Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Symmetristen komponenttien mallinnus

Tässä insinöörityössä suunniteltiin Helsingin ammattikorkeakoululle jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen symmetristen komponenttien laskutavan havainnollistamiseen sopiva sijaiskytkentä. Sijaiskytkennässä tärkeitä huomioitavia asioita olivat mm. jännitetaso, havainnollistavien muuntajien oikosulkukestoisuus, jatkokäyttö laboratoriotyönä ja yleinen havainnollistavuus. Työssä on aluksi perehdytty symmetristen komponenttien ja jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen teoriaan. Tämän jälkeen mitoitettiin tarvittavan kytkennän komponenttien jännite- ja virtakestoisuudet mahdolliset lisäkäytöt huomioiden. Näiden rajoitusten mukaan perusteella työtä ruvettiin toteuttamaan. Työssä tilattiin sähkön 40 V:n pääjännitetasolle alentava muuntaja syöttämään oikosulun kestävää muuntajaa, jolla simuloitiin jakeluverkon yleisimpiä vikatyyppejä. Jälkimmäiselle muuntajalle mitoitettiin ja hankittiin sisäistä impedanssia vastaava induktanssi. Tämän avulla rakennettiin kokonaisuus, jonka avulla voidaan simuloida kaikkia tapahtuvia oikosulkuja vastaavat sijaiskytkennät. Työhön jätettiin kehittämisvaraa ja muita laboratoriotyön rakentamismahdollisuuksia tulevien insinööritöiden tekijöille.

Sairaanhoitajan osaamisen tavoitetason määrittely leikkaus- ja anestesiaosastolla

Tutkimus liittyi osana Helsingin yliopistollisen sairaalan yhden toimialan kehittämishankkeeseen. Tavoitteena on, että sairaanhoitajien osaaminen vastaa toimintaa. NCS- mittari (Nurse Competence Scale, Meretoja 2003) on kehitetty sairaanhoitajan ammattipätevyyden arviointiin ammattiuramallin mukaisesti. Osaamiskartoitukseen soveltuva 73 väittämää sisältävä NCS- mittari koostuu seitsemästä ammattipätevyyttä kuvaavasta summamuuttujasta ja sillä voidaan arvioida hoitajien ammattipätevyyden tasoa erilaisissa toimintayksiköissä. Tutkimuksen tarkoituksena oli tuottaa menetelmä yksikkökohtaisen sairaanhoitajan osaamisen tavoitetason määrittelemiseksi sekä laatia yksikkökohtaiset sairaanhoitajan tehtävän osaamisalueiden taso- odotukset NCS väittämien ja niiden tärkeyden avulla. Menetelmänä käytettiin delfitekniikkaa, jossa on ominaista asiantuntijaryhmän käyttö ja tutkimuksen toistaminen. Asiantuntijaryhmä (n=8) oli erityisasiantuntemusta omaava, monipuolinen ja tulevaisuusorientoitunut. Asiantuntija- arviointi toteutettiin kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa asiantuntijat vastasivat nimeämällä viisi keskeisintä erikoisalan toimintaan vaikuttavaa muutostekijää tulevan viiden vuoden aikana ja kuvasivat mitä haasteita edellä mainitut muutokset aiheuttivat sairaanhoitajien osaamiseen leikkaus- ja anestesiaosastolla. Toisessa vaiheessa asiantuntijat arvioivat yksikön potilaiden hoidon kannalta sairaanhoitajan tavoitellun osaamistason ja tärkeyden NCS- mittarin (VAS= Visual Analogue Scale- jana 0- 100 ja tärkeys 0-3) avulla. Kolmannessa vaiheessa asiantuntijapaneelissa määriteltiin edellisissä vaiheissa saadun tiedon pohjalta osaamisen tavoitetaso ja tärkeys leikkaus- ja anestesiaosastolla. Tulokset analysoitiin sisällön analyysilla ja tilastollisin menetelmin. Sairaanhoitajalta odotetaan monipuolisia tietoja ja taitoja kokonaisvaltaisesta potilaan hoitotyöstä, perehtymistä iäkkään ja monisairaan potilaan hoitamiseen. Myös tietotekniset taidot korostuvat entisestään sairaanhoitajan työssä leikkaus- ja anestesiaosastolla. Sairaanhoitajalta vaaditaan hyvää kielitaitoa, positiivista asennetta ja sopeutumista muuttuvaan hoitoympäristöön. Leikkaus- ja anestesiaosastolla tavoitetasoiltaan korkeimmiksi sekä tärkeimmiksi osa- alueiksi nousivat auttaminen, tilannehallinta, hoitotoimien hallinta ja työrooli. Tuloksia hyödynnetään hoitohenkilöstön osaamisen hallinnassa ja johtamisessa sekä täydennyskoulutuksen suunnittelussa.

Neck Pain in Adolescent Headache Sufferers. A Cohort Study of Schoolchildren

Although neck pain (NP) and headache (HA) are often concomitant in adolescents, few data exist on the association of NP with HA in this age group. The aim of the study was to examine the association of concomitant NP with adolescent HA and with the outcome of HA. The associations of self-reported NP, physical findings of the neck and disc degeneration of the cervical spine with adolescent HA were studied. This study is part of a population-based follow-up study of 12-year-old children (N 1135/1409) with and without HA. A sample of adolescents (N = 304) was followed to the age of 16 years. At the age of 17 years, 69 of them participated in a magnetic resonance imaging (MRI) study of the cervical spine. During the follow-up from 13 to 16 years of age, changes in both HA type and frequency were common. A poor outcome of HA was associated with NP interfering with daily activities at the age of 13 years. The changes in HA type were not predictable by NP. At the age of 16 years, local and referred palpation pain of the neck muscles, self-reported NP and NP intensity were associated with HA, and especially with disturbing HA unresponsive to analgesics. The association of NP with HA was not determined by HA type. Mild degenerative changes of the cervical spine were common but did not contribute to headache. HA in adolescence is often episodic, and prevention and treatment of NP could be important in the prevention of future chronic adult HA.