Nonlinear analysis of a simple model of temperature evolution in a satellite

We analyze a simple model of the heat transfer to and from a small satellite orbiting round a solar system planet. Our approach considers the satellite isothermal, with external heat input from the environment and from internal energy dissipation, and output to the environment as black-body radiation. The resulting nonlinear ordinary differential equation for the satellite’s temperature is analyzed by qualitative, perturbation and numerical methods, which prove that the temperature approaches a periodic pattern (attracting limit cycle). This approach can occur in two ways, according to the values of the parameters: (i) a slow decay towards the limit cycle over a time longer than the period, or (ii) a fast decay towards the limit cycle over a time shorter than the period. In the first case, an exactly soluble average equation is valid. We discuss the consequences of our model for the thermal stability of satellites.

Automated wordlength optimization framework for multi-source statistical interval-based analysis of nonlinear systems with control-flow structures

El uso de aritmética de punto fijo es una opción de diseño muy extendida en sistemas con fuertes restricciones de área, consumo o rendimiento. Para producir implementaciones donde los costes se minimicen sin impactar negativamente en la precisión de los resultados debemos llevar a cabo una asignación cuidadosa de anchuras de palabra. Encontrar la combinación óptima de anchuras de palabra en coma fija para un sistema dado es un problema combinatorio NP-hard al que los diseñadores dedican entre el 25 y el 50 % del ciclo de diseño. Las plataformas hardware reconfigurables, como son las FPGAs, también se benefician de las ventajas que ofrece la aritmética de coma fija, ya que éstas compensan las frecuencias de reloj más bajas y el uso más ineficiente del hardware que hacen estas plataformas respecto a los ASICs. A medida que las FPGAs se popularizan para su uso en computación científica los diseños aumentan de tamaño y complejidad hasta llegar al punto en que no pueden ser manejados eficientemente por las técnicas actuales de modelado de señal y ruido de cuantificación y de optimización de anchura de palabra. En esta Tesis Doctoral exploramos distintos aspectos del problema de la cuantificación y presentamos nuevas metodologías para cada uno de ellos: Las técnicas basadas en extensiones de intervalos han permitido obtener modelos de propagación de señal y ruido de cuantificación muy precisos en sistemas con operaciones no lineales. Nosotros llevamos esta aproximación un paso más allá introduciendo elementos de Multi-Element Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) y combinándolos con una técnica moderna basada en Modified Affine Arithmetic (MAA) estadístico para así modelar sistemas que contienen estructuras de control de flujo. Nuestra metodología genera los distintos caminos de ejecución automáticamente, determina las regiones del dominio de entrada que ejercitarán cada uno de ellos y extrae los momentos estadísticos del sistema a partir de dichas soluciones parciales. Utilizamos esta técnica para estimar tanto el rango dinámico como el ruido de redondeo en sistemas con las ya mencionadas estructuras de control de flujo y mostramos la precisión de nuestra aproximación, que en determinados casos de uso con operadores no lineales llega a tener tan solo una desviación del 0.04% con respecto a los valores de referencia obtenidos mediante simulación. Un inconveniente conocido de las técnicas basadas en extensiones de intervalos es la explosión combinacional de términos a medida que el tamaño de los sistemas a estudiar crece, lo cual conlleva problemas de escalabilidad. Para afrontar este problema presen tamos una técnica de inyección de ruidos agrupados que hace grupos con las señales del sistema, introduce las fuentes de ruido para cada uno de los grupos por separado y finalmente combina los resultados de cada uno de ellos. De esta forma, el número de fuentes de ruido queda controlado en cada momento y, debido a ello, la explosión combinatoria se minimiza. También presentamos un algoritmo de particionado multi-vía destinado a minimizar la desviación de los resultados a causa de la pérdida de correlación entre términos de ruido con el objetivo de mantener los resultados tan precisos como sea posible. La presente Tesis Doctoral también aborda el desarrollo de metodologías de optimización de anchura de palabra basadas en simulaciones de Monte-Cario que se ejecuten en tiempos razonables. Para ello presentamos dos nuevas técnicas que exploran la reducción del tiempo de ejecución desde distintos ángulos: En primer lugar, el método interpolativo aplica un interpolador sencillo pero preciso para estimar la sensibilidad de cada señal, y que es usado después durante la etapa de optimización. En segundo lugar, el método incremental gira en torno al hecho de que, aunque es estrictamente necesario mantener un intervalo de confianza dado para los resultados finales de nuestra búsqueda, podemos emplear niveles de confianza más relajados, lo cual deriva en un menor número de pruebas por simulación, en las etapas iniciales de la búsqueda, cuando todavía estamos lejos de las soluciones optimizadas. Mediante estas dos aproximaciones demostramos que podemos acelerar el tiempo de ejecución de los algoritmos clásicos de búsqueda voraz en factores de hasta x240 para problemas de tamaño pequeño/mediano. Finalmente, este libro presenta HOPLITE, una infraestructura de cuantificación automatizada, flexible y modular que incluye la implementación de las técnicas anteriores y se proporciona de forma pública. Su objetivo es ofrecer a desabolladores e investigadores un entorno común para prototipar y verificar nuevas metodologías de cuantificación de forma sencilla. Describimos el flujo de trabajo, justificamos las decisiones de diseño tomadas, explicamos su API pública y hacemos una demostración paso a paso de su funcionamiento. Además mostramos, a través de un ejemplo sencillo, la forma en que conectar nuevas extensiones a la herramienta con las interfaces ya existentes para poder así expandir y mejorar las capacidades de HOPLITE. ABSTRACT Using fixed-point arithmetic is one of the most common design choices for systems where area, power or throughput are heavily constrained. In order to produce implementations where the cost is minimized without negatively impacting the accuracy of the results, a careful assignment of word-lengths is required. The problem of finding the optimal combination of fixed-point word-lengths for a given system is a combinatorial NP-hard problem to which developers devote between 25 and 50% of the design-cycle time. Reconfigurable hardware platforms such as FPGAs also benefit of the advantages of fixed-point arithmetic, as it compensates for the slower clock frequencies and less efficient area utilization of the hardware platform with respect to ASICs. As FPGAs become commonly used for scientific computation, designs constantly grow larger and more complex, up to the point where they cannot be handled efficiently by current signal and quantization noise modelling and word-length optimization methodologies. In this Ph.D. Thesis we explore different aspects of the quantization problem and we present new methodologies for each of them: The techniques based on extensions of intervals have allowed to obtain accurate models of the signal and quantization noise propagation in systems with non-linear operations. We take this approach a step further by introducing elements of MultiElement Generalized Polynomial Chaos (ME-gPC) and combining them with an stateof- the-art Statistical Modified Affine Arithmetic (MAA) based methodology in order to model systems that contain control-flow structures. Our methodology produces the different execution paths automatically, determines the regions of the input domain that will exercise them, and extracts the system statistical moments from the partial results. We use this technique to estimate both the dynamic range and the round-off noise in systems with the aforementioned control-flow structures. We show the good accuracy of our approach, which in some case studies with non-linear operators shows a 0.04 % deviation respect to the simulation-based reference values. A known drawback of the techniques based on extensions of intervals is the combinatorial explosion of terms as the size of the targeted systems grows, which leads to scalability problems. To address this issue we present a clustered noise injection technique that groups the signals in the system, introduces the noise terms in each group independently and then combines the results at the end. In this way, the number of noise sources in the system at a given time is controlled and, because of this, the combinato rial explosion is minimized. We also present a multi-way partitioning algorithm aimed at minimizing the deviation of the results due to the loss of correlation between noise terms, in order to keep the results as accurate as possible. This Ph.D. Thesis also covers the development of methodologies for word-length optimization based on Monte-Carlo simulations in reasonable times. We do so by presenting two novel techniques that explore the reduction of the execution times approaching the problem in two different ways: First, the interpolative method applies a simple but precise interpolator to estimate the sensitivity of each signal, which is later used to guide the optimization effort. Second, the incremental method revolves on the fact that, although we strictly need to guarantee a certain confidence level in the simulations for the final results of the optimization process, we can do it with more relaxed levels, which in turn implies using a considerably smaller amount of samples, in the initial stages of the process, when we are still far from the optimized solution. Through these two approaches we demonstrate that the execution time of classical greedy techniques can be accelerated by factors of up to ×240 for small/medium sized problems. Finally, this book introduces HOPLITE, an automated, flexible and modular framework for quantization that includes the implementation of the previous techniques and is provided for public access. The aim is to offer a common ground for developers and researches for prototyping and verifying new techniques for system modelling and word-length optimization easily. We describe its work flow, justifying the taken design decisions, explain its public API and we do a step-by-step demonstration of its execution. We also show, through an example, the way new extensions to the flow should be connected to the existing interfaces in order to expand and improve the capabilities of HOPLITE.

Design of a generalized tool for the performance assessment under sail based on analytical, numerical and empirical results : a global sailing yacht meta-model

La evaluación de las prestaciones de las embarcaciones a vela ha constituido un objetivo para ingenieros navales y marinos desde los principios de la historia de la navegación. El conocimiento acerca de estas prestaciones, ha crecido desde la identificación de los factores clave relacionados con ellas(eslora, estabilidad, desplazamiento y superficie vélica), a una comprensión más completa de las complejas fuerzas y acoplamientos involucrados en el equilibrio. Junto con este conocimiento, la aparición de los ordenadores ha hecho posible llevar a cabo estas tareas de una forma sistemática. Esto incluye el cálculo detallado de fuerzas, pero también, el uso de estas fuerzas junto con la descripción de una embarcación a vela para la predicción de su comportamiento y, finalmente, sus prestaciones. Esta investigación tiene como objetivo proporcionar una definición global y abierta de un conjunto de modelos y reglas para describir y analizar este comportamiento. Esto se lleva a cabo sin aplicar restricciones en cuanto al tipo de barco o cálculo, sino de una forma generalizada, de modo que sea posible resolver cualquier situación, tanto estacionaria como en el dominio del tiempo. Para ello se comienza con una definición básica de los factores que condicionan el comportamiento de una embarcación a vela. A continuación se proporciona una metodología para gestionar el uso de datos de diferentes orígenes para el cálculo de fuerzas, siempre con el la solución del problema como objetivo. Esta última parte se plasma en un programa de ordenador, PASim, cuyo propósito es evaluar las prestaciones de diferentes ti pos de embarcaciones a vela en un amplio rango de condiciones. Varios ejemplos presentan diferentes usos de PASim con el objetivo de ilustrar algunos de los aspectos discutidos a lo largo de la definición del problema y su solución . Finalmente, se presenta una estructura global de cara a proporcionar una representación virtual de la embarcación real, en la cual, no solo e l comportamiento sino también su manejo, son cercanos a la experiencia de los navegantes en el mundo real. Esta estructura global se propone como el núcleo (un motor de software) de un simulador físico para el que se proporciona una especificación básica. ABSTRACT The assessment of the performance of sailing yachts, and ships in general, has been an objective for naval architects and sailors since the beginning of the history of navigation. The knowledge has grown from identifying the key factors that influence performance(length, stability, displacement and sail area), to a much more complete understanding of the complex forces and couplings involved in the equilibrium. Along with this knowledge, the advent of computers has made it possible to perform the associated tasks in a systematic way. This includes the detailed calculation of forces, but also the use of those forces, along with the description of a sailing yacht, to predict its behavior, and ultimately, its performance. The aim of this investigation is to provide a global and open definition of a set of models and rules to describe and analyze the behavior of a sailing yacht. This is done without applying any restriction to the type of yacht or calculation, but rather in a generalized way, capable of solving any possible situation, whether it is in a steady state or in the time domain. First, the basic definition of the factors that condition the behavior of a sailing yacht is given. Then, a methodology is provided to assist with the use of data from different origins for the calculation of forces, always aiming towards the solution of the problem. This last part is implemented as a computational tool, PASim, intended to assess the performance of different types of sailing yachts in a wide range of conditions. Several examples then present different uses of PASim, as a way to illustrate some of the aspects discussed throughout the definition of the problem and its solution. Finally, a global structure is presented to provide a general virtual representation of the real yacht, in which not only the behavior, but also its handling is close to the experience of the sailors in the real world. This global structure is proposed as the core (a software engine) of a physical yacht simulator, for which a basic specification is provided.