to produce a signal-independent 90-degree phase-shifted version of the input signal. Hilbert transformer can be realized approximately using a finite impulse response (FIR) digital filter. This realization introduces further complexity in the loop in addition to approximations and frequency limitations on the input signal. We have tried to avoid practical difficulties associated with the conventional tanlock scheme while keeping its advantages. A time-delay is utilized in the tanlock scheme of DTL to produce a signal-dependent phase shift. This gave rise to the time-delay digital tanlock loop (TDTL). Fixed point theorems are used to analyze the behavior of the new loop. As such TDTL combines the two major approaches in DPLLs: the non-linear approach of sinusoidal DPLL based on fixed point analysis, and the linear tanlock approach based on the arctan phase detection. TDTL preserves the main advantages of the DTL despite its reduced structure. An application of TDTL in FSK demodulation is also considered. This idea of replacing HT by a time-delay may be of interest in other signal processing systems. Hence we have analyzed and compared the behaviors of the HT and the time-delay in the presence of additive Gaussian noise. Based on the above analysis, the behavior of the first and second-order TDTLs has been analyzed in additive Gaussian noise. Since DPLLs need time for locking, they are normally not efficient in tracking the continuously changing frequencies of non-stationary signals, i.e. signals with time-varying spectra. Nonstationary signals are of importance in synthetic and real life applications. An example is the frequency-modulated (FM) signals widely used in communication systems. Part-II of this thesis is dedicated for the IF estimation of non-stationary signals. For such signals the classical spectral techniques break down, due to the time-varying nature of their spectra, and more advanced techniques should be utilized. For the purpose of instantaneous frequency estimation of non-stationary signals there are two major approaches: parametric and non-parametric. We chose the non-parametric approach which is based on time-frequency analysis. This approach is computationally less expensive and more effective in dealing with multicomponent signals, which are the main aim of this part of the thesis. A time-frequency distribution (TFD) of a signal is a two-dimensional transformation of the signal to the time-frequency domain. Multicomponent signals can be identified by multiple energy peaks in the time-frequency domain. Many real life and synthetic signals are of multicomponent nature and there is little in the literature concerning IF estimation of such signals. This is why we have concentrated on multicomponent signals in Part-H. An adaptive algorithm for IF estimation using the quadratic time-frequency distributions has been analyzed. A class of time-frequency distributions that are more suitable for this purpose has been proposed. The kernels of this class are time-only or one-dimensional, rather than the time-lag (two-dimensional) kernels. Hence this class has been named as the T -class. If the parameters of these TFDs are properly chosen, they are more efficient than the existing fixed-kernel TFDs in terms of resolution (energy concentration around the IF) and artifacts reduction. The T-distributions has been used in the IF adaptive algorithm and proved to be efficient in tracking rapidly changing frequencies. They also enables direct amplitude estimation for the components of a multicomponent

Energy recovery ventilation (ERV) systems are designed to decrease the energy consumed by building HVAC systems. ERV’s scavenge sensible and latent energy from the exhaust air leaving a building or space and recycle this energy content to pre-condition the entering outdoor air. A few studies found in the open literature are dedicated to developing detailed numerical models to predict or simulate the performance of energy recovery wheels and desiccant wheels. However, the models are often computationally intensive, requiring a lot of time to perform parametric studies. For example, if the physical characteristics of a study target change (e.g., wheel diameter or depth) or if the system runs at different operating conditions (e.g., wheel rotation speed or airflow rate), the model parameters need to be recalculated. Hence, developing a mapping method with better computational efficiency, which will enable the opportunity to conduct extensive parametric or optimal design studies for different wheels is the goal of this research. In this work, finite difference method (FDM) numerical models of energy recovery wheels and desiccant wheels are established and validated with laboratory test results. The FDM models are then used to provide data for the development of performance mapping methods for an energy wheel or a desiccant wheel. After validating these new mapping approaches, they are employed using independent data sets from different laboratories and other sources available in the literature to identify their universality. One significant characteristic of the proposed mapping methods that makes the contribution unique is that once the models are trained, they can be used to predict performance for other wheels with different physical geometries or different operating conditions if the desiccant material is identical. The methods provide a computationally efficient performance prediction tool; therefore, they are ideal to integrate with transient building energy simulation software to conduct performance evaluations or optimizations of energy recovery/ desiccant wheel integrated HVAC systems.

碩士
國立清華大學
數學系
87
This paper is concerned with periodic system of singular difference equations. The solution to this problem can be repressed in term of generalized inverse of periodic matrix pencil. And the solutions can be applied to the discrete optimal control problem. We can reduce the discrete optimal control problem to a linear discrete boundary value problem. So we may apply the forward theorem to construct the general solution of the discrete boundary value problem. And under suitable assumptions we can prove the boundary value problem is consistent.

This report presents the development of a new family of difference equations for the numerical solution of systems of differential equations arising in electric power circuits. The main advantage of these difference equations is their adjustability, which allows for the tuning of the resulting formulas while using large time steps. The tuned formulas have been used successfully in the time-domain simulation of 50/60-Hz solutions of electric power circuits for linear and non-linear problems. The linear steady state and the non-linear power flow problems can be solved, with no error either in magnitude or in phase, at a comparable computational cost to traditional techniques such as the well-known phasor analysis and Newton-Raphson iterations. Additionally, the techniques developed do not use complex numbers, resulting in a faster matrix factorization for linear systems, or a smaller Jacobian matrix for non-linear systems. The main advantage of the proposed techniques is that due to the time-domain nature of the simulation, where the transition from one time solution to the next represents a small transition between states, the technique is able to closely follow the trajectory of the system even for ill-conditioned power flow problems where traditional Newton-Raphson iterations fail to converge, such as when the system buses are beyond or near the point of voltage collapse. With the proposed novel formulas, the computational cost of generating PV curves across all busses of the power system network is greatly reduced, and the resulting curves clearly show the point of voltage collapse as well as any unstable voltage/power combination thereafter. The ability to quickly obtain PV curves makes the proposed techniques particularly well suited for online power system monitoring of operating states. Also, since these new difference equations introduce very little error for frequencies lower than the tuned frequency, they are also well suited for the solution of dynamic power flow problems such as those resulting from loads variation, transformers tap change, and outages.

Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1994.
Typescript. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves 52-53).

碩士
國立交通大學
應用數學系所
99
In this thesis, we discuss two distinct dynamics of the difference equation ∆[p∆x(t-1)]+qx(t)=f(x(t-1)) or f(x(t)), t∈Z, where ∆x(t-1)=ax(t)-bx(t-1). These two dynamics are the behavior of globally attracting and topological chaos. We have several results. Under some conditions of a, b, p and q, every orbit of the equation asymptotically converges to a global attractor. See theorems 2.2 and 2.3. If there exists a function relating to f which has more than one simple zeros or positive topological entropy at an expected parametric value, then the shift map restricted to the set of solutions of this equation has topological chaos. See theorems 2.6, 2.7, 2.8 and 2.9. Finally, we transform this equation into a parameterized continuous function by changing variables. We can also write it as the form of a discrete Hamiltonian system. For the case f(x(t)), theorem 2.10 says that there exists a function relating to f which has positive topological entropy such that the corresponding function has topological chaos. For the case f(x(t-1)), with an additional assumption that the function relating to f is locally trapping, theorem 2.11 says that the corresponding function has also topological chaos.