<p>During the last two decades, the interest for computer aided modeling and simulation of complex physical systems has witnessed a significant growth. The recent possibility to create acausal models, using components from different domains (e.g., electrical, mechanical, and hydraulic) enables new opportunities. Modelica is one of the most prominent equation-based object-oriented (EOO) languages that support such capabilities, including the ability to simulate both continuous- and discrete-time models, as well as mixed hybrid models. However, there are still many remaining challenges when it comes to language safety and simulation security. The problem area concerns detecting modeling errors at an early stage, so that faults can be isolated and resolved. Furthermore, to give guarantees for the absence of faults in models, the need for precise language specifications is vital, both regarding type systems and dynamic semantics.</p><p>This thesis includes five papers related to these topics. The first paper describes the informal concept of types in the Modelica language, and proposes a new concrete syntax for more precise type definitions. The second paper provides a new approach for detecting over- and under-constrained systems of equations in EOO languages, based on a concept called structural constraint delta. That approach makes use of type checking and a type inference algorithm. The third paper outlines a strategy for using abstract syntax as a middle-way between a formal and informal language specification. The fourth paper suggests and evaluates an approach for secure distributed co-simulation over wide area networks. The final paper outlines a new formal operational semantics for describing physical connections, which is based on the untyped lambda calculus. A kernel language is defined, in which real physical models are constructed and simulated.</p> / Report code: LIU-TEK-LIC-2007:46. On the day of the defence date the status of article IV was: In Progress; The status of article V was: Manuscript.

<p>Denna rapport utgör dokumentationen av ett examensarbete utfört på Atlas Copco Secoroc i Fagersta under handledning av Maskinkonstruktions före detta universitetslektor Håkan Wettergren och Fluid & Mekaniksystems professor Karl-Erik Rydberg och på Atlas Copco Secoroc konstruktör Risto Wisakanto, avdelningschef Thomas Greijer, båda avdelning DTH, samt Secorocs utvecklingschef Lars Holmgren.   Arbetet syftar till att utveckla en simuleringsmodell vilken ska användas vid utveckling av pneumatiska sänkborrmaskiner. Målsättningen var att göra en så bra modell som möjligt, en modell som skulle kunna användas vid utveckling av nya sänkborrmaskiner, och att stegvis förfina en i grunden enkel modell. Första modellen var dock lite för enkel och baserad på teori för slutna system så den gick inte bygga vidare på utan det var enklare att göra en helt ny modell baserad på teori för öppna system. Det var dock inte förgäves att bygga den första modellen utan de geometriska villkoren som använts i den enkla modellen kunde återanvändas i den mer avancerade som tack vare detta relativt snabbt kunde skapas.  Den mer avancerade modellen ger värden som stämmer mycket bra överens med mätresultat vid höga tryck, i detta fall 16 bar. Att modellen inte stämmer överens så bra vid låga tryck kan bero på flera saker, naturligtvis på att faktorer som försummats kanske har stor inverkan vid låga tryck eller att mätvärdena helt enkelt är fel. Maskinen går inte stabilt 6 respektive 10,5 bar utan gör det först vid 16 bar vilket gör att det är relevant att jämföra simulerade värden med mätvärden först vid 16 bar, en annan felkälla kan vara att givarna inte hänger med i det snabba förloppet samt att de inte är helt exakta (Greijer, 2002).     Kartläggning av en befintlig maskins geometrier, studier av termodynamiska lagar samt provborrningsresultat har legat till grund för modellen.</p> / <p>This report constitutes the documentation of a master thesis performed at Atlas Copco Secoroc in Fagersta under supervision by the division of Machine Design’s former lecturer (PhD) Håkan Wettergren and the division of Fluid & Mechanical Engineering System’s professor (PhD) Karl-Erik Rydberg and at Atlas Copco Secoroc design engineer Risto Wisakanto, head of department Thomas Greijer, both department DTH, and Secorocs head of research and development Lars Holmgren. The purpose with this work is to develop a simulation model which will be used at development of pneumatic down-the-hole hammers.  Mapping of an existing machines geometry, studies of thermodynamic laws and test results is the basic sources used during development of this model.</p>

L’objectif de cette thèse est de proposer des méthodes innovantes de conception préliminaire d’actionneurs électromécaniques (EMA) et de les implémenter sous la forme d’outils logiciels rapidement disponibles pour les industriels. Cet objectif répond à une demande forte de l’industrie, en particulier en aéronautique dans le cadre du développement d’avions plus électriques. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode hybride (montante et descendante) de recherche systématique d’architectures solutions et de sélection vis-à-vis des exigences du cahier des charges et de l’état de l’art technologique. Dans un deuxième temps, des méthodes d’évaluation d’architectures en termes de puissance, d’intégration (enveloppe géométrique et masse), de fiabilité et de performances en boucle fermée sont proposées. L’implémentation de ces méthodes se base sur la modélisation acausale et la combinaison de simulations numériques inverses et directes. Des lois d’échelle, représentatives des phénomènes physiques dimensionnants, sont établies pour réduire la complexité d’utilisation des modèles et l'intervention d’experts de domaine dans les phases préliminaires. Les méthodes proposées et leur implémentation dans l'environnement de simulation Modelica/Dymola ont été appliquées avec succès aux exemples d’actionneurs électromécaniques d’orientation d’un train avant d’atterrissage, de commandes de vol primaires et de contrôle de la poussée vectorielle du premier étage de propulsion d’un lanceur spatial. De cette façon, la durée de la phase d’évaluation d’architectures a pu passer d’un ordre de grandeur en jour à un ordre de grandeur en heure / The aim of this thesis is to propose innovative methods for the preliminary design of electromechanical actuators (EMA), and to implement them in software tools rapidly available for the industry. This objective is motivated by a strong demand of the industry, especially in aeronautics within the frame of the development of more electric aircrafts. First, this thesis puts forward a hybrid methodology (top-down/bottom-up) to generate and select systematically architectures with respect to requirements and the state of the art of technology. Second, methods to evaluate architectures in terms of power, integration (geometrical envelop and mass), reliability and closed loop performances are developed. The implementation of these methods is based on non-causal modelling combined to direct and inverse numerical simulations. Scaling laws, representative of the main sizing phenomena, are established to reduce the complexity of the models and the need for domain experts during the preliminary phases. The proposed methods and their implementation within the simulation framework Modelica/Dymola have been applied successfully to the examples of electromechanical actuators for the steering of a nose landing gear, the primary flight control of an aircraft and the thrust vector control of a space launcher. As a result, the duration of the architecture evaluation has been reduced from day-scale to hour-scale

It is widely accepted that correct system modeling and identification are among the most important issues power system operators face when managing instability and post-contingency scenarios. The latter is usually performed involving special computational tools that allow the operator to forecast, prevent system failure and take appropriate actions according to protocols for different contingency cases in the system. To ensure that operators make the correct simulation-based decisions, the power system models have to be validated continuously. This thesis investigates power system modeling, identification and validation problems that are formulated and based on data provided by operators, and offers new methods and deeper insight into stages of an identification cycle considering the specifics of power systems. One of the problems this thesis tackled is the selection of a modeling and simulation environment that provides transparency and possibility for unambiguous model exchange between system operators. Modelica as equation-based language fulfills these requirements. In this thesis Modelica phasor time domain models were developed and software-to-software validated against conventional simulation environments, i.e. SPS/Simulink and PSAT in MATLAB. Parameter estimation tasks for Modelica models require a modular and extensible toolbox. Thus, RaPiD Toolbox, a framework that provides system identification algorithms for Modelica models, was developed in MATLAB. Contributions of this thesis are an implementation of the Particle Filter algorithm and validation metrics for parameter identification. The performance of the proposed algorithm has been compared with Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm when combined with simplex search and parallelized to get computational speed up. The Particle Filter outperformed PSO when estimating turbine-governor model parameters in the Greek power plant model relying on real measurements. This thesis also analyses different model structures (Nonlinear AutoRegressive eXogenous (NARX) model, Hammerstein-Wiener model, and high order transfer function) that are selected to reproduce nonlinear dynamics of a Static VAR Compensator (SVC) under incomplete information available for National Grid system operator. The study has shown that standard SVC model poorly reproduces the measured dynamics of the real system. Therefore, black-box mathematical modeling and identification approach has been proposed to solve the problem. Also, the introduced combination of first-principle and black-box approach has shown the best output fit. The methodology following identification cycle together with model order selection and model validation issues was presented in detail. Finally, one of the major contributions is a new method to formulate the uncertainty of parameters estimated in the form of a multimodal Gaussian mixture distribution that is estimated from the Particle Filter output by applying statistical methods to select the standard deviations. The proposed methodology gives additional insight into power system properties when estimating the parameters of the model. This allows power system analysts to decide on the design of validation tests for the chosen model. / Det är allmänt accepterat att korrekt modellering och identifiering av systemet är bland de mest viktiga utmaningarna som kraftsystemoperatörer ställs inför när de hanterar scenarior med instabiliteter och oförutsedda händelser. Det senare är vanligen hanterat med speciella beräkningsverktyg som låter operatören förutse utvecklingen och utföra lämpliga åtgärder enligt de protokoll som finns vid olika systemhändelser. För att försäkra sig om att operatörer tar de korrekta, simuleringsbaseda besluten måste kraftsystemsmodellen kontinuerligt valideras. Denna avhandling undersöker problem inom modellering, identifiering och validering av kraftsystem, formulerade och baserade på data tillhandahållet av operatörer, samt erbjuder nya metoder och fördjupade insikter i delar av en identifieringscykel som beaktar kraftsystemets. Ett av de problem som denna avhandling tar upp är val av en programmiljö för simulering och modellering som ger transparens och möjlighet till otvetydigt modellutbyte mellan systemoperatörer. Modelica är ett ekvationsbaserat programspråk som uppfyller dessa krav. I denna avhandling utvecklades enfasekvivalenter i Modelica som blev validerade mot konventionella program för simulering, såsom SPS/Simulink och PSAT i MATLAB. Parameterestimering i Modelica-modellerna kräver en modulär och utbyggbar verktygslåda. Därför har verktyget RaPiD Toolbox, som tillhandahåller systemidentifieringsalgoritmer för Modelica-modeller, utvecklats i MATLAB. Bidrag från denna avhandling är en implementation av ett partikelfilter (en sekventiell Monte Carlo-metod) och valideringsmetrik för parameteridentifiering. Prestandan i den föreslagna algoritmen har jämförts med partikelsvärmoptimering (PSO) då den är kombinerad med simplexsök och parallellisering. Partikelfiltret överträffade PSO när modellparametrar i turbinregulatorn i ett grekiskt kraftverk skulle estimeras utifrån verklig mätdata.  Avhandling analyserar också olika modellstrukturer (NARX, Hammerstein-Wiener-modeller, och överföringsfunktioner med höga ordningstal) som används för att reproducera den ickelinjära dynamiken hos statiska reaktiv effekt-kompenserare (SVC) vid ofullständig information som är tillgänglig för systemoperatören National Grid. Undersökningen visar att den vanliga SVC-modellen är dålig på att reproducera den verkliga, uppmätta dynamiken. Genom att matematiskt modellera problemet som en svart låda har en identifieringsmetod föreslagits. Vidare, genom att kombinera modelleringen som en svart låda med fysikaliska principer har givit den bästa anpassningen till utdata. Metodologin för identifieringscykeln tillsammans med valet av modellkomplexitet och svårigheter med modellvalidering har utförligt presenterats. Slutligen, ett av de främsta bidragen är en ny metod för att formulera osäkerheten i parameteruppskattningarna i form av en blandning av normalfördelningar med flera typvärden som estimeras med partikelfiltrets utdata genom att använda statistiska metoder för att välja standardavvikelsen. Detta ger kraftsystemanalytiker möjlighet att utforma valideringstest för den valda modellen. / <p>QC 20171121</p> / EU FP7 iTesla project

During the last two decades, the interest for computer aided modeling and simulation of complex physical systems has witnessed a significant growth. The recent possibility to create acausal models, using components from different domains (e.g., electrical, mechanical, and hydraulic) enables new opportunities. Modelica is one of the most prominent equation-based object-oriented (EOO) languages that support such capabilities, including the ability to simulate both continuous- and discrete-time models, as well as mixed hybrid models. However, there are still many remaining challenges when it comes to language safety and simulation security. The problem area concerns detecting modeling errors at an early stage, so that faults can be isolated and resolved. Furthermore, to give guarantees for the absence of faults in models, the need for precise language specifications is vital, both regarding type systems and dynamic semantics. This thesis includes five papers related to these topics. The first paper describes the informal concept of types in the Modelica language, and proposes a new concrete syntax for more precise type definitions. The second paper provides a new approach for detecting over- and under-constrained systems of equations in EOO languages, based on a concept called structural constraint delta. That approach makes use of type checking and a type inference algorithm. The third paper outlines a strategy for using abstract syntax as a middle-way between a formal and informal language specification. The fourth paper suggests and evaluates an approach for secure distributed co-simulation over wide area networks. The final paper outlines a new formal operational semantics for describing physical connections, which is based on the untyped lambda calculus. A kernel language is defined, in which real physical models are constructed and simulated. / <p>Report code: LIU-TEK-LIC-2007:46. On the day of the defence date the status of article IV was: In Progress; The status of article V was: Manuscript.</p>

Mathematical models in physiology are useful to formulate and verify hypotheses, to make predictions, to estimate hidden parameters and in education. This thesis deals with modelling in physiology using the ​Modelica language. New methods for model implementation and simulator production were developed. Modelica is an ​open standard equation-based object-oriented language for modelling complex systems. It is highly convenient in physiology modelling due to its ability to describe extensive models in a lucid hierarchical way. The models are described by algebraic, ordinary differential and discrete equations. Partial differential equations are not supported by the Modelica standard yet. The thesis focuses on two main topics: 1) modelling of systems described by partial differential equations in Modelica 2) production of web-based e-learning simulators driven by models implemented in Modelica. A Modelica language extension called PDEModelica1 for 1-dimensional partial differential equations was designed (based on a previous extension). The OpenModelica modelling tool was extended to support PDEModelica1 using the method of lines. A model of countercurrent heat exchange between the artery and vein in a leg of a bird standing in water was implemented using PDEModelica1 to prove its usability. The...

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden dynamische Modelle eines IGCC-Kraftwerkes mit CO2-Abtrennung unter Verwendung des Modellierungstools Modelica/Dymola entwickelt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf dem Gaspfad der Gasreinigung. Es ist vorteilhaft, für verschiedene Aufgaben, Modelle mit unterschiedlicher Tiefe zu verwenden. Mit den detaillierten Modellen werden Simulationen der Teilprozesse durchgeführt. Für den Aufbau eines Gesamtsystems werden vereinfachte Modelle verwendet. Anhand des Gesamtsystems werden drei Regelkonzepte (Gleitdruckregelung, Leistungsregelung der Gasturbine, Leistungsregelung des Vergasers) untersucht und bewertet. Des Weiteren werden drei Störfallszenarien (Ausfall des Sättigers im Brennstoffsystem, Betriebsstörung in der Vergaserinsel, Unterbrechung der Stickstoffzumischung im Brennstoffsystem) getestet.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden dynamische Modelle eines IGCC-Kraftwerkes mit CO2-Abtrennung unter Verwendung des Modellierungstools Modelica/Dymola entwickelt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf dem Gaspfad der Gasreinigung. Es ist vorteilhaft, für verschiedene Aufgaben, Modelle mit unterschiedlicher Tiefe zu verwenden. Mit den detaillierten Modellen werden Simulationen der Teilprozesse durchgeführt. Für den Aufbau eines Gesamtsystems werden vereinfachte Modelle verwendet. Anhand des Gesamtsystems werden drei Regelkonzepte (Gleitdruckregelung, Leistungsregelung der Gasturbine, Leistungsregelung des Vergasers) untersucht und bewertet. Des Weiteren werden drei Störfallszenarien (Ausfall des Sättigers im Brennstoffsystem, Betriebsstörung in der Vergaserinsel, Unterbrechung der Stickstoffzumischung im Brennstoffsystem) getestet.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées.Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l'exploitation des approches méthodologiques d'interopérabilité. Plusieurs solutions d'interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L'état de l'art dans ce secteur, met l'accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment "PREDIS", à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s'appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s'articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l'architecture logicielle autour de la plateforme d'interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant.

Les contextes énergétiques et environnementaux imposeront durablement au secteur industriel la poursuite des efforts en matière d'efficacité énergétique. La récupération de chaleur fatale sur des rejets et effluents industriels à basse température avec des pompes à chaleur industrielles représente un potentiel d'amélioration significatif de l'efficacité énergétique de ce secteur. Un simulateur expérimental de l'intégration d'un système de récupération thermique à pompe à chaleur dans les procédés industriels agroalimentaires a été conçu et construit. Le banc d'essais constitue un générateur de courbes composites et son but est de démontrer le principe du pompage de la chaleur dans l'industrie tout en respectant les lois de la méthode du pincement. Un ensemble de scénarios industriels correspondant à des températures procédés et rejets variées a été testé sur le simulateur. L'analyse des résultats selon les premier et deuxième principes de la thermodynamique montre que l'amélioration de la performance de la pompe à chaleur est un défi pour augmenter son efficacité et sa rentabilité. Un modèle numérique des évaporateurs tubes-calandre en épingle de configuration générique est développé et validé expérimentalement. Une nouvelle méthode ayant un niveau de complexité intermédiaire est élaborée pour modéliser ces évaporateurs : discrétisation en volumes finis utilisant le langage Modelica. Ce niveau de détail est indispensable pour simuler son fonctionnement avec les mélanges de fluides zéotropes. Enfin, un modèle complet de pompe à chaleur industrielles liquide/liquide est développé intégrant le modèle de l'évaporateur. Des simulations numériques dans un scénario industriel typique avec des mélanges de fluides et des configurations originales et modifiées des échangeurs tubes-calandres ont été effectuées. Les résultats montrent qu'il est possible d'améliorer significativement les performances à condition d'utiliser les mélanges zéotropes avec des condenseurs et évaporateurs tubes-calandres à configuration contre- courants.