Feedback linearization-based vaccination control strategies for true-mass action type SEIR epidemic models

This paper presents a feedback linearization-based control strategy for a SEIR (susceptible plus infected plus infectious plus removed populations) propagation disease model. The model takes into account the total population amounts as a refrain for the illness transmission since its increase makes more difficult contacts among susceptible and infected. The control objective is novel in the sense that the asymptotically tracking of the removed-by-immunity population to the total population while achieving simultaneously the remaining population (i.e. susceptible plus infected plus infectious) to asymptotically converge to zero. The vaccination policy is firstly designed on the above proposed tracking objective. Then, it is proven that identical vaccination rules might be found based on a general feedback linearization technique. Such a formal technique is very useful in control theory which provides a general method to generate families of vaccination policies with sound technical background which include those proposed in the former sections of the paper. The output zero dynamics of the normal canonical form in the theoretical feedback linearization analysis is identified with that of the removed-by-immunity population. The various proposed vaccination feedback rules involved one of more of the partial populations and there is a certain flexibility in their designs since some control parameters being multiplicative coefficients of the various populations may be zeroed. The basic properties of stability and positivity of the solutions are investigated in a joint way. The equilibrium points and their stability properties as well as the positivity of the solutions are also investigated

On some new mathematical models for infective diseases: analysis, equilibrium, positivity and vaccination controls

196 p.Por un lado, cuando la enfermedad se desarrolla mediante la transmisión de los agentes patógenos de un individuo enfermo a otro, como puede ser el caso del SIDA, o la gripe, se le llama enfermedad infecciosa, mientras que las enfermedades no-infecciosas se desarrollan sin la intervención de estos agentes, y normalmente se asocian a predisposiciones genéticas, ambientales o modos de vida específicos. Esto no significa que estas dos categorías no puedan solaparse, por ejemplo, la cirrosis y el cáncer de hígado se asocian firmemente a contraer hepatitis (una enfermedad infecciosa), aunque contraer esta enfermedad no es necesario para que incida el cáncer o la cirrosis. En otra enfermedades, las variables derivadas del ecosistema de los agentes de infección puede aumentar la complejidad de los parámetros de los modelos hasta un nivel donde estos se vuelven inservibles. En tales casos, como en el de las enfermedades causadas por ¿macro parásitos¿ tipo pulgas, trematodos u hongos, no se tienen en cuenta a la hora de modelizar, ya que las circunstancias ambientales en las que se da la infección y el numero de agentes infecciosos tienen tanta influencia en la enfermedad que la complejidad de los modelos aumenta hasta el punto de no poder describir correctamente.Por tanto, los modelos matemáticos mas eficaces se concentran en las enfermedades infecciosas de transmisión ¿rápida¿, donde la densidad de patógenos dentro del anfitrión y su ciclo de vida no son relevantes para el modelo. Epidemias típicas estudiadas suelen ser la gripe, tos ferina, tuberculosis, malaria, dengue, sarampión, difteria, etc¿La mecánica de estas enfermedades epidémicas comparte una serie de parámetros caracterizados por la transmisión de la enfermedad de infectados a no infectados, y típicamente contiene unos periodos de tiempo en donde la enfermedad no ha presentado los síntomas (periodo de incubación) pero el paciente se ha vuelto infectivo para otros. Mas tarde, los infectados muestran síntomas externos (infecciosos) de diferentes tipos e intensidades, dependiendo del tipo de enfermedad e individuos. Al cabo de cierto tiempo, que depende de cada enfermedad, la población infectada puede volver a recobrarse, siendo esta inmune a la enfermedad o susceptible de nuevo a otras infecciones. Los modelos epidémicos se refieren a las diversas clases de subpoblaciones relativas a la enfermedad usando los siguientes acrónimos:¿ La subpoblación susceptible (¿S¿), o la porción de individuos de la población total que es susceptible a ser infectada¿ La subpoblación infectada (¿E¿) son aquellos individuos de la población que ha sido contagiada por la enfermedad pero todavía no es capaz de producir nuevas infecciones. También se les llama población expuesta.¿ La subpoblación infecciosa (¿I¿) esta compuesta de aquellos individuos infectados que son capaces de transmitir la infección a otros individuos.¿ La subpoblación ¿recobrada¿ (¿R¿) se refiere a la población no enferma que no pertenece a la población susceptible. Se entiende que es inmune tras haber pasado la enfermedad y tener defensas activas contra ella, aunque otras veces dicha inmunidad se puede adquirir mediante otros medios.Este es el caso en algunos modelos epidémicos en el que se incluye también una subpoblación extra llamada ¿vacunados¿ (¿V¿).La suma total de las subpoblaciones se denomina población total (¿N¿)De esta forma se presentan una serie de modelos típicos con diferentes niveles de complejidad ¿ Modelos SI (Susceptible/Infeccioso)¿ Modelos SIR (Susceptible/Infeccioso/Recobrado)¿ Modelos SEIR (Susceptible/Expuesto/Infeccioso/Recobrado)¿ Modelos SVEIR (Susceptible/Vacunado/Expuesto/Infeccioso/Recobrado)En estos modelos pueden aplicar una función para representar la vacunación, a la que nos referiremos como Vc. . Según sea la naturaleza específica de las enfermedad y la reacción del sistema inmunitario del huésped, algunas variantes de los modelos, como el anterior, incluyen un nuevo "S" final en su correspondiente acrónimo (cf. SEIRS), como la etapa final de la enfermedad se remonta desde recuperó para susceptible. Dependiendo de la velocidad de la del proceso y el impacto en la salud de la población enferma, las fluctuaciones en la población total se pueden tener en cuenta. Por lo tanto, la tasa de producción de los recién nacidos y las tasas de mortalidad se tienen en cuenta aunque, por simplicidad, a veces la población se supone constante y estos parámetros se omiten en las ecuaciones.A la hora de controlar estas enfermedades hay varios métodos para reducir, en términos estadísticos, la probabilidad de infección sobre la población y la propagación de la enfermedad. Muchos de ellos implican la eliminación de cierta cantidad de individuos susceptibles o infectados de la población (sacrificio), o el aislamiento de lo conocido infectados del resto de los individuos sanos (cuarentena). La medicina tiene una larga historia con esta forma de control de la enfermedad, que en nuestros modelos se convertirían en las leyes de control. Estos métodos son genéricos y pueden aplicarse cuando la información acerca de la enfermedad es mínima. Sin embargo, los recursos necesarios utilizando estos métodos no siempre son menos intrusivo y son necesarios otros métodos más asequibles. Por lo tanto, la vacunación se considera una ley de control y de tal modo hay dos estrategias principales sobre cómo aplicarlas: Vacunación constante y vacunación impulsiva, siendo estas controladas por leyes basadas en datos de las subpoblaciones, etc.Las leyes de control de la vacunación pueden incluir observadores para estimar las subpoblaciones con el fin de sintetizar los controles basados en ellos. Un dato importante a tener en cuenta en relación con la vacunación es la siguiente: los modelos epidémicos nunca son (estado) controlables bajo cualquier ley de control de la vacunación y, lo que es equivalente, los modelos epidémicos siempre muestran (estado) una incontrolabilidad, por lo que no hay una ley de control que permita llevar a todas las subpoblaciones a los valores prescritos en un tiempo finito. La razón intuitiva para esta incontrolabilidad es que los modelos epidémicos describen transiciones entre las subpoblaciones y normalmente una persona que se infecta, siempre que no muere, pasa a lo largo de todas las fases de la enfermedad a través del tiempo por lo que esto hace imposible lograr con capacidad de control de la forma habitual. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la propiedad de "controlabilidad de salida" es un objetivo realizable, si la salida se define con alguna combinación de subpoblación. Por ejemplo, si la salida es la suma de expuestos + infecciosos, puede fijarse como la controlabilidad de salida observada subjetivas para fijar a cero esta salida. Si se define como la suma de los susceptibles + inmunes, puede fijarse como objetivo la controlabilidad de salida para arreglar esta salida para ellos emergente totales.Esta tesis doctoral versa sobre algunas propiedades en la dinámica de las clases de varios de los modelos epidémicos SIRS, SEIRS y SVEIRS. Se le da una mayor relevancia a las propiedades de estabilidad local (alrededor de los puntos de equilibrio) y global, así como a las reglas de vacunación que se implementan con el fin de eliminar asintóticamente la enfermedad y / o para mejorar su comportamiento transitorio hacia a erradicación en la práctica.Nuestros modelos epidémicos se pueden desarrollar ya sea con poblaciones normalizadas o no normalizadas (la población total es de unidad y de las subpoblaciones son fracciones de la unidad cuya suma iguala la unidad). En el primer caso, la evolución en el tiempo de las subpoblaciones se interpreta como un porcentaje de la cantidad de individuos de cada subpoblación en cada instante de tiempo. Otras propiedades de interés en el contexto de las ecuaciones diferenciales o sistemas de tiempo continuo o de tiempo discreto son: i) Estabilidad global/local: La estabilidad global de la población es irrelevante para los modelos normalizados, ya que todas las subpoblaciones están delimitadas para todos los tiempos. En el caso de los modelos de un-normalizada, es de interés en el caso de que la población total es ilimitado.ii) ii) Estabilidad parcial global/local: Es relevante tanto para ambos modelos normalizados/no normalizados, en el sentido de que las subpoblaciones expuestas e infecciosas son candidatas a converger asintóticamente a cero. De la misma forma, la suma de todas las otras subpoblaciones converge asintóticamente al total de la población.iii) iii) La permanencia de la infección: Se relaciona con el caso cuando las subpoblaciones expuestas/infecciosas no pueden eliminarse de manera. Si el modelo es permanente para cualquier condición inicial, entonces el punto de equilibrio libre de enfermedad (es decir, la que tiene cero subpoblaciones infectadas o infecciosas) no puede ser asintóticamente estable. iv) iv) La positividad de la solución: Dada la coherencia de los modelos en relación con la naturaleza de lo descrito, los modelos epidémicos no admiten subpoblaciones negativas. os modelos se describen mediante un conjunto de parámetros, siendo algunos de ellos depende de la especie tratados y algunos de ellos de la enfermedad en particular. En general los parámetros principales son :-Las tasas de natalidad de la población, , que se relacionan con la población que por unidad de tiempo, en promedio. -Las tasa de mortalidad natural relacionada con la muerte de las personas debido a la vejez y causas no relacionada con la enfermedad-A su vez, existe una tasa de mortalidad adicional causado por la enfermedad en la subpoblación infectada. Al igual que en la tasa de mortalidad natural, es proporcional a la inversa la vida, en promedio, de un individuo afectado por la enfermedad.-Ratios de transición de subpoblación infectada a infecciosa, de infecciosa a recuperada y de recuperada a susceptible de nuevoAsimismo, dado que tratamos con enfermedades infecciosas, se tiene en cuenta una constante transmisión de la enfermedad, que se define en función del tipo de modelo utilizado.-R0: número de reproducción básica, que se define como el número promedio de casos secundarios generados a partir de un caso primario medio en una subpopblación totalmente susceptible. Este numero se deriva del resto de los parámetros y depende del tipo de modelos, y en muchos aspectos es fundamental para comprender la naturaleza de las enfermedades y su evolución a través del tiempo. El número básico de reproducción se utiliza para estudiar el impacto global que una enfermedad puede producir en una población, como R0> 1 significaría que el número de personas infectadas aumentará con respecto a la generación anterior, y R0 <1 significaría lo contrario, una disminución del número de infectados. El valor de R0 entonces se obtiene multiplicando el tiempo de infectividad medio de una persona por la tasa media de infección de un individuo en una población libre de enfermedad.Desde un punto de vista matemático, sin embargo, este individuo infectado solitario en una población libre de enfermedad se considera una perturbación del estado libre de enfermedad, uno de los muchos posibles pequeños cambios realizados en un estado de equilibrio. Entonces, dadas las ecuaciones diferenciales que regulan la dinámica de estos modelos, el efecto general de cualquier perturbación en la evolución del sistema cuando está en un estado de equilibrio se puede calcular. Dada una serie de ecuaciones de la dinámica del sistema, podemos obtener la matriz jacobiana en el punto libre de enfermedad. Entonces, la obtención de los autovalores de esta matriz nos dará las tendencias (cuando las perturbaciones realizadas son pequeñas) a aumentar o disminuir de los diversos tipos de alteraciones que se pueden hacer a este estado libre de enfermedad. Cuando los autovalores son negativos, el sistema reacciona disminuyendo las subpoblaciones que han subido conforme al autovector asignado a dicho autovalor, y aumentar las subpoblaciones que han disminuido, hasta llegar otra vez al estado libre de enfermedad. Por lo tanto, se puede decir que el estado de equilibrio es, por lo menos, localmente estable.El numero de reproducción uno manifestación de todos los valores propios de la matriz jacobiana en el equilibrio. Considere un modelo SIR como en la sección anterior con un muerto y tarifas un recién nacido ¿ y ¿ respectivamente. La matriz Jacobiana característicaEl papel del número de reproducción en el estudio de la enfermedad no sólo se limitará a hacer predicciones sobre el estado libre de la enfermedad. En condiciones R0 también puede ser un parámetro útil en el estudio de otros estados de equilibrio de las enfermedades, donde la definición inicial hecha por los epidemiólogos no se puede aplicar a las situaciones específicas

Robust Sliding Control of SEIR Epidemic Models

This paper is aimed at designing a robust vaccination strategy capable of eradicating an infectious disease from a population regardless of the potential uncertainty in the parameters defining the disease. For this purpose, a control theoretic approach based on a sliding-mode control law is used. Initially, the controller is designed assuming certain knowledge of an upper-bound of the uncertainty signal. Afterwards, this condition is removed while an adaptive sliding control system is designed. The closed-loop properties are proved mathematically in the nonadaptive and adaptive cases. Furthermore, the usual sign function appearing in the sliding-mode control is substituted by the saturation function in order to prevent chattering. In addition, the properties achieved by the closed-loop system under this variation are also stated and proved analytically. The closed-loop system is able to attain the control objective regardless of the parametric uncertainties of the model and the lack of a priori knowledge on the system.This work was partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through Grant no. DPI2012-30651, the Basque Government (Gobierno Vasco) through Grant no. IE378-10, and by the University of the Basque Country through Grant no. UFI 11/07

An observer-based vaccination control law for an Seir epidemic model based on feedback linearization techniques for nonlinear systems

This paper presents a vaccination strategy for fighting against the propagation of epidemic diseases. The disease propagation is described by an SEIR (susceptible plus infected plus infectious plus removed populations) epidemic model. The model takes into account the total population amounts as a refrain for the illness transmission since its increase makes the contacts among susceptible and infected more difficult. The vaccination strategy is based on a continuous-time nonlinear control law synthesised via an exact feedback input-output linearization approach. An observer is incorporated into the control scheme to provide online estimates for the susceptible and infected populations in the case when their values are not available from online measurement but they are necessary to implement the control law. The vaccination control is generated based on the information provided by the observer. The control objective is to asymptotically eradicate the infection from the population so that the removed-by-immunity population asymptotically tracks the whole one without precise knowledge of the partial populations. The model positivity, the eradication of the infection under feedback vaccination laws and the stability properties as well as the asymptotic convergence of the estimation errors to zero as time tends to infinity are investigated

Model of strategy control for delayed panic spread in emergencies

In emergencies similar to virus spreading in an epidemic model, panic can spread in groups, which brings serious bad effects to society. To explore the transmission mechanism and decision-making behavior of panic, a government strategy was proposed in this paper to control the spread of panic. First, based on the SEIR epidemiological model, considering the delay effect between susceptible and exposed individuals and taking the infection rate of panic as a time-varying variable, a SEIR delayed panic spread model was established and the basic regeneration number of the proposed model was calculated. Second, the control strategy was expressed as a state delayed feedback and solved using the exact linearization method of nonlinear control system; the control law for the system was determined, and its stability was proven. The aim was to eradicate panic from the group so that the recovered group tracks the whole group asymptotically. Finally, we simulated the proposed strategy of controlling the spread of panic to illustrate our theoretical results

A vaccination strategy based on linearization control techniques for fighting against epidemic diseases propagation

This paper presents a vaccination strategy for fighting against the propagation of epidemic diseases. The disease propagation is described by a SIRS (susceptible plus infected plus recovered populations) epidemic model. The model takes into account that the recovered individuals lose the disease immunity after a finite time period. A control technique based on a model linearization approach is used to design the vaccination strategy in order to eradicate the infection from the population. Moreover, the controlled system is guaranteed to be positive and stable under such a vaccination control strategy. A simulation example illustrates the theoretical results relative to the stability and positivity of the controlled system while guaranteeing the eradication of the epidemics

A vaccination strategy based on linearization control techniques for fighting against epidemic diseases propagation

This paper presents a vaccination strategy for fighting against the propagation of epidemic diseases. The disease propagation is described by a SIRS (susceptible plus infected plus recovered populations) epidemic model. The model takes into account that the recovered individuals lose the disease immunity after a finite time period. A control technique based on a model linearization approach is used to design the vaccination strategy in order to eradicate the infection from the population. Moreover, the controlled system is guaranteed to be positive and stable under such a vaccination control strategy. A simulation example illustrates the theoretical results relative to the stability and positivity of the controlled system while guaranteeing the eradication of the epidemics

Stability analysis and observer design for discrete-time SEIR epidemic models

This paper applies Micken's discretization method to obtain a discrete-time SEIR epidemic model. The positivity of the model along with the existence and stability of equilibrium points is discussed for the discrete-time case. Afterwards, the design of a state observer for this discrete-time SEIR epidemic model is tackled. The analysis of the model along with the observer design is faced in an implicit way instead of obtaining first an explicit formulation of the system which is the novelty of the presented approach. Moreover, some sufficient conditions to ensure the asymptotic stability of the observer are provided in terms of a matrix inequality that can be cast in the form of a LMI. The feasibility of the matrix inequality is proved, while some simulation examples show the operation and usefulness of the observer