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.

Optimization of multijunction solar cells through indoor energy yield measurements

The variability of the solar spectra in the field may reduce the annual energy yield of multijunction solar cells. It would, therefore, be desirable to implement a cell design procedure based on the maximization of the annual energy yield. In this study, we present a measurement technique to generate maps of the real performance of the solar cell for a range of light spectrum contents using a solar simulator with a computer-controllable spectral content. These performance maps are demonstrated to be a powerful tool for analyzing the characteristics of any given set of annual spectra representative of a site and their influence on the energy yield of any solar cell. The effect of luminescence coupling on buffering against variations of the spectrum and improving the annual energy yield is demonstrated using this method.

Design Parameter Analysis of Point Absorber WEC via an Evolutionary-Algorithm-Based Dimensioning Tool

Wave energy conversion has an essential difference from other renewable energies since the dependence between the devices design and the energy resource is stronger. Dimensioning is therefore considered a key stage when a design project of Wave Energy Converters (WEC) is undertaken. Location, WEC concept, Power Take-Off (PTO) type, control strategy and hydrodynamic resonance considerations are some of the critical aspects to take into account to achieve a good performance. The paper proposes an automatic dimensioning methodology to be accomplished at the initial design project stages and the following elements are described to carry out the study: an optimization design algorithm, its objective functions and restrictions, a PTO model, as well as a procedure to evaluate the WEC energy production. After that, a parametric analysis is included considering different combinations of the key parameters previously introduced. A variety of study cases are analysed from the point of view of energy production for different design-parameters and all of them are compared with a reference case. Finally, a discussion is presented based on the results obtained, and some recommendations to face the WEC design stage are given.

Proceso metodológico para optimizar la toma de decisiones en el proyecto de envolventes arquitectónicas multicapa = Methodological process for the optimization of the decision making in multilayer building envelope projects

La presente tesis doctoral se enmarca dentro del concepto de la sistematización del conocimiento en arquitectura, más concretamente en el campo de las construcciones arquitectónicas y la toma de decisiones en la fase de proyecto de envolventes arquitectónicas multicapa. Por tanto, el objetivo principal es el establecimiento de las bases para una toma de decisiones informadas durante el proyecto de una envolvente multicapa con el fin de colaborar en su optimización. Del mismo modo que la historia de la arquitectura está relacionada con la historia de la innovación en construcción, la construcción está sujeta a cambios como respuesta a los fracasos anteriores. En base a esto, se identifica la toma de decisiones en la fase de proyecto como el estadio inicial para establecer un punto estratégico de reflexión y de control sobre los procesos constructivos. La presente investigación, conceptualmente, define los parámetros intervinientes en el proyecto de envolventes arquitectónicas multicapa a partir de una clasificación y sistematización de todos los componentes (elementos, unidades y sistemas constructivos) utilizados en las fachadas multicapa. Dicha sistematización se materializa en una hoja matriz de datos en la que, dentro de una organización a modo de árbol, se puede acceder a la consulta de cada componente y de su caracterización. Dicha matriz permite la incorporación futura de cualquier componente o sistema nuevo que aparezca en el mercado, relacionándolo con aquellos con los que comparta ubicación, tipo de material, etc. Con base en esa matriz de datos, se diseña la sistematización de la toma de decisiones en la fase de proyecto de una envolvente arquitectónica, en concreto, en el caso de una fachada. Operativamente, el resultado se presenta como una herramienta que permite al arquitecto o proyectista reflexionar y seleccionar el sistema constructivo más adecuado, al enfrentarse con las distintas decisiones o elecciones posibles. La herramienta se basa en las elecciones iniciales tomadas por el proyectista y se estructura, a continuación y sucesivamente, en distintas aproximaciones, criterios, subcriterios y posibilidades que responden a los distintos avances en la definición del sistema constructivo. Se proponen una serie de fichas operativas de comprobación que informan sobre el estadio de decisión y de definición de proyecto alcanzados en cada caso. Asimismo, el sistema permite la conexión con otros sistemas de revisión de proyectos para fomentar la reflexión sobre la normalización de los riesgos asociados tanto al proprio sistema como a su proceso constructivo y comportamiento futuros. La herramienta proporciona un sistema de ayuda para ser utilizado en el proceso de toma de decisiones en la fase de diseño de una fachada multicapa, minimizando la arbitrariedad y ofreciendo una cualificación previa a la cuantificación que supondrá la elaboración del detalle constructivo y de su medición en las sucesivas fases del proyecto. Al mismo tiempo, la sistematización de dicha toma de decisiones en la fase del proyecto puede constituirse como un sistema de comprobación en las diferentes fases del proceso de decisión proyectual y de definición de la envolvente de un edificio. ABSTRACT The central issue of this doctoral Thesis is founded on the framework of the concept of the systematization of knowledge in architecture, in particular, in respect of the field of building construction and the decision making in the design stage of multilayer building envelope projects. Therefore, the main objective is to establish the bases for knowledgeable decision making during a multilayer building envelope design process, in order to collaborate with its optimization. Just as the history of architecture is connected to the history of innovation in construction, construction itself is subject to changes as a response to previous failures. On this basis, the decisions made during the project design phase are identified as the initial state to establish an strategic point for reflection and control, referred to the constructive processes. Conceptually, this research defines the parameters involving the multilayer building envelope projects, on the basis of a classification and systematization for all the components (elements, constructive units and constructive systems) used in multilayer façades. The mentioned systematization is materialized into a data matrix sheet in which, following a tree‐like organization, the access to every single component and its characterization is possible. The above data matrix allows the future inclusion of any new component or system that may appear in the construction market. That new component or system can be put into a relationship with another, which it shares location, type of material,… with. Based on the data matrix, the systematization of the decision making process for a building envelope design stage is designed, more particularly in the case of a façade. Putting this into practice, it is represented as a tool which allows the architect or the designer, to reflect and to select the appropriate building system when facing the different elections or the different options. The tool is based on the initial elections taken by the designer. Then and successively, it is shaped on the form of different operative steps, criteria, sub‐criteria and possibilities which respond to a different progress in the definition of the building construction system. In order to inform about the stage of the decision and the definition reached by the project in every particular case, a range of operative sheets are proposed. Additionally, the system allows the connection with other reviewing methods for building projects. The aim of this last possibility is to encourage the reflection on standardization of the associated risks to the building system itself and its future performance. The tool provides a helping system to be used during the decision making process for a multilayer façade design. It minimizes the arbitrariness and offers a qualification previous to the quantification that will be done with the development of the construction details and their bill of quantities, that in subsequent project stages will be executed. At the same time, the systematization of the mentioned decision making during the design phase, can be found as a checking system in the different stages of the decision making design process and in the different stages of the building envelope definition.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

Analysis, reliability and optimization of reinforced concrete 2-D structures

In this paper a consistent analysis of reinforced concrete (RC) two-dimensional (2-D) structures,namely slab structures subjected to in-plane and out-plane forces, is presented. By using this method of analysis the well established methodology for dimensioning and verifying RC sections of beam structures is extended to 2-D structures. The validity of the proposed analysis results is checked by comparing them with some published experimental test results. Several examples show some of these proposed analysis features, such as the influence of the reinforcement layout on the service and ultimate behavior of a slab structure and the non straightforward problem of the optimal dimension at a slab point subjected to several loading cases. Also, in these examples, the method applications to design situations as multiple steel families and non orthogonal reinforcement layout are commented.