Mathematical modeling of laboratory scale three-phase fixed bed reactors

Detta arbete fokuserar på modellering av katalytiska gas-vätskereaktioner som genomförs i kontinuerliga packade bäddar. Katalyserade gas-vätskereaktioner hör till de mest typiska reaktionerna i kemisk industri; därför behandlas här packade bäddreaktorer som ett av de populäraste alternativen, då kontinuerlig drift eftersträvas. Tack vare en stor katalysatormängd per volym har de en kompakt struktur, separering av katalysatorn behövs inte och genom en professionell design kan den mest fördelaktiga strömningsbilden upprätthållas i reaktorn. Packade bäddreaktorer är attraktiva p.g.a. lägre investerings- och driftskostnader. Även om packade bäddar används intensivt i industri, är det mycket utmanande att modellera. Detta beror på att tre faser samexisterar och systemets geometri är komplicerad. Existensen av flera reaktioner gör den matematiska modelleringen även mera krävande. Många förenklingar blir därmed nödvändiga. Modellerna involverar typiskt flera parametrar som skall justeras på basis av experimentella data. I detta arbete studerades fem olika reaktionssystem. Systemen hade studerats experimentellt i vårt laboratorium med målet att nå en hög produktivitet och selektivitet genom ett optimalt val av katalysatorer och driftsbetingelser. Hydrering av citral, dekarboxylering av fettsyror, direkt syntes av väteperoxid samt hydrering av sockermonomererna glukos och arabinos användes som exempelsystem. Även om dessa system hade mycket gemensamt, hade de också unika egenskaper och krävde därför en skräddarsydd matematisk behandling. Citralhydrering var ett system med en dominerande huvudreaktion som producerar citronellal och citronellol som huvudprodukter. Produkterna används som en citrondoftande komponent i parfymer, tvålar och tvättmedel samt som plattform-kemikalier. Dekarboxylering av stearinsyra var ett specialfall, för vilket en reaktionsväg för produktion av långkedjade kolväten utgående från fettsyror söktes. En synnerligen hög produktselektivitet var karakteristisk för detta system. Även processuppskalning modellerades för dekarboxylerings-reaktionen. Direkt syntes av väteperoxid hade som målsättning att framta en förenklad process att producera väteperoxid genom att låta upplöst väte och syre reagera direkt i ett lämpligt lösningsmedel på en aktiv fast katalysator. I detta system förekommer tre bireaktioner, vilka ger vatten som oönskad produkt. Alla dessa tre reaktioner modellerades matematiskt med hjälp av dynamiska massbalanser. Målet med hydrering av glukos och arabinos är att framställa produkter med en hög förädlingsgrad, nämligen sockeralkoholer, genom katalytisk hydrering. För dessa två system löstes ämnesmängd- och energibalanserna simultant för att evaluera effekter inne i porösa katalysatorpartiklar. Impulsbalanser som bestämmer strömningsbetingelser inne i en kemisk reaktor, ersattes i alla modelleringsstudier med semi-empiriska korrelationsuttryck för vätskans volymandel och tryckförlust och med axiell dispersionsmodell för beskrivning av omblandningseffekter. Genom att justera modellens parametrar kunde reaktorns beteende beskrivas väl. Alla experiment var genomförda i laboratorieskala. En stor mängd av kopplade effekter samexisterade: reaktionskinetik inklusive adsorption, katalysatordeaktivering, mass- och värmeöverföring samt strömningsrelaterade effekter. En del av dessa effekter kunde studeras separat (t.ex. dispersionseffekter och bireaktioner). Inverkan av vissa fenomen kunde ibland minimeras genom en noggrann planering av experimenten. På detta sätt kunde förenklingar i modellerna bättre motiveras. Alla system som studerades var industriellt relevanta. Utveckling av nya, förenklade produktionsteknologier för existerande kemiska komponenter eller nya komponenter är ett gigantiskt uppdrag. Studierna som presenterades här fokuserade på en av den teknisk-vetenskapliga utfärdens första etapper.

Advanced analysis and design methods for preparative chromatographic separation processes

Preparative liquid chromatography is one of the most selective separation techniques in the fine chemical, pharmaceutical, and food industries. Several process concepts have been developed and applied for improving the performance of classical batch chromatography. The most powerful approaches include various single-column recycling schemes, counter-current and cross-current multi-column setups, and hybrid processes where chromatography is coupled with other unit operations such as crystallization, chemical reactor, and/or solvent removal unit. To fully utilize the potential of stand-alone and integrated chromatographic processes, efficient methods for selecting the best process alternative as well as optimal operating conditions are needed. In this thesis, a unified method is developed for analysis and design of the following singlecolumn fixed bed processes and corresponding cross-current schemes: (1) batch chromatography, (2) batch chromatography with an integrated solvent removal unit, (3) mixed-recycle steady state recycling chromatography (SSR), and (4) mixed-recycle steady state recycling chromatography with solvent removal from fresh feed, recycle fraction, or column feed (SSR–SR). The method is based on the equilibrium theory of chromatography with an assumption of negligible mass transfer resistance and axial dispersion. The design criteria are given in general, dimensionless form that is formally analogous to that applied widely in the so called triangle theory of counter-current multi-column chromatography. Analytical design equations are derived for binary systems that follow competitive Langmuir adsorption isotherm model. For this purpose, the existing analytic solution of the ideal model of chromatography for binary Langmuir mixtures is completed by deriving missing explicit equations for the height and location of the pure first component shock in the case of a small feed pulse. It is thus shown that the entire chromatographic cycle at the column outlet can be expressed in closed-form. The developed design method allows predicting the feasible range of operating parameters that lead to desired product purities. It can be applied for the calculation of first estimates of optimal operating conditions, the analysis of process robustness, and the early-stage evaluation of different process alternatives. The design method is utilized to analyse the possibility to enhance the performance of conventional SSR chromatography by integrating it with a solvent removal unit. It is shown that the amount of fresh feed processed during a chromatographic cycle and thus the productivity of SSR process can be improved by removing solvent. The maximum solvent removal capacity depends on the location of the solvent removal unit and the physical solvent removal constraints, such as solubility, viscosity, and/or osmotic pressure limits. Usually, the most flexible option is to remove solvent from the column feed. Applicability of the equilibrium design for real, non-ideal separation problems is evaluated by means of numerical simulations. Due to assumption of infinite column efficiency, the developed design method is most applicable for high performance systems where thermodynamic effects are predominant, while significant deviations are observed under highly non-ideal conditions. The findings based on the equilibrium theory are applied to develop a shortcut approach for the design of chromatographic separation processes under strongly non-ideal conditions with significant dispersive effects. The method is based on a simple procedure applied to a single conventional chromatogram. Applicability of the approach for the design of batch and counter-current simulated moving bed processes is evaluated with case studies. It is shown that the shortcut approach works the better the higher the column efficiency and the lower the purity constraints are.

Fiber-reinforced composite fixed dental prostheses: Studies of the materials used as pontics

Fiber-reinforced composite fixed dental prostheses – Studies of the materials used as pontics University of Turku, Faculty of Medicine, Institute of Dentistry, Department of Biomaterials Science, Finnish Doctoral Program in Oral Sciences – FINDOS, Annales Universitatis Turkuensis, Turku, Finland 2015 Fiber-reinforced composites (FRC), a non-metallic biomaterial, represent a suitable alternative in prosthetic dentistry when used as a component of fixed dental prostheses (FDPs). Some drawbacks have been identified in the clinical performance of FRC restorations, such as delamination of the veneering material and fracture of the pontic. Therefore, the current series of studies were performed to investigate the possibilities of enhancing the mechanical and physical properties of FRC FDPs by improving the materials used as pontics, to then heighten their longevity. Four experiments showed the importance of the pontic design and surface treatment in the performance of FRC FDPs. In the first, the load-bearing capacities of inlay-retained FRC FDPs with pontics of various materials and thicknesses were evaluated. Three different pontic materials were assessed with different FRC framework vertical positioning. Thicker pontics showed increased load-bearing capacities, especially ceramic pontics. A second study was completed investigating the influence of the chemical conditioning of the ridge-lap surface of acrylic resin denture teeth on their bonding to a composite resin. Increased shear bond strength demonstrated the positive influence of the pretreatment of the acrylic surfaces, indicating dissolution of the denture surfaces, and suggesting potential penetration of the monomer systems into the surface of denture teeth. A third study analyzed the penetration depth of different monomer systems on the acrylic resin denture teeth surfaces. The possibility of establishing a durable bond between acrylic pontics and FRC frameworks was demonstrated by the ability of monomers to penetrate the surface of acrylic resin denture teeth, measured by a confocal scanning type microscope. A fourth study was designed to evaluate the load-bearing capacities of FRC FDPs using the findings of the previous three studies. In this case, the performance of pre-shaped acrylic resin denture teeth used as pontics with different composite resins as filling materials was evaluated. The filling material influenced the load-bearing capacities, providing more durable FRC FDPs. It can be concluded that the mechanical and physical properties of FRC FDPs can be improved as has been shown in the development of this thesis. The improvements reported then might provide long lasting prosthetic solutions of this kind, positioning them as potentially permanent rehabilitation treatments. Key words: fiber-reinforced composite, fixed dental prostheses, inlay-retained bridges, adhesion, acrylic resin denture teeth, dental material.

The determination of the helium discharge detector response to fixed gases

The Beckman Helium Discharge Detector has been found to be sensitive to the fixed gases oxygen, nitrogen, and hydrogen at detection levels 10-100 times more sensitive than possible with a Bow-Mac Thermal Conductivity Detector. Detection levels o~ approximately 1.9 E-4 ~ v/v oxygen, 3.1 E-4 ~ v/v nitrogen, and 3.0 E-3 ~ v/v hydrogen are estimated. Response of the Helium Discharge Detector was not linear, but is useable for quantitation over limited ranges of concentration using suitably prepared working standards. Cleanliness of the detector discharge electrodes and purity of the helium carrier and discharge gas were found to be critical to the operation of the detector. Higher sensitivities of the Helium Discharge Detector may be possible by the design and installation of a sensitive, solid-state electrometer.

Evaluating Design Decay during Software Evolution

Les logiciels sont en constante évolution, nécessitant une maintenance et un développement continus. Ils subissent des changements tout au long de leur vie, que ce soit pendant l'ajout de nouvelles fonctionnalités ou la correction de bogues dans le code. Lorsque ces logiciels évoluent, leurs architectures ont tendance à se dégrader avec le temps et deviennent moins adaptables aux nouvelles spécifications des utilisateurs. Elles deviennent plus complexes et plus difficiles à maintenir. Dans certains cas, les développeurs préfèrent refaire la conception de ces architectures à partir du zéro plutôt que de prolonger la durée de leurs vies, ce qui engendre une augmentation importante des coûts de développement et de maintenance. Par conséquent, les développeurs doivent comprendre les facteurs qui conduisent à la dégradation des architectures, pour prendre des mesures proactives qui facilitent les futurs changements et ralentissent leur dégradation. La dégradation des architectures se produit lorsque des développeurs qui ne comprennent pas la conception originale du logiciel apportent des changements au logiciel. D'une part, faire des changements sans comprendre leurs impacts peut conduire à l'introduction de bogues et à la retraite prématurée du logiciel. D'autre part, les développeurs qui manquent de connaissances et–ou d'expérience dans la résolution d'un problème de conception peuvent introduire des défauts de conception. Ces défauts ont pour conséquence de rendre les logiciels plus difficiles à maintenir et évoluer. Par conséquent, les développeurs ont besoin de mécanismes pour comprendre l'impact d'un changement sur le reste du logiciel et d'outils pour détecter les défauts de conception afin de les corriger. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution concerne l'évaluation de la dégradation des architectures logicielles. Cette évaluation consiste à utiliser une technique d’appariement de diagrammes, tels que les diagrammes de classes, pour identifier les changements structurels entre plusieurs versions d'une architecture logicielle. Cette étape nécessite l'identification des renommages de classes. Par conséquent, la première étape de notre approche consiste à identifier les renommages de classes durant l'évolution de l'architecture logicielle. Ensuite, la deuxième étape consiste à faire l'appariement de plusieurs versions d'une architecture pour identifier ses parties stables et celles qui sont en dégradation. Nous proposons des algorithmes de bit-vecteur et de clustering pour analyser la correspondance entre plusieurs versions d'une architecture. La troisième étape consiste à mesurer la dégradation de l'architecture durant l'évolution du logiciel. Nous proposons un ensemble de m´etriques sur les parties stables du logiciel, pour évaluer cette dégradation. La deuxième contribution est liée à l'analyse de l'impact des changements dans un logiciel. Dans ce contexte, nous présentons une nouvelle métaphore inspirée de la séismologie pour identifier l'impact des changements. Notre approche considère un changement à une classe comme un tremblement de terre qui se propage dans le logiciel à travers une longue chaîne de classes intermédiaires. Notre approche combine l'analyse de dépendances structurelles des classes et l'analyse de leur historique (les relations de co-changement) afin de mesurer l'ampleur de la propagation du changement dans le logiciel, i.e., comment un changement se propage à partir de la classe modifiée è d'autres classes du logiciel. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Nous proposons une métaphore inspirée du système immunitaire naturel. Comme toute créature vivante, la conception de systèmes est exposée aux maladies, qui sont des défauts de conception. Les approches de détection sont des mécanismes de défense pour les conception des systèmes. Un système immunitaire naturel peut détecter des pathogènes similaires avec une bonne précision. Cette bonne précision a inspiré une famille d'algorithmes de classification, appelés systèmes immunitaires artificiels (AIS), que nous utilisions pour détecter les défauts de conception. Les différentes contributions ont été évaluées sur des logiciels libres orientés objets et les résultats obtenus nous permettent de formuler les conclusions suivantes: • Les métriques Tunnel Triplets Metric (TTM) et Common Triplets Metric (CTM), fournissent aux développeurs de bons indices sur la dégradation de l'architecture. La d´ecroissance de TTM indique que la conception originale de l'architecture s’est dégradée. La stabilité de TTM indique la stabilité de la conception originale, ce qui signifie que le système est adapté aux nouvelles spécifications des utilisateurs. • La séismologie est une métaphore intéressante pour l'analyse de l'impact des changements. En effet, les changements se propagent dans les systèmes comme les tremblements de terre. L'impact d'un changement est plus important autour de la classe qui change et diminue progressivement avec la distance à cette classe. Notre approche aide les développeurs à identifier l'impact d'un changement. • Le système immunitaire est une métaphore intéressante pour la détection des défauts de conception. Les résultats des expériences ont montré que la précision et le rappel de notre approche sont comparables ou supérieurs à ceux des approches existantes.

Impacts and Detection of Design Smells

Les changements sont faits de façon continue dans le code source des logiciels pour prendre en compte les besoins des clients et corriger les fautes. Les changements continus peuvent conduire aux défauts de code et de conception. Les défauts de conception sont des mauvaises solutions à des problèmes récurrents de conception ou d’implémentation, généralement dans le développement orienté objet. Au cours des activités de compréhension et de changement et en raison du temps d’accès au marché, du manque de compréhension, et de leur expérience, les développeurs ne peuvent pas toujours suivre les normes de conception et les techniques de codage comme les patrons de conception. Par conséquent, ils introduisent des défauts de conception dans leurs systèmes. Dans la littérature, plusieurs auteurs ont fait valoir que les défauts de conception rendent les systèmes orientés objet plus difficile à comprendre, plus sujets aux fautes, et plus difficiles à changer que les systèmes sans les défauts de conception. Pourtant, seulement quelques-uns de ces auteurs ont fait une étude empirique sur l’impact des défauts de conception sur la compréhension et aucun d’entre eux n’a étudié l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes. Dans cette thèse, nous proposons trois principales contributions. La première contribution est une étude empirique pour apporter des preuves de l’impact des défauts de conception sur la compréhension et le changement. Nous concevons et effectuons deux expériences avec 59 sujets, afin d’évaluer l’impact de la composition de deux occurrences de Blob ou deux occurrences de spaghetti code sur la performance des développeurs effectuant des tâches de compréhension et de changement. Nous mesurons la performance des développeurs en utilisant: (1) l’indice de charge de travail de la NASA pour leurs efforts, (2) le temps qu’ils ont passé dans l’accomplissement de leurs tâches, et (3) les pourcentages de bonnes réponses. Les résultats des deux expériences ont montré que deux occurrences de Blob ou de spaghetti code sont un obstacle significatif pour la performance des développeurs lors de tâches de compréhension et de changement. Les résultats obtenus justifient les recherches antérieures sur la spécification et la détection des défauts de conception. Les équipes de développement de logiciels doivent mettre en garde les développeurs contre le nombre élevé d’occurrences de défauts de conception et recommander des refactorisations à chaque étape du processus de développement pour supprimer ces défauts de conception quand c’est possible. Dans la deuxième contribution, nous étudions la relation entre les défauts de conception et les fautes. Nous étudions l’impact de la présence des défauts de conception sur l’effort nécessaire pour corriger les fautes. Nous mesurons l’effort pour corriger les fautes à l’aide de trois indicateurs: (1) la durée de la période de correction, (2) le nombre de champs et méthodes touchés par la correction des fautes et (3) l’entropie des corrections de fautes dans le code-source. Nous menons une étude empirique avec 12 défauts de conception détectés dans 54 versions de quatre systèmes: ArgoUML, Eclipse, Mylyn, et Rhino. Nos résultats ont montré que la durée de la période de correction est plus longue pour les fautes impliquant des classes avec des défauts de conception. En outre, la correction des fautes dans les classes avec des défauts de conception fait changer plus de fichiers, plus les champs et des méthodes. Nous avons également observé que, après la correction d’une faute, le nombre d’occurrences de défauts de conception dans les classes impliquées dans la correction de la faute diminue. Comprendre l’impact des défauts de conception sur l’effort des développeurs pour corriger les fautes est important afin d’aider les équipes de développement pour mieux évaluer et prévoir l’impact de leurs décisions de conception et donc canaliser leurs efforts pour améliorer la qualité de leurs systèmes. Les équipes de développement doivent contrôler et supprimer les défauts de conception de leurs systèmes car ils sont susceptibles d’augmenter les efforts de changement. La troisième contribution concerne la détection des défauts de conception. Pendant les activités de maintenance, il est important de disposer d’un outil capable de détecter les défauts de conception de façon incrémentale et itérative. Ce processus de détection incrémentale et itérative pourrait réduire les coûts, les efforts et les ressources en permettant aux praticiens d’identifier et de prendre en compte les occurrences de défauts de conception comme ils les trouvent lors de la compréhension et des changements. Les chercheurs ont proposé des approches pour détecter les occurrences de défauts de conception, mais ces approches ont actuellement quatre limites: (1) elles nécessitent une connaissance approfondie des défauts de conception, (2) elles ont une précision et un rappel limités, (3) elles ne sont pas itératives et incrémentales et (4) elles ne peuvent pas être appliquées sur des sous-ensembles de systèmes. Pour surmonter ces limitations, nous introduisons SMURF, une nouvelle approche pour détecter les défauts de conception, basé sur une technique d’apprentissage automatique — machines à vecteur de support — et prenant en compte les retours des praticiens. Grâce à une étude empirique portant sur trois systèmes et quatre défauts de conception, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont supérieurs à ceux de DETEX et BDTEX lors de la détection des occurrences de défauts de conception. Nous avons également montré que SMURF peut être appliqué à la fois dans les configurations intra-système et inter-système. Enfin, nous avons montré que la précision et le rappel de SMURF sont améliorés quand on prend en compte les retours des praticiens.

Solution Methods for Service Network Design with Resource Management Consideration

La gestion des ressources, équipements, équipes de travail, et autres, devrait être prise en compte lors de la conception de tout plan réalisable pour le problème de conception de réseaux de services. Cependant, les travaux de recherche portant sur la gestion des ressources et la conception de réseaux de services restent limités. La présente thèse a pour objectif de combler cette lacune en faisant l’examen de problèmes de conception de réseaux de services prenant en compte la gestion des ressources. Pour ce faire, cette thèse se décline en trois études portant sur la conception de réseaux. La première étude considère le problème de capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints(DBCMND). La structure multi-produits avec capacité sur les arcs du DBCMND, de même que ses contraintes design-balance, font qu’il apparaît comme sous-problème dans de nombreux problèmes reliés à la conception de réseaux de services, d’où l’intérêt d’étudier le DBCMND dans le contexte de cette thèse. Nous proposons une nouvelle approche pour résoudre ce problème combinant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et une procédure d’intensification de la recherche dans une région particulière de l’espace de solutions. Dans un premier temps la recherche tabou identifie de bonnes solutions réalisables. Ensuite la recomposition de chemin est utilisée pour augmenter le nombre de solutions réalisables. Les solutions trouvées par ces deux méta-heuristiques permettent d’identifier un sous-ensemble d’arcs qui ont de bonnes chances d’avoir un statut ouvert ou fermé dans une solution optimale. Le statut de ces arcs est alors fixé selon la valeur qui prédomine dans les solutions trouvées préalablement. Enfin, nous utilisons la puissance d’un solveur de programmation mixte en nombres entiers pour intensifier la recherche sur le problème restreint par le statut fixé ouvert/fermé de certains arcs. Les tests montrent que cette approche est capable de trouver de bonnes solutions aux problèmes de grandes tailles dans des temps raisonnables. Cette recherche est publiée dans la revue scientifique Journal of heuristics. La deuxième étude introduit la gestion des ressources au niveau de la conception de réseaux de services en prenant en compte explicitement le nombre fini de véhicules utilisés à chaque terminal pour le transport de produits. Une approche de solution faisant appel au slope-scaling, la génération de colonnes et des heuristiques basées sur une formulation en cycles est ainsi proposée. La génération de colonnes résout une relaxation linéaire du problème de conception de réseaux, générant des colonnes qui sont ensuite utilisées par le slope-scaling. Le slope-scaling résout une approximation linéaire du problème de conception de réseaux, d’où l’utilisation d’une heuristique pour convertir les solutions obtenues par le slope-scaling en solutions réalisables pour le problème original. L’algorithme se termine avec une procédure de perturbation qui améliore les solutions réalisables. Les tests montrent que l’algorithme proposé est capable de trouver de bonnes solutions au problème de conception de réseaux de services avec un nombre fixe des ressources à chaque terminal. Les résultats de cette recherche seront publiés dans la revue scientifique Transportation Science. La troisième étude élargie nos considérations sur la gestion des ressources en prenant en compte l’achat ou la location de nouvelles ressources de même que le repositionnement de ressources existantes. Nous faisons les hypothèses suivantes: une unité de ressource est nécessaire pour faire fonctionner un service, chaque ressource doit retourner à son terminal d’origine, il existe un nombre fixe de ressources à chaque terminal, et la longueur du circuit des ressources est limitée. Nous considérons les alternatives suivantes dans la gestion des ressources: 1) repositionnement de ressources entre les terminaux pour tenir compte des changements de la demande, 2) achat et/ou location de nouvelles ressources et leur distribution à différents terminaux, 3) externalisation de certains services. Nous présentons une formulation intégrée combinant les décisions reliées à la gestion des ressources avec les décisions reliées à la conception des réseaux de services. Nous présentons également une méthode de résolution matheuristique combinant le slope-scaling et la génération de colonnes. Nous discutons des performances de cette méthode de résolution, et nous faisons une analyse de l’impact de différentes décisions de gestion des ressources dans le contexte de la conception de réseaux de services. Cette étude sera présentée au XII International Symposium On Locational Decision, en conjonction avec XXI Meeting of EURO Working Group on Locational Analysis, Naples/Capri (Italy), 2014. En résumé, trois études différentes sont considérées dans la présente thèse. La première porte sur une nouvelle méthode de solution pour le "capacitated multi-commodity fixed cost network design with design-balance constraints". Nous y proposons une matheuristique comprenant la recherche tabou, la recomposition de chemin, et l’optimisation exacte. Dans la deuxième étude, nous présentons un nouveau modèle de conception de réseaux de services prenant en compte un nombre fini de ressources à chaque terminal. Nous y proposons une matheuristique avancée basée sur la formulation en cycles comprenant le slope-scaling, la génération de colonnes, des heuristiques et l’optimisation exacte. Enfin, nous étudions l’allocation des ressources dans la conception de réseaux de services en introduisant des formulations qui modèlent le repositionnement, l’acquisition et la location de ressources, et l’externalisation de certains services. À cet égard, un cadre de solution slope-scaling développé à partir d’une formulation en cycles est proposé. Ce dernier comporte la génération de colonnes et une heuristique. Les méthodes proposées dans ces trois études ont montré leur capacité à trouver de bonnes solutions.

Design and synthesis of efficient mac architectures for high speed decimal processor

Most of the commercial and financial data are stored in decimal fonn. Recently, support for decimal arithmetic has received increased attention due to the growing importance in financial analysis, banking, tax calculation, currency conversion, insurance, telephone billing and accounting. Performing decimal arithmetic with systems that do not support decimal computations may give a result with representation error, conversion error, and/or rounding error. In this world of precision, such errors are no more tolerable. The errors can be eliminated and better accuracy can be achieved if decimal computations are done using Decimal Floating Point (DFP) units. But the floating-point arithmetic units in today's general-purpose microprocessors are based on the binary number system, and the decimal computations are done using binary arithmetic. Only few common decimal numbers can be exactly represented in Binary Floating Point (BF P). ln many; cases, the law requires that results generated from financial calculations performed on a computer should exactly match with manual calculations. Currently many applications involving fractional decimal data perform decimal computations either in software or with a combination of software and hardware. The performance can be dramatically improved by complete hardware DFP units and this leads to the design of processors that include DF P hardware.VLSI implementations using same modular building blocks can decrease system design and manufacturing cost. A multiplexer realization is a natural choice from the viewpoint of cost and speed.This thesis focuses on the design and synthesis of efficient decimal MAC (Multiply ACeumulate) architecture for high speed decimal processors based on IEEE Standard for Floating-point Arithmetic (IEEE 754-2008). The research goal is to design and synthesize deeimal'MAC architectures to achieve higher performance.Efficient design methods and architectures are developed for a high performance DFP MAC unit as part of this research.

Fixed Point Decimal Multiplication Using RPS Algorithm

Decimal multiplication is an integral part of financial, commercial, and internet-based computations. A novel design for single digit decimal multiplication that reduces the critical path delay and area for an iterative multiplier is proposed in this research. The partial products are generated using single digit multipliers, and are accumulated based on a novel RPS algorithm. This design uses n single digit multipliers for an n × n multiplication. The latency for the multiplication of two n-digit Binary Coded Decimal (BCD) operands is (n + 1) cycles and a new multiplication can begin every n cycle. The accumulation of final partial products and the first iteration of partial product generation for next set of inputs are done simultaneously. This iterative decimal multiplier offers low latency and high throughput, and can be extended for decimal floating-point multiplication.

Design and Control of a Closed-Loop Brushless Torque Actuator

This report explores the design and control issues associated with a brushless actuator capable of achieving extremely high torque accuracy. Models of several different motor - sensor configurations were studied to determine dynamic characteristics. A reaction torque sensor fixed to the motor stator was implemented to decouple the transmission dynamics from the sensor. This resulted in a compact actuator with higher bandwidth and precision than could be obtained with an inline or joint sensor. Testing demonstrated that closed-loop torque accuracy was within 0.1%, and the mechanical bandwidth approached 300 Hz.

Opportunities for reduction in acute toxicity testing via improved design

The conventional method for assessing acute oral toxicity (OECD Test Guideline 401) was designed to identify the median lethal dose (LD50), using the death of animals as an endpoint. Introduced as an alternative method (OECD Test Guideline 420), the Fixed Dose Procedure (FDP) relies on the observation of clear signs of toxicity, uses fewer animals and causes less suffering. More recently, the Acute Toxic Class method and the Up-and-Down Procedure have also been adopted as OECD test guidelines. Both of these methods also use fewer animals than the conventional method, although they still use death as an endpoint. Each of the three new methods incorporates a sequential dosing procedure, which results in increased efficiency. In 1999, with a view to replacing OECD Test Guideline 401, the OECD requested that the three new test guidelines be updated. This was to bring them in line with the regulatory needs of all OECD Member Countries, provide further reductions in the number of animals used, and introduce refinements to reduce the pain and distress experienced by the animals. This paper describes a statistical modelling approach for the evaluation of acute oral toxicity tests, by using the revised FDP for illustration. Opportunities for further design improvements are discussed.

Design considerations in the sequential analysis of matched case–control data

A role for sequential test procedures is emerging in genetic and epidemiological studies using banked biological resources. This stems from the methodology's potential for improved use of information relative to comparable fixed sample designs. Studies in which cost, time and ethics feature prominently are particularly suited to a sequential approach. In this paper sequential procedures for matched case–control studies with binary data will be investigated and assessed. Design issues such as sample size evaluation and error rates are identified and addressed. The methodology is illustrated and evaluated using both real and simulated data sets.

Closed loop design for a simple nonlinear aircraft model using eigenstructure assignment

Aircraft systems are highly nonlinear and time varying. High-performance aircraft at high angles of incidence experience undesired coupling of the lateral and longitudinal variables, resulting in departure from normal controlled flight. The aim of this work is to construct a robust closed-loop control that optimally extends the stable and decoupled flight envelope. For the study of these systems nonlinear analysis methods are needed. Previously, bifurcation techniques have been used mainly to analyze open-loop nonlinear aircraft models and investigate control effects on dynamic behavior. In this work linear feedback control designs calculated by eigenstructure assignment methods are investigated for a simple aircraft model at a fixed flight condition. Bifurcation analysis in conjunction with linear control design methods is shown to aid control law design for the nonlinear system.

Task design and second language performance: the effect of narrative type on learner output

This article reports on a detailed empirical study of the way narrative task design influences the oral performance of second-language (L2) learners. Building on previous research findings, two dimensions of narrative design were chosen for investigation: narrative complexity and inherent narrative structure. Narrative complexity refers to the presence of simultaneous storylines; in this case, we compared single-story narratives with dual-story narratives. Inherent narrative structure refers to the order of events in a narrative; we compared narratives where this was fixed to others where the events could be reordered without loss of coherence. Additionally, we explored the influence of learning context on performance by gathering data from two comparable groups of participants: 60 learners in a foreign language context in Teheran and 40 in an L2 context in London. All participants recounted two of four narratives from cartoon pictures prompts, giving a between-subjects design for narrative complexity and a within-subjects design for inherent narrative structure. The results show clearly that for both groups, L2 performance was affected by the design of the task: Syntactic complexity was supported by narrative storyline complexity and grammatical accuracy was supported by an inherently fixed narrative structure. We reason that the task of recounting simultaneous events leads learners into attempting more hypotactic language, such as subordinate clauses that follow, for example, while, although, at the same time as, etc. We reason also that a tight narrative structure allows learners to achieve greater accuracy in the L2 (within minutes of performing less accurately on a loosely structured narrative) because the tight ordering of events releases attentional resources that would otherwise be spent on finding connections between the pictures. The learning context was shown to have no effect on either accuracy or fluency but an unexpectedly clear effect on syntactic complexity and lexical diversity. The learners in London seem to have benefited from being in the target language environment by developing not more accurate grammar but a more diverse resource of English words and syntactic choices. In a companion article (Foster & Tavakoli, 2009) we compared their performance with native-speaker baseline data and see that, in terms of nativelike selection of vocabulary and phrasing, the learners in London are closing in on native-speaker norms. The study provides empirical evidence that L2 performance is affected by task design in predictable ways. It also shows that living within the target language environment, and presumably using the L2 in a host of everyday tasks outside the classroom, confers a distinct lexical advantage, not a grammatical one.

Influence of the Connector and Implant Design on the Implant-Tooth-Connected Prostheses

Purpose:The purpose of this study was to evaluate stress transfer patterns between implant-tooth-connected prostheses comparing rigid and semirigid connectors and internal and external hexagon implants.Materials and Methods:Two models were made of photoelastic resin PL-2, with an internal hexagon implant of 4.00 x 13 mm and another with an external hexagon implant of 4.00 x 13 mm. Three denture designs were fabricated for each implant model, incorporating one type of connection in each one to connect implants and teeth: 1) welded rigid connection; 2) semirigid connection; and 3) rigid connection with occlusal screw. The models were placed in the polariscope, and 100-N axial forces were applied on fixed points on the occlusal surface of the dentures.Results:There was a trend toward less intensity in the stresses on the semirigid connection and solid rigid connection in the model with the external hexagon; among the three types of connections in the model with the internal hexagon implant, the semirigid connection was the most unfavorable one; in the tooth-implant association, it is preferable to use the external hexagon implant.Conclusions:The internal hexagon implant establishes a greater depth of hexagon retention and an increase in the level of denture stability in comparison with the implant with the external hexagon. However, this greater stability of the internal hexagon generated greater stresses in the abutment structures. Therefore, when this association is necessary, it is preferable to use the external hexagon implant.