There is no abstract available for this dissertation. / Department of Physics and Astronomy

Power Hardware In Loop (PHIL) simulation is a test method where equipment intended for field application can be debugged and tested in the factory by connecting to a virtual power system model simulated on a real-time simulator. Hence the PHIL simulation may be very effective in developing, debugging and commissioning power equipment. However, due to imperfections (e.g., time delay, noise injection, phase lag, limited bandwidth) in the power interface, simulations in this method show errors or even instable results. This thesis presents means to improve the simulation accuracy of the PHIL simulation. In order to achieve this, a simulation model is constructed for the PHIL simulation process itself. Using simulation, the sensitivity of the simulation to parameters in the interface equipment as well as interface software is thoroughly investigated. One interesting result is that the simulation is significantly affected by phase delay. Based on the analysis, an improved algorithm that uses additional interface filters (implemented in hardware and/or software) is proposed. The thesis shows that more stable and accurate results can be obtained by using the new algorithm. The validity of the proposed methods is verified through a simulation based study and hardware based studies.

This dissertation describes several techniques to improve performance and controllability of large-scale rigid body simulations. We first describe a statistical simulation method that replaces certain stages of rigid body simulation with a statistically- based approximation. We begin by collecting statistical data regarding changes in linear and angular momentum for collisions of a given object. From the data, we extract a statistical ”signature” for the object, giving a compact representation of the object’s response to collision events. During object simulation, both the collision detection and the collision response calculations are replaced by simpler calculations based on the statistical signature. In addition, based on our statistical simulator, we develop a mixed rigid body simulator that combines an impulse-based with a statistically-based collision response method. This allows us to maintain high accuracy in important parts of the scene while achieving greater efficiency by simplifying less important parts of the simulation. The resulting system gives speedups of more than an order of magnitude on several large rigid body simulations while maintaining high accuracy in key places and capturing overall statistical behavior in other places. Also, we introduce two methods for directing pile behavior to form the desired shapes. To fill up the space inside the desired shapes and maintain the stability of the desired pile shapes, our methods analyze the configurations and status of all objects and properly select some candidates to have their degrees of freedom (DOFs) reduced. Our first method utilizes the idea of angles of repose to perform the analysis. According to the desired angle of repose, we create an additional spatial structure to track the piling status and select suitable objects to reduce their DOFs. In our second method, we adapt equilibrium analysis in a local scheme to find “stable” objects of the stacking structure. Then, we restrict their DOFs by adding constraints on them for stabilizing the structure. Overall, our directing methods generate a wider variety of piled structures than possible with strict physically-based simulation.

Dissertation (Ph.D.)--Auburn University, / Abstract. Vita. Includes bibliographic references (p.159-171).

La traction ferroviaire est apparue au XIXème siècle. Son développement est dû au fait qu’elle permet le déploiement de modes de transports de masses, économiques, fiables et sécurisés. Il a été rendu possible par la mise en œuvre de moyens techniques et humains considérables qui doivent perdurer pour assurer son bon fonctionnement. Nous aurions tort de penser qu’il est aisé de faire circuler des trains à grandes vitesses à 3 minutes d’intervalle pour assurer le meilleur service possible tout en garantissant la sureté des voyageurs par exemple. Ceci rend la problématique ferroviaire particulière, et intéressante, car elle se situe à l’interface de différents métiers qui doivent tous être coordonnés.La difficulté d’évaluation des situations ferroviaires a mené au développement d’outils de simulation spécifiques dont il est aujourd’hui impossible de se priver pour entretenir, modifier ou étendre le réseau. Ces travaux se focalisent ainsi sur les outils d’aide au dimensionnement des installations de tractions électrique. Ces dernières constituent le cœur même du système puisque c’est à travers elles que le réseau s’alimente en énergie. Le coût énergétique a toujours été au centre des préoccupations et est à nouveau la raison profonde qui motive ces travaux. En effet, si le réseau n’a jamais cessé d’évoluer avec l’émergence de nouvelles technologies visant à diminuer le coût énergétique, la tendance va aujourd’hui en s’accélérant pour chercher et développer de nouveaux de dispositifs ou mode d’exploitation autorisant des économies substantielles. Se posent alors les problématiques liées à la recherche de telles solutions et à leur déploiement. Les considérations techniques liées à leur intégration au sein du réseau, leur intérêt économique, … doivent être étudié selon des modèles assurant un bon degré de précision. Les outils de simulation doivent donc être en mesure de lier au sein d’une même modélisation, d’un même environnement informatique, des problématiques connexes comme le déplacement des trains sur le réseau et le fonctionnement du réseau d’installations électriques (tels les simulateurs existants) et également considérer des modèles spécifiques permettant l’étude de nouvelles solutions (tel les smart grid, l’élaboration d’un trafic coordonnée optimal du point de vue énergétique …). Nous présentons alors le sujet de cette thèse qui traite de la conception d’un simulateur évolutif dont le modèle est élaboré pour prendre en compte les technologies futures et donc être un système ouvert.Nous avons deux objectifs majeurs. D’une part nous devons être en mesure de réaliser un modèle de réseau électrique ferroviaire qui assure le même degré de finesse du réseau que les modèles déjà en place. Vu les enjeux liés à la qualification des résultats nous nous imposons de réutiliser les modèles existant au maximum. Ceci met bien sur des contraintes supplémentaires de réalisation. D’autre part l’architecture que nous proposons (et le modèle informatique de cette architecture) doit pouvoir évoluer facilement. Afin de pouvoir garantir ces objectifs nous devons dissocier clairement les modèles physiques des problèmes liés à l’architecture logicielle elle-même Nous cherchons donc à proposer un environnement selon une approche originale qui s’inscrit dans une démarche d’ingénierie dirigée par les modèles. / The rail traction appeared in the nineteenth century. Its development is due to the fact that it allows the deployment of mass transport modes, economic, reliable and secure. It was made possible by the implementation of considerable resources - technical and human - that have to perdure in order to ensure proper railway network operation. It would be wrong to think that it is easy to circulate to high speed trains to 3 minutes apart to ensure the best possible service while ensuring the safety of passengers. This makes the railway problematic special and interesting because it lies at the interface of different trades which must be coordinated.The difficulty of assessing situations rail led to the development of specific simulation tools. Now they can't be ignore to maintain, modify or expand the network. Therefore this work will focus on simulation tools that aid to the design of railway power supply installations. These are the very heart of the system since they provides the power through the system. The energy cost has always been a central concern and it is again the underlying reason that motivates this work. Indeed, if the network has continued to evolve with the emergence of new technologies to reduce the energy cost, the trend is accelerating today to seek and develop new devices or operating mode that allow substantial savings. This raises issues related to the search for such solutions and their deployment. The technical considerations related to their integration within the network, their economic interest ... shall be considered as models ensuring a good degree of accuracy. Simulation tools must be able to link in a same model - the same computing environment - related problems such as movement of trains on the network and the operation of the network power supply installations (such existing simulators) and also consider specific models for the study of new solutions (such as the smart grid, the development of an optimal coordinated traffic ...). Then we present this thesis which deals with the design of an evolutionary simulator whose the model is developed to accommodate future technologies and thus must be an open system.We have two major objectives. On the one hand we have to be able to realize a railway simulator that provides the same degree of finesse that models already in place. Given the issues qualifying results we impose reuse existing models to the maximum. This puts additional stress on designing the simulator. On the other hand the architecture we propose (and the computer model of this architecture) must evolve easily. In order to ensure these objectives we must clearly separate the physical models of problems related to software architecture itself. Therefore we offer an environment using an original approach that fits the approach of model driven architecture.

Plus de deux décennies de progrès technologiques dans le contrôle de la qualité de la croissance, du dopage et dans la conception de composants ont conduit à l'émergence de nouvelles potentialités pour des applications d'électronique de puissance. Comme le diamant représente le semi-conducteur ultime en raison de ses propriétés physiques supérieures, des efforts ont été réalisés pour développer divers dispositifs électroniques, tels que des diodes Schottky, des transistors à effet de champ (MOSFET), transistor bipolaire, jonctions pin ...Le développement d'outils de simulation capables d'anticiper les propriétés électriques des dispositifs électroniques ainsi que leur architecture pour profiter pleinement des propriétés physiques du diamant est une condition préalable à la mise au point de nouveaux composants de puissance. D'autre part, l'étude expérimentale du contact de grille, la deuxième brique élémentaire du transistor, est fondamentale en vue de développer des dispositifs de haute performance. À cet égard, on peut considérer plusieurs questions ouvertes: (i) Les outils de simulation sont-ils capables de prendre en compte les spécificités du diamant pour modéliser les composants électroniques? (ii) L'oxyde d'aluminium est-il approprié pour développer un contact de grille de transistor? (iii) Si oui, l'interface oxyde/diamant est-elle d'assez bonne qualité? (iv) La fabrication d'un MOSFET en diamant est-elle un obstacle technologique?Ce projet de doctorat, vise à répondre à ces questions et à ouvrir la voie vers la réalisation du MOSFET à canal d'inversion.Les propriétés physiques du diamant seront soulignées et aideront à comprendre pourquoi ce matériau est le semi-conducteur ultime. L'état de l'art des dispositifs en diamant sera présenté en se concentrant sur des transistors à effet de champ. L'anticipation des propriétés électriques et de l'architecture grâce à des logiciels de simulation basés sur la méthode des éléments finis constitue un sujet complémentaire. Ainsi, le besoin d'outils de simulation fiables sera présenté.D'une part, les principaux modèles mis en œuvre dans les outils de simulation seront présentés en insistant sur les propriétés électriques du diamant. Pour la simulation du MOSFET diamant, l'étude de deux briques élémentaires est nécessaire: la jonction pn et le contact de grille. Les propriétés idéales de la grille seront présentées tandis que la jonction pn servira de base pour le calibrage des paramètres physiques mises en œuvre dans le logiciel de simulation. L'influence des modèles de génération-recombinaison sur les propriétés électriques simulée de jonction pn sera discutée. Enfin, la simulation des propriétés électriques d'un MOSFET en diamant sera présentée.D'autre part, l'accent sera mis sur la fabrication et la caractérisation électrique du condensateur diamant métal-oxyde-semi-conducteur (MOSCAP). Plus précisément, le raccordement des bandes à l'interface Al2O3/diamant à terminaison oxygène (O-diamant) a été étudiée en utilisant la méthode de spectroscopie photoélectronique à rayons X. Les résultats ont permis l'établissement du diagramme de bande de l'hétérostructure Al2O3/O-diamant et démontre que l'Al2O3 est utilisable en tant qu'oxyde de grille. Ensuite, l'étude de la densité des états d'interface a révélé l'ancrage du niveau de Fermi à l'interface entre l'Al2O3 et le diamant. En outre, les courants de fuite à travers la couche d'Al2O3 seront discutés en termes d'effet tunnel assisté par pièges de trous de la couche de diamant au contact de grille. Enfin, la caractérisation électrique du premier MOSFET en diamant, effectuée au National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST) au Japon, sera présentée. Cette première tentative s'est révélée infructueuse. Néanmoins, les résultats sont très prometteurs pour le développement de diamant MOSFET étant donné que la démonstration de la réalisation du composant est clairement établie. / Over two decades of technological progresses in growth quality, doping control and device processing have led to the emergence of new potentialities for power electronic applications. As diamond represents the ultimate semiconductor owing to its superior physical properties, efforts have been conducted to develop various electronic devices, such as Schottky diodes, field effect transistors, bipolar transistor, p-i-n junctions...As a prerequisite to the development of new generation diamond power devices, on one side, is the development of simulation tools able to anticipate the device electrical properties as well as its architecture in order to take full advantage of the material physical properties. On the other hand, experimental study of the gate contact, the second building block of the transistor, is fundamental in order to develop high performance devices. In this regard, one can consider several open questions: (i) Are the simulation tools able to take into account the specificities of diamond to model electrical devices? (ii) Is the aluminum oxide suitable to develop a MOSFET gate contact? (iii) If so, is the oxide/diamond interface of good enough quality? (iv) Is the fabrication of a diamond MOSFET a technological issue?This PhD project, attend to answer these questions and pave the way towards the inversion mode MOSFET.Emphasize on the diamond physical properties will help to understand why this material is the ultimate WBG semiconductor. State of the art diamond devices will be presented focusing on field effect transistors. A complementary topic for the development of new generation diamond power device is the anticipation of device electrical properties and architecture through finite element base simulation software. Thus the need for reliable simulation tools will be presented.On one hand, the main models implemented in the simulation tools will be presented and emphasize on the diamond electrical properties will be given. For the simulation of diamond metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET), the study of two building blocks is required: the p-n junction and the gate contact. The later ideal properties will be presented while the former will serve as a basis for the calibration of the physical parameters implemented in the finite element based software. Generation-recombination models influence on the simulated p-n junction electrical properties will be discussed. Finally, the simulation of the electrical properties of a diamond metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) will be shown.On the other hand, focus will be made on diamond metal-oxide-semiconductor capacitor (MOSCAP) fabrication and electrical characterization. Specifically, the interfacial band configuration of the Al2O3/oxygen-terminated diamond (O-diamond) has been investigated using X-ray photoelectron spectroscopy. The results allowed establishing the band diagram of the Al2O3/O-diamond heterostructure. Then, the electrical properties of the diamond MOSCAP will be shown. Specifically, investigation of the interface states density revealed the pinning of the Fermi level at the interface between the Al2O3 and the O-diamond. Moreover, the leakage currents through the Al2O3 layer will be discussed in terms of temperature dependent trap assisted tunneling of holes from the diamond layer to the top gate contact. Finally, the electrical characterization of the first diamond MOSFET, performed at the National Institute for Advanced Industrial Science and Technology (AIST) in Japan, will be presented. Even if this first attempt was unsuccessful, it is promising for the development of diamond MOSFET since the demonstration of the actual realization of the device is clearly established.

M.Sc. (Physics) / A computer program called RAUPV was developed to simulate one-dimensional p-n structures and photo-voltaic cells. In order to simulate multilayer structures, the device is devided into a large number of discrete points with variable spacings. The physical parameters are calculated at each point, subjected to given external boundary conditions at the endpoints of the device. The physical processes are formulated from first principles, in such a way that they can be handled by numerical methods. A Newton-Raphson iteration technique is used to solve the large number of coupled, linear equations. The simulation is formulated in such a way that the equations must be solved for three variables at each point: the electron potential, the quasi-Fermi level for electrons and the quasi-Fermi level for holes. For the case of thermodinamic equilibrium, Poisson's equation is solved. A formulation is developed to handle the equation numericaly for variable intervals. Expressions for the free carrier concentrations are obtained using Fermi-Dirac statistics. Expressions for the charge density in traps are also obtained and several types of boundary conditions are considered. The program is able to calculate the band structure, charge density, internal electric field and free carrier concentrations for any multi-layer device. For the non-equilibrium case, Poisson's equation is solved simultaneously with the two continuity equations for electrons and holes. A special formulation for the current densities was developed, to assure convergence during the iteration process. Recombination is formulated in terms of capture cross-sections of trap states within the gap. Several types of boundary conditions are considered. The program is able to calculate the current densities of electrons and holes within the device and yield as output the net current through the device for a given external applied voltage. A technique was developed for the Newton-Raphson iteration to work only with the diagonals of the matrix containing the partial derivatives. This technique saves much computing time and memory. Various techniques are built into the program to assure convergence and to decrease computing time. The solar spectrum is processed in order to calculate the optical exitations within the device. Multiple reflections are taken into account and an anti-reflection layer is also simulated. The program can thus calculate current-voltage curves for a photo-voltaic cell for any given spectrum. The program runs on a PC and is able to analise p-n structures in detail. It can be used to design photo-voltaic cells using fundamental physical principles as point of departure.

La pédagogie par la simulation clinique haute-fidélité (SCHF) est de plus en plus utilisée dans la formation des étudiantes en sciences infirmières. Au cours des dix dernières années, plusieurs chercheurs ont tenté d’évaluer l’efficacité de la SCHF en évaluant les connaissances des étudiantes en sciences infirmières. Cependant, il existe un manque de connaissances relativement à l’effet de cette pédagogie sur les connaissances des étudiantes en pédiatrie. La présente étude quasi expérimentale avec post-tests avait pour objectif d’explorer l’effet de la SCHF sur l’acquisition et la rétention des connaissances des étudiantes francophones en soins infirmiers pédiatriques. Après une séance de SCHF pédiatrique, deux tests de connaissances ont été administrés dans un intervalle de 2 semaines à deux groupes d’étudiantes: un groupe témoin (1er post-test n= 17; 2e post-test n = 6) et un groupe expérimental (1er post-test n=8; 2e post-test n=5). Les deux groupes d’étudiantes ont participé à la SCHF pédiatrique. Cependant, les participantes du groupe expérimental ont aussi vécu une expérience réelle similaire au scénario de SCHF impliquant des soins à au moins un nourrisson durant leur stage clinique en pédiatrie. Les résultats du test U de Mann-Whitney suggèrent qu’il n’y a pas de différence significative (p = 0,63) entre les scores obtenus au 1er post-test pour les étudiantes des deux groupes. Quant aux résultats du test MANOVA, ceux-ci semblent indiquer qu’il n’y a pas de différence significative entre les scores obtenus au 1er et au 2e post-test des étudiantes, lorsque les deux post-tests sont considérés simultanément (p= 0,90) et séparément (1er post-test p= 0,94; 2e post-test p= 0,74). L’absence de différence significative entre les deux groupes de participantes aux deux post-tests pourrait démontrer que toutes les étudiantes ont acquis et retenu autant de connaissances, qu’elles aient vécu ou non une expérience réelle similaire au scénario de SCHF impliquant des soins à au moins un nourrisson durant leur stage clinique en pédiatrie. Les résultats de l’étude suggère que la SCHF est une pédagogie efficace pour former les étudiantes en sciences infirmières. Ainsi, la SCHF pourrait être utilisée pour remplacer quelques heures de stages cliniques en pédiatrie, ce qui pourrait aider à compenser le manque de disponibilité de stage en milieu pédiatrique. De plus, cette étude a pu expliquer l’effet de la SCHF sur l’acquisition et la rétention des connaissances des étudiantes à l’aide d’un cadre de référence inspiré du cognitivisme et socioconstructivisme. Bien que la SCHF semble avoir un effet positif sur l’acquisition et la rétention des connaissances des étudiantes en pédiatrie, des recherches additionnelles dans ce contexte de soins sont nécessaires.

Les systèmes multi-agents sont constitués d'entités autonomes qui interagissent avec leur environnement pour résoudre un objectif collectif. Si l'on souhaite modéliser des systèmes contenant des millions d'agents, une puissance de calcul et de stockage importante devient nécessaire. Pour atteindre de telles simulations large échelle, distribuer le simulateur sur un réseau de machines est nécessaire, mais il faut prendre en compte quelques aspects. Le premier aspect se concentre sur deux types de répartition de la charge de calcul : la première basée sur l'environnement, la deuxième basée sur les agents. Nous évaluons les performances de ces répartitions en les confrontant à des applications dont les dynamiques de déplacement sont très différentes, ce qui nous permet d'identifier plusieurs critères devant être pris en compte pour garantir des gains de performance lors de la distribution de simulations d'agents situés. Le second aspect de notre travail étudie la synchronisation. En effet, à notre connaissance, tous les simulateurs existants fonctionnent sur la base d'une synchronisation forte entre les machines, ce qui garantit la causalité temporelle et la cohérence des calculs. Dans cette thèse, nous remettons en cause cette hypothèse en étudiant la relaxation de la contrainte de synchronisation. Nous proposons deux politiques de synchronisation : la synchronisation forte classique et une forme de synchronisation reposant sur une fenêtre de temps bornée entre la machine la plus lente et la machine la plus rapide. Des applications de natures différentes sont exécutées avec ces différents mécanismes de synchronisation. / This thesis aims to design a distributed large scale MAS simulation. When the number of agents reaches several millions, it is necessary to distribute MAS simulation. However, this can raise some issues: agents allocation, interactions from different machines, time management, etc. When we distribute MAS simulation on different machines, agents must be separated between these machines and should still be able to produce their normal behaviours. Our distribution is able to cover all agents' perceptions during the simulation and allow all agents to interact normally. Moreover, with large-scale simulations the main observations are done on the macroscopic level. In this thesis, we study two main aspects to distribute large-scale simulations. The first aspect is the efficient strategy that can be used to distribute MAS concepts (agents and environment). We propose two efficient distribution approaches: agents distribution and environment distribution. The second aspect is the relaxation of synchronization constraints in order to speed up the execution of large-scale simulations. Relaxing this constraint can induce incoherent interactions, which do not exist in a synchronized context. But, in some applications that can not affect the macroscopic level. Our experiments on different categories of MAS applications show that some applications can be distributed efficiently in one distribution approach more than the other. In addition, we have studied the impact of incoherent iterations on the emerging behaviour of different applications, and we have evidenced situations in which unsynchronized simulations still produced the expected macroscopic behaviour.

Aujourd’hui, de nombreux grands industriels de différents domaines se sont lancés dans la conception de produits intelligents pour répondre aux nouveaux besoins du marché. La conception de ces systèmes est de plus en plus complexe, puisqu’ils sont composés de nombreux composants physiques pouvant être contrôlés par des applications s'exécutant sur des processeurs. Afin d'assister cette conception multi-disciplines, la solution que nous proposons dans cette thèse est de diriger la modélisation et la conception du système par la prise en compte des scénarios de test qui devront être utilisés pour valider ses exigences. La méthode préconisée suggère de raisonner au niveau système et de commencer le processus de conception par la formalisation des tests de validation. En d'autres termes, il s'agit en particulier de préciser le(s) critère(s) d’acceptation de l’exigence ainsi que le scénario de test nécessaire pour le(s) vérifier. Formaliser ainsi les tests permet notamment d'analyser la formulation des exigences elles-mêmes et d'y lever toute ambiguïté. Nous proposons un modèle générique de la vue structurelle de l'infrastructure de test, et un profil UML associé. La vue comportementale est modélisée sous forme de diagrammes de séquences SysML. Les interfaces de l'infrastructure de test fournissent des contraintes de testabilité pour le système à concevoir. Nous avons développé un outil, ARES (Automatic geneRation of Executable tests from SysML), qui transforme automatiquement cette spécification structurelle/comportementale des tests en scénarios simulables ou exécutables. Ceux-ci, analogues par construction, seront utilisés pour valider des modèles simulables du système (Matlab/Simulink) puis lors du processus de vérification finale du produit (avec un environnement TestStand). Nous présentons l'application de cet outil sur diverses études de cas associées à des produits Schneider Electric. / Nowadays, many major manufacturers in different fields are working towards the design of smart products to meet new market needs. The design of these systems is increasingly complex, as they are composed of many physical components controlled by applications running on processors. In order to support this multi-disciplinary design, the solution we propose in this thesis is to guide the system modeling and design by taking into account the test scenarios that will be used to validate its requirements. The method that we propose suggests reasoning at the system level and starting the design process by formalizing validation tests. In other words, it amounts to specifying the acceptance criterion(s) for the requirement as well as the test scenario necessary to verify it. Formalizing the tests in this way makes it possible to analyze the formulation of the requirements themselves and to remove any ambiguity. We propose a generic model of the structural view of the test infrastructure, and an associated UML profile. The behavioral view is modeled as SysML sequence diagrams. The test infrastructure interfaces provide testability constraints for the system to be designed. We have developed a tool, ARES (Automatic GeneRation of Executable Tests from SysML), which automatically transforms this structural/behavioral specification of the tests into simulatable or executable scenarios. These scenarios, analogous by construction, will be used to validate simulatable models of the system (Matlab/Simulink), then during the process of final verification of the product (with a TestStand environment). We present the application of this tool on various case studies associated with Schneider Electric products.