No description available.

<p> The performance index in teleoperation, transparency, is often defined as linear scaling of force and position between the master/ operator and slave/ environment. Motivated by applications involving soft tissue manipulation such as robotic surgery, the transparency objective is generalized in this thesis to include static nonlinear and linear-time-invariant filter mappings between the master I slave position and force signals. Lyapunov-based adaptive motion/ force controllers are proposed to achieve the generalized transparency objectives. Using Lyapunov stability theory the mapped position and force tracking errors are shown to converge in the presence of dynamic uncertainty in the master I slave robots and user I environment dynamics. Given a priori known bounds on unknown dynamic parameters, a framework for robust stability analysis is proposed that uses stability of Lur'ePostinkov systems and Nyquist/Bode envelopes of interval plant systems. Methods for finding the required Nyquist/Bode envelopes are presented in this thesis. A comprehensive stability analysis is performed under different sets of generalized mappings. For nonlinear mapping of either position or force, robust stability depends on stability of an equivalent Lur'e-Postinikov system. Stability results of such systems are discussed in this thesis. In particular, the on and off-axis circle theorems are utilized. Using these theorems, sufficient teleoperation stability regions are obtained that are far less conservative than those obtained from passivity. In the special case of LTI filtered force and position mappings the exact robust stability regions are obtained by showing stability of the relevant closed-loop characteristic polynomial. The proposed robust stability test uses the phase values of a limited set of extremal polynomials. </p> <P> To demonstrate the utility of the generalized performance measures, a stiffness discrimination tele-manipulation task is considered in which the user compares and contrasts the stiffness of soft environments via haptic exploration in the presence and absence of visual feedback. Using adaptive psychophysical perception experiments a nonlinear force mapping is shown to enhance stiffness discrimination thresholds. The design guidelines for this enhanced nonlinear force mapping are reported in this thesis. Generalized nonlinear and linear filtered mappings are achieved in experiments with a two-axis teleoperation system where the details of implementation are given. </p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Evaluation of the seismic stability of slopes often involves an estimate of the expected sliding displacements. This evaluation requires a suite of acceleration-time histories as input motions. The methods of selecting and scaling these motions can affect the computed sliding displacements. Linear scaling of recorded ground motions and modification of recorded motions by spectral matching are common approaches used for ground motion selection and these approaches were used in this study to select motions for use in sliding displacement analyses. Rigid sliding block analyses and decoupled flexible sliding block analyses were performed using a suite of linearly scaled motions and a suite of spectrally matched motions. . Generally, the spectrally matched motions predict 10 to 30%, on average, smaller displacements and significantly less variability than the linearly scaled motions, when both suites of input motions were developed to match the same acceleration response spectrum. When both suites of input motions were developed to match the same peak ground velocity and acceleration response spectrum, the spectrally matched motions generally predict 5 to 15%, on average, larger displacements than the linearly scaled motions. Because ground motion parameters beyond acceleration response spectrum affect the computed sliding displacement, parameters such as peak ground acceleration (PGA), peak ground velocity (PGV) and mean period (T[subscript m]) should be considered in selecting and scaling motions for use in sliding displacement analyses. / text

A first-principles linear scaling real-space method for investigating non-collinear magnetic behaviour of nanostructured materials has been developed. With this method, the magnetic structures of small supported transition metal clusters have been examined. The geometric constraints imposed on the clusters by the underlying surface is found to cause non-collinear behaviour for V, Cr, and Mn clusters on Cu(111). Fe clusters supported on Cu and Ni have been studied and both spin and orbital moments are found to be enhanced for the Fe atoms, which is attributed to the recuced symmetry present at the surface. Atoms in Co clusters have been found to order antiferromagnetically, and some times in a non-collinear fasion, when deposited on a W surface. Small clusters of fcc Fe embedded in Cu have been examined and a new type of ordering, not present in larger fcc Fe systems was found. Several theoretical studies of Fe and Co based nanostructures consisting of multilayers or embedded clusters have been conducted, with the aim of predicting high moment materials for use in data storage applications. In agreement with previous experiments an enhancement of the magnetic moment is found compared to the magnetic moment of bcc Fe. The enhancement has been shown to be caused by increased spin moments for Fe atoms in close proximity with Co atoms, and this enhancement depends on the number of Co neighbours. As a result of these studies, a possible method of increasing the magnetic moment of cluster based materials has been proposed. Fermi surface analysis have been performed both on bulk materials, in order to investigate mechanisms for stabilizing non-collinear magnetic states, and in layered structures where the effect of the Fermi surface on the interlayer exchange coupling has been investigated. In addition to the development of a real-space electronic structure method for non-collinear magnetism, a density matrix purification method has been implemented in the framework of linear muffin-tin orbitals.

Alors que les approches standards de résolution de la structure électronique présentent un coût de calcul à la puissance 3 par rapport à la complexité du problème, des solutions permettant d’atteindre un régime asymptotique linéaire,O(N), sont maintenant bien connues pour le calcul de l'état fondamental. Ces solutions sont basées sur la "myopie" de la matrice densité et le développement d'un cadre théorique permettant de contourner le problème aux valeurs propres. La théorie des purifications de la matrice densité constitue une branche de ce cadre théorique. Comme pour les approches de type O(N) appliquées à l'état fondamental,la théorie des perturbations nécessaire aux calculs des fonctions de réponse électronique doit être révisée pour contourner l'utilisation des routines coûteuses.L'objectif est de développer une méthode robuste basée uniquement sur la recherche de la matrice densité perturbée, pour laquelle seulement des multiplications de matrices creuses sont nécessaires. Dans une première partie,nous dérivons une méthode de purification canonique qui respecte les conditions de N-representabilité de la matrice densité à une particule. Nous montrons que le polynôme de purification obtenu est auto-cohérent et converge systématiquement vers la bonne solution. Dans une seconde partie, en utilisant une approche de type Hartree-Fock, nous appliquons cette méthode aux calculs des tenseurs de réponses statiques non-linéaires pouvant être déterminés par spectroscopie optique. Au delà des calculs à croissance linéaire réalisés, nous démontrons que les conditions N-representabilité constituent un prérequis pour garantir la fiabilité des résultats. / Whereas standard approaches for solving the electronic structures present acomputer effort scaling with the cube of the number of atoms, solutions to overcomethis cubic wall are now well established for the ground state properties, and allow toreach the asymptotic linear-scaling, O(N). These solutions are based on thenearsightedness of the density matrix and the development of a theoreticalframework allowing bypassing the standard eigenvalue problem to directly solve thedensity matrix. The density matrix purification theory constitutes a branch of such atheoretical framework. Similarly to earlier developments of O(N) methodology appliedto the ground state, the perturbation theory necessary for the calculation of responsefunctions must be revised to circumvent the use of expensive routines, such asmatrix diagonalization and sum-over-states. The key point is to develop a robustmethod based only on the search of the perturbed density matrix, for which, ideally,only sparse matrix multiplications are required. In the first part of this work, we derivea canonical purification, which respects the N-representability conditions of the oneparticledensity matrix for both unperturbed and perturbed electronic structurecalculations. We show that this purification polynomial is self-consistent andconverges systematically to the right solution. As a second part of this work, we applythe method to the computation of static non-linear response tensors as measured inoptical spectroscopy. Beyond the possibility of achieving linear-scaling calculations,we demonstrate that the N-representability conditions are a prerequisite to ensurereliability of the results.

Les aluminophosphates microporeux AlPO4-n possèdent un large potentiel d'applications en tant que catalyseurs et adsorbants, et présentent une affinité très particulière avec l'eau. L'hydratation de ces composés à structure zéolithique provoque généralement une modification réversible de leur structure, ce qui entraîne une altération de leurs propriétés. Ici, l'utilisation conjointe de résultats expérimentaux (RMN de l'aluminium et du phosphore, diffraction des rayons X, analyse thermique, spectroscopie infrarouge) et de calculs théoriques basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) amène une meilleure compréhension des interactions entre molécules d'eau et AlPO4-n.<br /> L'étude d'une structure modèle, l'AlPO4-34, apporte des informations sur le comportement de l'eau dans les pores. Elle permet également de présenter les mécanismes d'hydratation et de déshydratation et de proposer une phase partiellement hydratée, en accord avec des résultats expérimentaux. Une synergie est proposée entre la diffraction et une approche par dynamique moléculaire. Une description des domaines de stabilité des phases hydratées est aussi développée.<br /> A l'aide de cette approche théorique, de nouvelles structures sont ensuite étudiées. Tout d'abord, grâce à la diffraction des rayons X et des calculs DFT, la maille complète de l'AlPO4-36 calciné déshydraté est décrite. Ensuite, une étude expérimentale détaillée est complétée par une approche théorique statique et dynamique pour proposer des éléments de réponses sur la phase hydratée de l'AlPO4-18.<br /> Afin de généraliser l'étude à des mailles plus complexes et des temps de calcul plus courts, une comparaison des méthodes théoriques avec des bases d'ondes planes ou des bases d'orbitales localisées est effectuée. Ce comparatif fournit, après optimisation de la base, des résultats structuraux similaires entre les deux méthodes. Enfin, une approche d'ordre N est mise en oeuvre avec succès sur les structures microporeuses étudiées.

Les signaux accélérométriques enregistrés lors de l’occurrence d’un événement sismique est très large présentent une forte variabilité, par conséquent ils ne sont pas utilisé dans les analyse dynamiques de tenue sismique des structures. En effet, l’utilisation des accélérogrammes réels, pour les analyses dynamiques non linéaires, s’avère couteuse en termes de temps de calcul. La pratique courante prévoit la minimisation (voir suppression) de telle variabilité, mais les conséquences d’une telle opération sur la réponse des structures ne sont pas clairement indiquées. L’étude ci-présente a pour scope la quantification de l’impact des méthodes de sélection qui gardent la variabilité du signal sur les résultats de l’analyse de la réponse des structures (exprimée en termes d’engineering demand parameters EDPs). En particulier les questions suivantes seront investiguées :Quel est le niveau de variabilité des accélérogrammes réels et comment ce niveau est modifié par les techniques couramment utilisées ?Quelle est l’impact de la variabilité sur la réponse de plusieurs types de structures ?Pour un scénario sismique donné, un spectre cible est défini à partir de plusieurs équation de prédiction du mouvement sismique, sélection parmi celles disponibles en littérature. Les accélérogrammes sont sélectionnés à partir de quatre familles d’accélérogrammes, chacune relative à une méthode de modification : réels (enregistrés); mise à l’échelle (multiplication, par un facteur) ; calés aux spectres cibles avec large tolérance ; calés aux spectres cibles dans une plage de tolérance étroite.Chaque jeu de signaux est composé de cinq accélérogrammes et la sélection des signaux est faite en tenant compte de deux sources de variabilité : la variabilité au sein de chaque jeu de données (intraset), et la variabilité entre les différents jeux de données (interset) tous compatibles avec le même spectre cible. Les tests sur les EDPs menés sur les signaux accélérométriques réels mènent à la quantification de la variabilité naturelle (pour le scénario considéré). Les analyses basées sur les signaux réels sont utilisés comme benchmark afin d’évaluer non seulement de combien la distribution des EDPs (en termes de valeur moyenne et variabilité) est réduite par les différentes méthodes testées, mais aussi d’évaluer l’impact des choix de l’équation de prédiction du mouvement, des plages de tolérance, du nombre d’accélérogrammes constituant chaque jeu, du nombre de jeux, de le scope de l’analyse structurale et le modèle de structure.Ce travaille nous conduit à conclure que un seul jeu d’accélérogramme, tel qu’utilisé dans la pratique courante, est insuffisant pour assurer le niveau d’EDPs indépendamment de la méthode de modification utilisés, cela est lié à la variabilité des signaux et entre les jeux d’accélérogrammes. Les signaux réels, compatibles avec le spectre définis pour le scénario sismique, are l’option plus réaliste pour l’analyse dynamique non-linéaire ; si une méthode de modification du signal est nécessaire, la plus adaptées dépend du scope de l’analyse spectrale et du modèle. Le choix de l’équation de prédiction du mouvement sismique utilisée pour définir le spectre cible impacte significativement les caractéristiques des mouvements sismiques et des EDPs. Cette observation ne dépend pas de la stratégie de de modification du signal. / The observed variability is very large among natural earthquake records, which are not consolidated in the engineering applications due to the cost and the duration. In the current practice with the nonlinear dynamic analysis, the input variability is minimized, yet without clear indications of its consequences on the output seismic behavior of structures. The study, herein, aims at quantifying the impact of ground motion selection with large variability on the distribution of engineering demand parameters (EDPs) by investigating the following questions:What is the level of variability in natural and modified ground motions?What is the impact of input variability on the EDPs of various structural types?For a given earthquake scenario, target spectra are defined by ground motion prediction equations (GMPEs). Four ground motion modification and selection methods such as (1) the unscaled earthquake records, (2) the linearly scaled real records, (3) the loosely matched spectrum waveforms, and (4) the tightly matched waveforms are utilized. The tests on the EDPs are performed on a record basis to quantify the natural variability in unscaled earthquake records and the relative changes triggered by the ground motion modifications.Each dataset is composed by five accelerograms; the response spectrum compatible selection is then performed by considering the impact of set variability. The intraset variability relates to the spectral amplitude dispersion in a given set, and the interset variability relates to the existence of multiple sets compatible with the target.The tests on the EDPs are performed on a record basis to quantify the natural variability in unscaled earthquake records and the relative changes triggered by the ground motion modifications. The distributions of EDPs obtained by the modified ground motions are compared to the observed distribution by the unscaled earthquake records as a function of ground motion prediction equations, objective of structural analysis, and structural models.This thesis demonstrates that a single ground motion set, commonly used in the practice, is not sufficient to obtain an assuring level of the EDPs regardless of the GMSM methods, which is due to the record and set variability. The unscaled real records compatible with the scenario are discussed to be the most realistic option to use in the nonlinear dynamic analyses, and the ‘best’ ground motion modification method is demonstrated to be based on the EDP, the objective of the seismic analysis, and the structural model. It is pointed out that the choice of a GMPE can provoke significant differences in the ground motion characteristics and the EDPs, and it can overshadow the differences in the EDPs obtained by the GMSM methods.

La compréhension des enzymes et de leurs mécanismes catalytiques est d'une grande importance dans le développement de médicaments plus efficaces Pour mieux appréhender ces phénomènes, différentes approches théoriques comme les méthodes QM, MM-MD et QM/MM, peuvent être utilisées. L'objectif principal de cette thèse est d'obtenir une meilleure compréhension des mécanismes de réactivité et de la dynamique de l'enzyme GABA-AT (y-aminobutyric acid aminotransferase), un modèle d'enzyme dépendante au phosphate pyridoxal (PLP). Notre travail a consisté en 5 étapes vers une plus grande compréhension de GABA-AT. 1) la réaction et le mode d'attachement du substrat naturel GABA ont été étudié pour différents isomères à l'aide de systèmes modèles et de la DFT. 2) l'enzyme a été simulée par dynamique moléculaire classique dans les cas de l'apoenzyme, l'holoenzyme et l'holoenzyme inactivée. Nos résultats montrent que plusieurs résidus du site actif jouent un rôle important et que leur état de protonation ainsi que celui du PLP sont cruciaux dans l'activité de GABA-AT. 3) l'influence des résidus du site actif sur la réactivité a été étudiée par la modélisation quantique de clusters moléculaires. Le plus gros cluster comprenait 165 atomes entouré d'un solvant implicite. 4) de nouvelles routines de diagonalisation pour SEBOMD ont été incorporées dans la suite AMBER à travers l'utilisation des bibliothèques LAPACK et SCALAPACK. Ces nouvelles routines ont été testées et leur efficacité a été évaluée. 5) des énergies libres de réaction ont été évaluées par dynamiques SEBOMD sur des intermédiaires réactionnels GABA-PLP / Understanding enzymes and their catalytic mechanisms is very important in order to develop more effective drugs having little to no side effects. In order to decipher the catalytic behavior of enzymes, different approaches such as QM, MM-MD, and QM/MM can be used and their results can be correlated. The main aim of this thesis is to get a deeper understanding of the mechanistic insights of the reactivity and of the dynamics of the pyridoxal-5-phosphate (PLP) dependent enzyme y-aminobutyric acid aminotransferase (GABA-AT). Because GABA-AT resembles many other PLP-dependent enzymes, understanding it could be of importance for the broad community of biochemists and computational chemists who study such class of proteins. Our work has consisted of five stages to pursuit the comprehension of GABA-AT. First, the reaction and the preferred binding mode of the natural substrate GABA has been elucidated with different isomers by means of model systems with DFT. Second, the dynamics and the behavior of the enzyme has been studied with MM-MD through the use of apoenzyme, holoenzyme and holoenzyme with an inactivator. Third, the effect of the active site residues in the inactivation mechanism has been investigated with the modelling of clusters at the QM level involving key residues. Fourth, new diagonalization routines for the SEBOMD (SemiEmpirical Born-Oppenheimer Molecular Dynamics) approach implemented in the Amber suite of programs, have been incorporated using LAPACK and SCALAPACK libraries, tested and evaluated to optimize the diagonalization procedure of the Fock matrix. Fifth, reaction free energies of PLP containing systems have been investigated with SEBOMD simulations

This thesis concerns methods of reduced complexity for electronic structure calculations.  When quantum chemistry methods are applied to large systems, it is important to optimally use computer resources and only store data and perform operations that contribute to the overall accuracy. At the same time, precarious approximations could jeopardize the reliability of the whole calculation.  In this thesis, the self-consistent field method is seen as a sequence of rotations of the occupied subspace. Errors coming from computational approximations are characterized as erroneous rotations of this subspace. This viewpoint is optimal in the sense that the occupied subspace uniquely defines the electron density. Errors should be measured by their impact on the overall accuracy instead of by their constituent parts. With this point of view, a mathematical framework for control of errors in Hartree-Fock/Kohn-Sham calculations is proposed.  A unifying framework is of particular importance when computational approximations are introduced to efficiently handle large systems. An important operation in Hartree-Fock/Kohn-Sham calculations is the calculation of the density matrix for a given Fock/Kohn-Sham matrix. In this thesis, density matrix purification is used to compute the density matrix with time and memory usage increasing only linearly with system size. The forward error of purification is analyzed and schemes to control the forward error are proposed. The presented purification methods are coupled with effective methods to compute interior eigenvalues of the Fock/Kohn-Sham matrix also proposed in this thesis.New methods for inverse factorizations of Hermitian positive definite matrices that can be used for congruence transformations of the Fock/Kohn-Sham and density matrices are suggested as well. Most of the methods above have been implemented in the Ergo quantum chemistry program. This program uses a hierarchic sparse matrix library, also presented in this thesis, which is parallelized for shared memory computer architectures. It is demonstrated that the Ergo program is able to perform linear scaling Hartree-Fock calculations. / QC 20100908

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird eine Tight-Binding-Formulierung der Korringa-Kohn-Rostoker-Greenschen-Funktionsmethode vorgestellt. Dabei werden mittels eines geeignet gewählten Referenzsystems abgeschirmte Strukturkonstanten konstruiert. Es werden die Vorteile und Grenzen dieser Transformation des Formalismus diskutiert. Es wird gezeigt, daß der numerische Aufwand zur erechnung der Elektronenstruktur von Systemen mit langgestreckter Elementarzelle linear mit der Systemgröße wächst. Damit ist eine Behandlung von Systemen mit 500 und mehr Atomen pro Elementarzelle möglich. Anhand von umfangreichen Testrechnungen kann demonstriert werden, daß das neue Verfahren bezüglich seiner Genauigkeit mit dem traditionellen KKR-Verfahren vergleichbar ist. Es werden Anwendungen zur Berechnung der Elektronenstruktur sowie zur Zwischenlagenaustauschkopplung von Co/Cu(100)-Vielfachschichten vorgestellt. / A newly developed ab initio tight-binding-formulation of the Korringa-Kohn-Rostoker-Green's function method for layered systems is presented. Screened structure constants are calculated by means of a repulsive reference system. Advantages and limits of this transformation of the formalism are discussed in detail. The numerical effort for self consistent electronic structure calculations of systems with a large prolonged supercell scales linearly with the system size. Systems with up to 500 atoms per unit cell can be treated easily. The accuracy of the new method is of the same order as the traditional KKR method. Applications to electronic structure calculations and magnetic interlayer exchange coupling in Co/Cu(100) multilayers are presented.