Dynamic response of a monolithic master-oscillator power-amplifier at 1.5 µm

We study experimentally the dynamic properties of a fully integrated high power master-oscillator power-amplifier emitting at 1.5 μm under continuous wave and gain-switching conditions. High peak power (2.7 W) optical pulses with short duration (~ 110 ps) have been generated by gain switching the master-oscillator. We show the existence of working points at very close driving conditions with stable or unstable regimes caused by the compound cavity effects. The optical and radio-frequency spectra of stable and unstable operating points are analyzed.

Web based interactive educational software introducing semiconductor laser dynamics: Sound Of Lasers (SOL)

In this work, educational software for intuitive understanding of the basic dynamic processes of semiconductor lasers is presented. The proposed tool is addressed to the students of optical communication courses, encouraging self consolidation of the subjects learned in lectures. The semiconductor laser model is based on the well known rate equations for the carrier density, photon density and optical phase. The direct modulation of the laser is considered with input parameters which can be selected by the user. Different options for the waveform, amplitude and frequency of thpoint. Simulation results are plotted for carrier density and output power versus time. Instantaneous frequency variations of the laser output are numerically shifted to the audible frequency range and sent to the computer loudspeakers. This results in an intuitive description of the “chirp” phenomenon due to amplitude-phase coupling, typical of directly modulated semiconductor lasers. In this way, the student can actually listen to the time resolved spectral content of the laser output. By changing the laser parameters and/or the modulation parameters,consequent variation of the laser output can be appreciated in intuitive manner. The proposed educational tool has been previously implemented by the same authors with locally executable software. In the present manuscript, we extend our previous work to a web based platform, offering improved distribution and allowing its use to the wide audience of the web.

Wide bandwidth envelope trackers with reduced switching frequency for RF power amplifier

El requerimiento de proveer alta frecuencia de datos en los modernos sistema de comunicación inalámbricos resulta en complejas señales moduladas de radio-frequencia (RF) con un gran ancho de banda y alto ratio pico-promedio (PAPR). Para garantizar la linealidad del comportamiento, los amplificadores lineales de potencia comunes funcionan típicamente entre 4 y 10 dB de back-o_ desde la máxima potencia de salida, ocasionando una baja eficiencia del sistema. La eliminación y restauración de la evolvente (EER) y el seguimiento de la evolvente (ET) son dos prometedoras técnicas para resolver el problema de la eficiencia. Tanto en EER como en ET, es complicado diseñar un amplificador de potencia que sea eficiente para señales de RF de alto ancho de banda y alto PAPR. Una propuesta común para los amplificadores de potencia es incluir un convertidor de potencia de muy alta eficiencia operando a frecuencias más altas que el ancho de banda de la señal RF. En este caso, la potencia perdida del convertidor ocasionado por la alta frecuencia desaconseja su práctica cuando el ancho de banda es muy alto. La solución a este problema es el enfoque de esta disertación que presenta dos arquitecturas de amplificador evolvente: convertidor híbrido-serie con una técnica de evolvente lenta y un convertidor multinivel basado en un convertidor reductor multifase con control de tiempo mínimo. En la primera arquitectura, una topología híbrida está compuesta de una convertidor reductor conmutado y un regulador lineal en serie que trabajan juntos para ajustar la tensión de salida para seguir a la evolvente con precisión. Un algoritmo de generación de una evolvente lenta crea una forma de onda con una pendiente limitada que es menor que la pendiente máxima de la evolvente original. La salida del convertidor reductor sigue esa forma de onda en vez de la evolvente original usando una menor frecuencia de conmutación, porque la forma de onda no sólo tiene una pendiente reducida sino también un menor ancho de banda. De esta forma, el regulador lineal se usa para filtrar la forma de onda tiene una pérdida de potencia adicional. Dependiendo de cuánto se puede reducir la pendiente de la evolvente para producir la forma de onda, existe un trade-off entre la pérdida de potencia del convertidor reductor relacionada con la frecuencia de conmutación y el regulador lineal. El punto óptimo referido a la menor pérdida de potencia total del amplificador de evolvente es capaz de identificarse con la ayuda de modelo preciso de pérdidas que es una combinación de modelos comportamentales y analíticos de pérdidas. Además, se analiza el efecto en la respuesta del filtro de salida del convertidor reductor. Un filtro de dampeo paralelo extra es necesario para eliminar la oscilación resonante del filtro de salida porque el convertidor reductor opera en lazo abierto. La segunda arquitectura es un amplificador de evolvente de seguimiento de tensión multinivel. Al contrario que los convertidores que usan multi-fuentes, un convertidor reductor multifase se emplea para generar la tensión multinivel. En régimen permanente, el convertidor reductor opera en puntos del ciclo de trabajo con cancelación completa del rizado. El número de niveles de tensión es igual al número de fases de acuerdo a las características del entrelazamiento del convertidor reductor. En la transición, un control de tiempo mínimo (MTC) para convertidores multifase es novedosamente propuesto y desarrollado para cambiar la tensión de salida del convertidor reductor entre diferentes niveles. A diferencia de controles convencionales de tiempo mínimo para convertidores multifase con inductancia equivalente, el propuesto MTC considera el rizado de corriente por cada fase basado en un desfase fijo que resulta en diferentes esquemas de control entre las fases. La ventaja de este control es que todas las corrientes vuelven a su fase en régimen permanente después de la transición para que la siguiente transición pueda empezar muy pronto, lo que es muy favorable para la aplicación de seguimiento de tensión multinivel. Además, el control es independiente de la carga y no es afectado por corrientes de fase desbalanceadas. Al igual que en la primera arquitectura, hay una etapa lineal con la misma función, conectada en serie con el convertidor reductor multifase. Dado que tanto el régimen permanente como el estado de transición del convertidor no están fuertemente relacionados con la frecuencia de conmutación, la frecuencia de conmutación puede ser reducida para el alto ancho de banda de la evolvente, la cual es la principal consideración de esta arquitectura. La optimización de la segunda arquitectura para más alto anchos de banda de la evolvente es presentada incluyendo el diseño del filtro de salida, la frecuencia de conmutación y el número de fases. El área de diseño del filtro está restringido por la transición rápida y el mínimo pulso del hardware. La rápida transición necesita un filtro pequeño pero la limitación del pulso mínimo del hardware lleva el diseño en el sentido contrario. La frecuencia de conmutación del convertidor afecta principalmente a la limitación del mínimo pulso y a las pérdidas de potencia. Con una menor frecuencia de conmutación, el ancho de pulso en la transición es más pequeño. El número de fases relativo a la aplicación específica puede ser optimizado en términos de la eficiencia global. Otro aspecto de la optimización es mejorar la estrategia de control. La transición permite seguir algunas partes de la evolvente que son más rápidas de lo que el hardware puede soportar al precio de complejidad. El nuevo método de sincronización de la transición incrementa la frecuencia de la transición, permitiendo que la tensión multinivel esté más cerca de la evolvente. Ambas estrategias permiten que el convertidor pueda seguir una evolvente con un ancho de banda más alto que la limitación de la etapa de potencia. El modelo de pérdidas del amplificador de evolvente se ha detallado y validado mediante medidas. El mecanismo de pérdidas de potencia del convertidor reductor tiene que incluir las transiciones en tiempo real, lo cual es diferente del clásico modelos de pérdidas de un convertidor reductor síncrono. Este modelo estima la eficiencia del sistema y juega un papel muy importante en el proceso de optimización. Finalmente, la segunda arquitectura del amplificador de evolvente se integra con el amplificador de clase F. La medida del sistema EER prueba el ahorro de energía con el amplificador de evolvente propuesto sin perjudicar la linealidad del sistema. ABSTRACT The requirement of delivering high data rates in modern wireless communication systems results in complex modulated RF signals with wide bandwidth and high peak-to-average ratio (PAPR). In order to guarantee the linearity performance, the conventional linear power amplifiers typically work at 4 to 10 dB back-off from the maximum output power, leading to low system efficiency. The envelope elimination and restoration (EER) and envelope tracking (ET) are two promising techniques to overcome the efficiency problem. In both EER and ET, it is challenging to design efficient envelope amplifier for wide bandwidth and high PAPR RF signals. An usual approach for envelope amplifier includes a high-efficiency switching power converter operating at a frequency higher than the RF signal's bandwidth. In this case, the power loss of converter caused by high switching operation becomes unbearable for system efficiency when signal bandwidth is very wide. The solution of this problem is the focus of this dissertation that presents two architectures of envelope amplifier: a hybrid series converter with slow-envelope technique and a multilevel converter based on a multiphase buck converter with the minimum time control. In the first architecture, a hybrid topology is composed of a switched buck converter and a linear regulator in series that work together to adjust the output voltage to track the envelope with accuracy. A slow envelope generation algorithm yields a waveform with limited slew rate that is lower than the maximum slew rate of the original envelope. The buck converter's output follows this waveform instead of the original envelope using lower switching frequency, because the waveform has not only reduced slew rate but also reduced bandwidth. In this way, the linear regulator used to filter the waveform has additional power loss. Depending on how much reduction of the slew rate of envelope in order to obtain that waveform, there is a trade-off between the power loss of buck converter related to the switching frequency and the power loss of linear regulator. The optimal point referring to the lowest total power loss of this envelope amplifier is identified with the help of a precise power loss model that is a combination of behavioral and analytic loss model. In addition, the output filter's effect on the response is analyzed. An extra parallel damping filter is needed to eliminate the resonant oscillation of output filter L and C, because the buck converter operates in open loop. The second architecture is a multilevel voltage tracking envelope amplifier. Unlike the converters using multi-sources, a multiphase buck converter is employed to generate the multilevel voltage. In the steady state, the buck converter operates at complete ripple cancellation points of duty cycle. The number of the voltage levels is equal to the number of phases according the characteristics of interleaved buck converter. In the transition, a minimum time control (MTC) for multiphase converter is originally proposed and developed for changing the output voltage of buck converter between different levels. As opposed to conventional minimum time control for multiphase converter with equivalent inductance, the proposed MTC considers the current ripple of each phase based on the fixed phase shift resulting in different control schemes among the phases. The advantage of this control is that all the phase current return to the steady state after the transition so that the next transition can be triggered very soon, which is very favorable for the application of multilevel voltage tracking. Besides, the control is independent on the load condition and not affected by the unbalance of phase current. Like the first architecture, there is also a linear stage with the same function, connected in series with the multiphase buck converter. Since both steady state and transition state of the converter are not strongly related to the switching frequency, it can be reduced for wide bandwidth envelope which is the main consideration of this architecture. The optimization of the second architecture for wider bandwidth envelope is presented including the output filter design, switching frequency and the number of phases. The filter design area is restrained by fast transition and the minimum pulse of hardware. The fast transition needs small filter but the minimum pulse of hardware limitation pushes the filter in opposite way. The converter switching frequency mainly affects the minimum pulse limitation and the power loss. With lower switching frequency, the pulse width in the transition is smaller. The number of phases related to specific application can be optimized in terms of overall efficiency. Another aspect of optimization is improving control strategy. Transition shift allows tracking some parts of envelope that are faster than the hardware can support at the price of complexity. The new transition synchronization method increases the frequency of transition, allowing the multilevel voltage to be closer to the envelope. Both control strategies push the converter to track wider bandwidth envelope than the limitation of power stage. The power loss model of envelope amplifier is detailed and validated by measurements. The power loss mechanism of buck converter has to include the transitions in real time operation, which is different from classical power loss model of synchronous buck converter. This model estimates the system efficiency and play a very important role in optimization process. Finally, the second envelope amplifier architecture is integrated with a Class F amplifier. EER system measurement proves the power saving with the proposed envelope amplifier without disrupting the linearity performance.

The use of non-reflecting boundary conditions in soil dynamics

In this paper some aspects of the use of non-reflecting boundaries in dynamic problems, analyzed in time domain, are considered. Current trends for treating the above mentioned problems are summarized with a particular emphasis on the use of numerical techniques, such as Boundary Element Method (BEM) or mixed and hybrid formulations, Finite Element Method (FEM) plus BEM. As an alternative to these methods, an easy time domain boundary condition, obtained from the well known consistent transmitting boundary developed by Waas for frequency domain analysis, can be applied to represent the reactions of the unbounded soil on the interest zone. The behaviour of this proposed boundary condition is studied when waves of different frequency to the one used for its obtention are acting on the physical edge of the model. As an application example,an analysis is made of the soil-structure interaction of a rigid strip foundation on a horizontal non-linear elastic layer on bed rock. The results obtained suggest the need of time domain solutions for this type of problem

Axisymmetric long liquid bridges in a time-dependent microgravity field

This paper deals with the dynamics of liquid bridges when subjected to an oscillatory microgravity field. The analysis has been performed by using a one-dimensional slice model, already used in liquid bridge problems, which allows to calculate not only the resonance frequencies of a wide range of such fluid configurations but also the dependence of the dynamic response of the liquid bridge on the frequency on the imposed perturbations. Theoretical results are compared with experimental ones obtained aboard Spacelab-Dl, the agreement between theoretical and experimental results being satisfactory

Influencia del ejercicio físico desarrollado durante el embarazo en la respuesta cardiaca fetal = Influence of a physical activity program performed during pregnancy on fetal heart response

INTRODUCCIÓN: El riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares y los índices de obesidad infantil han ido en aumento durante los últimos años empobreciendo la salud de la población. La Teoría de Barker relaciona el estado de salud de la madre con el desarrollo fetal, asociando a un deficiente estado físico y hábitos de vida negativos de la mujer embarazada con el aumento del riesgo de padecer cardiopatías en la infancia y adolescencia, así como predisponer al recién nacido a padecer sobrepeso y/u obesidad en su vida posterior. Por otro lado los estudios efectuados sobre ejercicio físico durante el embarazo reportan beneficios para salud materna y fetal. Uno de los parámetros más utilizados para comprobar la salud fetal es su frecuencia cardiaca, mediante la que se comprueba el buen desarrollo del sistema nervioso autónomo. Si se observa este parámetro en presencia de ejercicio materno podría encontrarse una respuesta crónica del corazón fetal al ejercicio materno como consecuencia de una adaptación y mejora en el funcionamiento del sistema nervioso autónomo del feto. De esta forma podría mejorar su salud cardiovascular intrauterina, lo que podría mantenerse en su vida posterior descendiendo el riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares en la edad adulta. OBJETIVOS: Conocer la influencia de un programa de ejercicio físico supervisado en la frecuencia cardiaca fetal (FCF) en reposo y después del ejercicio materno en relación con gestantes sedentarias mediante la realización de un protocolo específico. Conocer la influencia de un programa de ejercicio físico en el desarrollo del sistema nervioso autónomo fetal, relacionado con el tiempo de recuperación de la FCF. MATERIAL Y MÉTODO: Se diseñó un ensayo clínico aleatorizado multicéntrico en el que participaron 81 gestantes (GC=38, GE=43). El estudio fue aprobado por el comité ético de los hospitales que participaron en el estudio. Todas las gestantes fueron informadas y firmaron un consentimiento para su participación en el estudio. Las participantes del GE recibieron una intervención basada en un programa de ejercicio físico desarrollado durante la gestación (12-36 semanas de gestación) con una frecuencia de tres veces por semana. Todas las gestantes realizaron un protocolo de medida de la FCF entre las semanas 34-36 de gestación. Dicho protocolo consistía en dos test llevados a cabo caminando a diferentes intensidades (40% y 60% de la frecuencia cardiaca de reserva). De este protocolo se obtuvieron las principales variables de estudio: FCF en reposo, FCF posejercicio al 40 y al 60% de intensidad, tiempo de recuperación de la frecuencia cardiaca fetal en ambos esfuerzos. El material utilizado para la realización del protocolo fue un monitor de frecuencia cardiaca para controlar la frecuencia cardiaca de la gestante y un monitor fetal inalámbrico (telemetría fetal) para registrar el latido fetal durante todo el protocolo. RESULTADOS: No se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la FCF en reposo entre grupos (GE=140,88 lat/min vs GC= 141,95 lat/min; p>,05). Se encontraron diferencias estadísticamente significativas en el tiempo de recuperación de la FCF entre los fetos de ambos grupos (GE=135,65 s vs GC=426,11 s esfuerzo al 40%; p<,001); (GE=180,26 s vs GC=565,61 s esfuerzo al 60%; p<,001). Se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la FCF posejercicio al 40% (GE=139,93 lat/min vs GC=147,87 lat/min; p<,01). No se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la FCF posejercicio al 60% (GE=143,74 lat/min vs GC=148,08 lat/min; p>,05). CONLUSIÓN: El programa de ejercicio físico desarrollado durante la gestación influyó sobre el corazón fetal de los fetos de las gestantes del GE en relación con el tiempo de recuperación de la FCF. Los resultados muestran un posible mejor funcionamiento del sistema nervioso autónomo en fetos de gestantes activas durante el embarazo. ABSTRACT INTRODUCTION: The risk to suffer cardiovascular diseases and childhood obesity index has grown in the last years worsening the health around the population. Barker´s Theory related maternal health with fetal development establishing an association between a poorly physical state and an unhealthy lifestyle in the pregnant woman with the risk to suffer heart disease during childhood and adolescence, childhood overweight and/or obese is related to maternal lifestyle. By the other way researches carried out about physical exercise and pregnancy show benefits in maternal and fetal health. One of the most studied parameters to check fetal health is its heart rate, correct fetal autonomic nervous system development and work is also corroborated by fetal heart rate. Looking at this parameter during maternal exercise a chronic response of fetal heart could be found due to an adaptation and improvement in the working of the autonomic nervous system. Therefore its cardiovascular health could be enhanced during its intrauterine life and maybe it could be maintained in its posterior life descending the risk to suffer cardiovascular diseases in adult life. OBJECTIVES: To know the influence of a supervised physical activity program in the fetal heart rate (FHR) at rest, FHR after maternal exercise related to sedentary pregnant women by a FHR assessment protocol. To know the influence of a physical activity program in the development of the autonomic nervous system related to FHR recovery time. MATERIAL AND METHOD: A multicentric randomized clinical trial was design in which 81 pregnant women participated (CG=38, EG=43). The study was approved by the ethics committee of all of the hospitals participating in the study. All of the participants signed an informed consent for their participation in the study. EG participants received an intervention based on a physical activity program carried out during gestation (12-36 gestation weeks) with a three days a week frequency. All of the participants were tested between 34-36 weeks of gestation by a specific FHR assessment protocol. The mentioned protocol consisted in two test performed walking and at a two different intensities (40% and 60% of the reserve heart rate). From this protocol we obtained the main research variables: FHR at rest, FHR post-exercise at 40% and 60% intensity, and FHR recovery time at both walking test. The material used to perform the protocol were a FH monitor to check maternal HR and a wireless fetal monitor (Telemetry) to register fetal beats during the whole protocol. RESULTS: There were no statistical differences in FHR at rest between groups (EG=140,88 beats/min vs CG= 141,95 beats/min; p>,05). There were statistical differences in FHR recovery time in both walking tests between groups (EG=135,65 s vs CG=426,11 s test at 40% intensity; p<,001); (EG=180,26 s vs CG=565,61 s test at 60% intensity; p<,001). Statistical differences were found in FHR post-exercise at 40% intensity between groups (EG=139,93 beats/min vs CG=147,87 beats/min; p<,01). No statistical differences were found in FHR at rest post-exercise at 60% intensity between groups (EG=143,74 beats/min vs CG=148,08 beats/min; p>,05). CONCLUSIONS: The physical activity program performed during gestation had an influence in fetal heart of the fetus from mother in the EG related to FHR recovery time. These results show a possible enhancement on autonomic nervous system working in fetus from active mothers during gestation.

An experimental analysis od the stability and the dynamics of asixymmetric liquid bridges between unequal disks

In this paper experimental results related to both stability an the dynamic of a asiximmetric liquid bridge between unequal disk are presented. Experiments have been performed by using a drop tower facility and the response of the liquid bridge to a sudden change of the acceleration level acting on it has bee obtained.

Contribution to Load-Frequency Regulation of a Hydropower Plant with Long Tail-Race Tunnel

In this paper, a hydroelectric power plant with long tail-race tunnel has been modelled for assessing its contribution to secondary regulation reserve. Cavitation problems, caused by the discharge conduit length, are expected downstream the turbine where low pressure appears during regulation manoeuvres. Therefore, governor's gains should be selected taking into account these phenomena. On the other hand, regulation services bidden by the plant operator should fulfil TSO (Transmission System Operator) quality requirements. A methodology for tuning governor PI gains is proposed and applied to a Hydro power plant in pre-design phase in northwest area of Spain. The PI gains adjustment proposed provides a proper plant response, according to some established indexes, while avoiding cavitation phenomena.

The Proper Generalized Decomposition With Application In Problems Of Dynamics

In this paper we address the new reduction method called Proper Generalized Decomposition (PGD) which is a discretization technique based on the use of separated representation of the unknown fields, specially well suited for solving multidimensional parametric equations. In this case, it is applied to the solution of dynamics problems. We will focus on the dynamic analysis of an one-dimensional rod with a unit harmonic load of frequency (ω) applied at a point of interest. In what follows, we will present the application of the methodology PGD to the problem in order to approximate the displacement field as the sum of the separated functions. We will consider as new variables of the problem, parameters models associated with the characteristic of the materials, in addition to the frequency. Finally, the quality of the results will be assessed based on an example.

Output Impedance Correction Circuit (OICC): A New Concept to Improve the Dynamic Response of DC/DC Converters with Additional Energy Path

El desarrollo da las nuevas tecnologías permite a los ingenieros llevar al límite el funcionamiento de los circuitos integrados (Integrated Circuits, IC). Las nuevas generaciones de procesadores, DSPs o FPGAs son capaces de procesar la información a una alta velocidad, con un alto consumo de energía, o esperar en modo de baja potencia con el mínimo consumo posible. Esta gran variación en el consumo de potencia y el corto tiempo necesario para cambiar de un nivel al otro, afecta a las especificaciones del Módulo de Regulador de Tensión (Voltage Regulated Module, VRM) que alimenta al IC. Además, las características adicionales obligatorias, tales como adaptación del nivel de tensión (Adaptive Voltage Positioning, AVP) y escalado dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scaling, DVS), imponen requisitos opuestas en el diseño de la etapa de potencia del VRM. Para poder soportar las altas variaciones de los escalones de carga, el condensador de filtro de salida del VRM se ha de sobredimensionar, penalizando la densidad de energía y el rendimiento durante la operación de DVS. Por tanto, las actuales tendencias de investigación se centran en mejorar la respuesta dinámica del VRM, mientras se reduce el tamaño del condensador de salida. La reducción del condensador de salida lleva a menor coste y una prolongación de la vida del sistema ya que se podría evitar el uso de condensadores voluminosos, normalmente implementados con condensadores OSCON. Una ventaja adicional es que reduciendo el condensador de salida, el DVS se puede realizar más rápido y con menor estrés de la etapa de potencia, ya que la cantidad de carga necesaria para cambiar la tensión de salida es menor. El comportamiento dinámico del sistema con un control lineal (Control Modo Tensión, VMC, o Control Corriente de Pico, Peak Current Mode Control, PCMC,…) está limitado por la frecuencia de conmutación del convertidor y por el tamaño del filtro de salida. La reducción del condensador de salida se puede lograr incrementando la frecuencia de conmutación, así como incrementando el ancho de banda del sistema, y/o aplicando controles avanzados no-lineales. Usando esos controles, las variables del estado se saturan para conseguir el nuevo régimen permanente en un tiempo mínimo, así como el filtro de salida, más específicamente la pendiente de la corriente de la bobina, define la respuesta de la tensión de salida. Por tanto, reduciendo la inductancia de la bobina de salida, la corriente de bobina llega más rápido al nuevo régimen permanente, por lo que una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida durante el tránsito. El inconveniente de esa propuesta es que el rendimiento del sistema es penalizado debido al incremento de pérdidas de conmutación y las corrientes RMS. Para conseguir tanto la reducción del condensador de salida como el alto rendimiento del sistema, mientras se satisfacen las estrictas especificaciones dinámicas, un convertidor multifase es adoptado como estándar para aplicaciones VRM. Para asegurar el reparto de las corrientes entre fases, el convertidor multifase se suele implementar con control de modo de corriente. Para superar la limitación impuesta por el filtro de salida, la segunda posibilidad para reducir el condensador de salida es aplicar alguna modificación topológica (Topologic modifications) de la etapa básica de potencia para incrementar la pendiente de la corriente de bobina y así reducir la duración de tránsito. Como el transitorio se ha reducido, una menor cantidad de carga es tomada del condensador de salida bajo el mismo escalón de la corriente de salida, con lo cual, el condensador de salida se puede reducir para lograr la misma desviación de la tensión de salida. La tercera posibilidad para reducir el condensador de salida del convertidor es introducir un camino auxiliar de energía (additional energy path, AEP) para compensar el desequilibrio de la carga del condensador de salida reduciendo consecuentemente la duración del transitorio y la desviación de la tensión de salida. De esta manera, durante el régimen permanente, el sistema tiene un alto rendimiento debido a que el convertidor principal con bajo ancho de banda es diseñado para trabajar con una frecuencia de conmutación moderada para conseguir requisitos estáticos. Por otro lado, el comportamiento dinámico durante los transitorios es determinado por el AEP con un alto ancho de banda. El AEP puede ser implementado como un camino resistivo, como regulador lineal (Linear regulator, LR) o como un convertidor conmutado. Las dos primeras implementaciones proveen un mayor ancho de banda, acosta del incremento de pérdidas durante el transitorio. Por otro lado, la implementación del convertidor computado presenta menor ancho de banda, limitado por la frecuencia de conmutación, aunque produce menores pérdidas comparado con las dos anteriores implementaciones. Dependiendo de la aplicación, la implementación y la estrategia de control del sistema, hay una variedad de soluciones propuestas en el Estado del Arte (State-of-the-Art, SoA), teniendo diferentes propiedades donde una solución ofrece más ventajas que las otras, pero también unas desventajas. En general, un sistema con AEP ideal debería tener las siguientes propiedades: 1. El impacto del AEP a las pérdidas del sistema debería ser mínimo. A lo largo de la operación, el AEP genera pérdidas adicionales, con lo cual, en el caso ideal, el AEP debería trabajar por un pequeño intervalo de tiempo, solo durante los tránsitos; la otra opción es tener el AEP constantemente activo pero, por la compensación del rizado de la corriente de bobina, se generan pérdidas innecesarias. 2. El AEP debería ser activado inmediatamente para minimizar la desviación de la tensión de salida. Para conseguir una activación casi instantánea, el sistema puede ser informado por la carga antes del escalón o el sistema puede observar la corriente del condensador de salida, debido a que es la primera variable del estado que actúa a la perturbación de la corriente de salida. De esa manera, el AEP es activado con casi cero error de la tensión de salida, logrando una menor desviación de la tensión de salida. 3. El AEP debería ser desactivado una vez que el nuevo régimen permanente es detectado para evitar los transitorios adicionales de establecimiento. La mayoría de las soluciones de SoA estiman la duración del transitorio, que puede provocar un transitorio adicional si la estimación no se ha hecho correctamente (por ejemplo, si la corriente de bobina del convertidor principal tiene un nivel superior o inferior al necesitado, el regulador lento del convertidor principal tiene que compensar esa diferencia una vez que el AEP es desactivado). Otras soluciones de SoA observan las variables de estado, asegurando que el sistema llegue al nuevo régimen permanente, o pueden ser informadas por la carga. 4. Durante el transitorio, como mínimo un subsistema, o bien el convertidor principal o el AEP, debería operar en el lazo cerrado. Implementando un sistema en el lazo cerrado, preferiblemente el subsistema AEP por su ancho de banda elevado, se incrementa la robustez del sistema a los parásitos. Además, el AEP puede operar con cualquier tipo de corriente de carga. Las soluciones que funcionan en el lazo abierto suelen preformar el control de balance de carga con mínimo tiempo, así reducen la duración del transitorio y tienen un impacto menor a las pérdidas del sistema. Por otro lado, esas soluciones demuestran una alta sensibilidad a las tolerancias y parásitos de los componentes. 5. El AEP debería inyectar la corriente a la salida en una manera controlada, así se reduce el riesgo de unas corrientes elevadas y potencialmente peligrosas y se incrementa la robustez del sistema bajo las perturbaciones de la tensión de entrada. Ese problema suele ser relacionado con los sistemas donde el AEP es implementado como un convertidor auxiliar. El convertidor auxiliar es diseñado para una potencia baja, con lo cual, los dispositivos elegidos son de baja corriente/potencia. Si la corriente no es controlada, bajo un pico de tensión de entrada provocada por otro parte del sistema (por ejemplo, otro convertidor conectado al mismo bus), se puede llegar a un pico en la corriente auxiliar que puede causar la perturbación de tensión de salida e incluso el fallo de los dispositivos del convertidor auxiliar. Sin embargo, cuando la corriente es controlada, usando control del pico de corriente o control con histéresis, la corriente auxiliar tiene el control con prealimentación (feed-forward) de tensión de entrada y la corriente es definida y limitada. Por otro lado, si la solución utiliza el control de balance de carga, el sistema puede actuar de forma deficiente si la tensión de entrada tiene un valor diferente del nominal, provocando que el AEP inyecta/toma más/menos carga que necesitada. 6. Escalabilidad del sistema a convertidores multifase. Como ya ha sido comentado anteriormente, para las aplicaciones VRM por la corriente de carga elevada, el convertidor principal suele ser implementado como multifase para distribuir las perdidas entre las fases y bajar el estrés térmico de los dispositivos. Para asegurar el reparto de las corrientes, normalmente un control de modo corriente es usado. Las soluciones de SoA que usan VMC son limitadas a la implementación con solo una fase. Esta tesis propone un nuevo método de control del flujo de energía por el AEP y el convertidor principal. El concepto propuesto se basa en la inyección controlada de la corriente auxiliar al nodo de salida donde la amplitud de la corriente es n-1 veces mayor que la corriente del condensador de salida con las direcciones apropiadas. De esta manera, el AEP genera un condensador virtual cuya capacidad es n veces mayor que el condensador físico y reduce la impedancia de salida. Como el concepto propuesto reduce la impedancia de salida usando el AEP, el concepto es llamado Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. El concepto se desarrolla para un convertidor tipo reductor síncrono multifase con control modo de corriente CMC (incluyendo e implementación con una fase) y puede operar con la tensión de salida constante o con AVP. Además, el concepto es extendido a un convertidor de una fase con control modo de tensión VMC. Durante la operación, el control de tensión de salida de convertidor principal y control de corriente del subsistema OICC están siempre cerrados, incrementando la robustez a las tolerancias de componentes y a los parásitos del cirquito y permitiendo que el sistema se pueda enfrentar a cualquier tipo de la corriente de carga. Según el método de control propuesto, el sistema se puede encontrar en dos estados: durante el régimen permanente, el sistema se encuentra en el estado Idle y el subsistema OICC esta desactivado. Por otro lado, durante el transitorio, el sistema se encuentra en estado Activo y el subsistema OICC está activado para reducir la impedancia de salida. El cambio entre los estados se hace de forma autónoma: el sistema entra en el estado Activo observando la corriente de condensador de salida y vuelve al estado Idle cunado el nuevo régimen permanente es detectado, observando las variables del estado. La validación del concepto OICC es hecha aplicándolo a un convertidor tipo reductor síncrono con dos fases y de 30W cuyo condensador de salida tiene capacidad de 140μF, mientras el factor de multiplicación n es 15, generando en el estado Activo el condensador virtual de 2.1mF. El subsistema OICC es implementado como un convertidor tipo reductor síncrono con PCMC. Comparando el funcionamiento del convertidor con y sin el OICC, los resultados demuestran que se ha logrado una reducción de la desviación de tensión de salida con factor 12, tanto con funcionamiento básico como con funcionamiento AVP. Además, los resultados son comparados con un prototipo de referencia que tiene la misma etapa de potencia y un condensador de salida físico de 2.1mF. Los resultados demuestran que los dos sistemas tienen el mismo comportamiento dinámico. Más aun, se ha cuantificado el impacto en las pérdidas del sistema operando bajo una corriente de carga pulsante y bajo DVS. Se demuestra que el sistema con OICC mejora el rendimiento del sistema, considerando las pérdidas cuando el sistema trabaja con la carga pulsante y con DVS. Por lo último, el condensador de salida de sistema con OICC es mucho más pequeño que el condensador de salida del convertidor de referencia, con lo cual, por usar el concepto OICC, la densidad de energía se incrementa. En resumen, las contribuciones principales de la tesis son: • El concepto propuesto de Output Impedance Correction Circuit (OICC), • El control a nivel de sistema basado en el método usado para cambiar los estados de operación, • La implementación del subsistema OICC en lazo cerrado conjunto con la implementación del convertidor principal, • La cuantificación de las perdidas dinámicas bajo la carga pulsante y bajo la operación DVS, y • La robustez del sistema bajo la variación del condensador de salida y bajo los escalones de carga consecutiva. ABSTRACT Development of new technologies allows engineers to push the performance of the integrated circuits to its limits. New generations of processors, DSPs or FPGAs are able to process information with high speed and high consumption or to wait in low power mode with minimum possible consumption. This huge variation in power consumption and the short time needed to change from one level to another, affect the specifications of the Voltage Regulated Module (VRM) that supplies the IC. Furthermore, additional mandatory features, such as Adaptive Voltage Positioning (AVP) and Dynamic Voltage Scaling (DVS), impose opposite trends on the design of the VRM power stage. In order to cope with high load-step amplitudes, the output capacitor of the VRM power stage output filter is drastically oversized, penalizing power density and the efficiency during the DVS operation. Therefore, the ongoing research trend is directed to improve the dynamic response of the VRM while reducing the size of the output capacitor. The output capacitor reduction leads to a smaller cost and longer life-time of the system since the big bulk capacitors, usually implemented with OSCON capacitors, may not be needed to achieve the desired dynamic behavior. An additional advantage is that, by reducing the output capacitance, dynamic voltage scaling (DVS) can be performed faster and with smaller stress on the power stage, since the needed amount of charge to change the output voltage is smaller. The dynamic behavior of the system with a linear control (Voltage mode control, VMC, Peak Current Mode Control, PCMC,…) is limited by the converter switching frequency and filter size. The reduction of the output capacitor can be achieved by increasing the switching frequency of the converter, thus increasing the bandwidth of the system, and/or by applying advanced non-linear controls. Applying nonlinear control, the system variables get saturated in order to reach the new steady-state in a minimum time, thus the output filter, more specifically the output inductor current slew-rate, determines the output voltage response. Therefore, by reducing the output inductor value, the inductor current reaches faster the new steady state, so a smaller amount of charge is taken from the output capacitor during the transient. The drawback of this approach is that the system efficiency is penalized due to increased switching losses and RMS currents. In order to achieve both the output capacitor reduction and high system efficiency, while satisfying strict dynamic specifications, a Multiphase converter system is adopted as a standard for VRM applications. In order to ensure the current sharing among the phases, the multiphase converter is usually implemented with current mode control. In order to overcome the limitation imposed by the output filter, the second possibility to reduce the output capacitor is to apply Topologic modifications of the basic power stage topology in order to increase the slew-rate of the inductor current and, therefore, reduce the transient duration. Since the transient is reduced, smaller amount of charge is taken from the output capacitor under the same load current, thus, the output capacitor can be reduced to achieve the same output voltage deviation. The third possibility to reduce the output capacitor of the converter is to introduce an additional energy path (AEP) to compensate the charge unbalance of the output capacitor, consequently reducing the transient time and output voltage deviation. Doing so, during the steady-state operation the system has high efficiency because the main low-bandwidth converter is designed to operate at moderate switching frequency, to meet the static requirements, whereas the dynamic behavior during the transients is determined by the high-bandwidth auxiliary energy path. The auxiliary energy path can be implemented as a resistive path, as a Linear regulator, LR, or as a switching converter. The first two implementations provide higher bandwidth, at the expense of increasing losses during the transient. On the other hand, the switching converter implementation presents lower bandwidth, limited by the auxiliary converter switching frequency, though it produces smaller losses compared to the two previous implementations. Depending on the application, the implementation and the control strategy of the system, there is a variety of proposed solutions in the State-of-the-Art (SoA), having different features where one solution offers some advantages over the others, but also some disadvantages. In general, an ideal additional energy path system should have the following features: 1. The impact on the system losses should be minimal. During its operation, the AEP generates additional losses, thus ideally, the AEP should operate for a short period of time, only when the transient is occurring; the other option is to have the AEP constantly on, but due to the inductor current ripple compensation at the output, unnecessary losses are generated. 2. The AEP should be activated nearly instantaneously to prevent bigger output voltage deviation. To achieve near instantaneous activation, the converter system can be informed by the load prior to the load-step or the system can observe the output capacitor current, which is the first system state variable that reacts on the load current perturbation. In this manner, the AEP is turned on with near zero output voltage error, providing smaller output voltage deviation. 3. The AEP should be deactivated once the new steady state is reached to avoid additional settling transients. Most of the SoA solutions estimate duration of the transient which may cause additional transient if the estimation is not performed correctly (e.g. if the main converter inductor current has higher or lower value than needed, the slow regulator of the main converter needs to compensate the difference after the AEP is deactivated). Other SoA solutions are observing state variables, ensuring that the system reaches the new steady state or they are informed by the load. 4. During the transient, at least one subsystem, either the main converter or the AEP, should be in closed-loop. Implementing a closed loop system, preferably the AEP subsystem, due its higher bandwidth, increases the robustness under system tolerances and circuit parasitic. In addition, the AEP can operate with any type of load. The solutions that operate in open loop usually perform minimum time charge balance control, thus reducing the transient length and minimizing the impact on the losses, however they are very sensitive to tolerances and parasitics. 5. The AEP should inject current at the output in a controlled manner, thus reducing the risk of high and potentially damaging currents and increasing robustness on the input voltage deviation. This issue is mainly related to the systems where AEP is implemented as auxiliary converter. The auxiliary converter is designed for small power and, as such, the MOSFETs are rated for small power/currents. If the current is not controlled, due to the some unpredicted spike in input voltage caused by some other part of the system (e.g. different converter), it may lead to a current spike in auxiliary current which will cause the perturbation of the output voltage and even failure of the switching components of auxiliary converter. In the case when the current is controlled, using peak CMC or Hysteretic Window CMC, the auxiliary converter has inherent feed-forwarding of the input voltage in current control and the current is defined and limited. Furthermore, if the solution employs charge balance control, the system may perform poorly if the input voltage has different value than the nominal, causing that AEP injects/extracts more/less charge than needed. 6. Scalability of the system to multiphase converters. As commented previously, in VRM applications, due to the high load currents, the main converters are implemented as multiphase to redistribute losses among the modules, lowering temperature stress of the components. To ensure the current sharing, usually a Current Mode Control (CMC) is employed. The SoA solutions that are implemented with VMC are limited to a single stage implementation. This thesis proposes a novel control method of the energy flow through the AEP and the main converter system. The proposed concept relays on a controlled injection of the auxiliary current at the output node where the instantaneous current value is n-1 times bigger than the output capacitor current with appropriate directions. Doing so, the AEP creates an equivalent n times bigger virtual capacitor at the output, thus reducing the output impedance. Due to the fact that the proposed concept reduces the output impedance using the AEP, it has been named the Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept. The concept is developed for a multiphase CMC synchronous buck converter (including a single phase implementation), operating with a constant output voltage and with AVP feature. Further, it is extended to a single phase VMC synchronous buck converter. During the operation, the main converter voltage loop and the OICC subsystem capacitor current loop is constantly closed, increasing the robustness under system tolerances and circuit parasitic and allowing the system to operate with any load-current shape or pattern. According to the proposed control method, the system operates in two states: during the steady-state the system is in the Idle state and the OICC subsystem is deactivated, while during the load-step transient the system is in the Active state and the OICC subsystem is activated in order to reduce the output impedance. The state changes are performed autonomously: the system enters in the Active state by observing the output capacitor current and it returns back to the Idle state when the steady-state operation is detected by observing the state variables. The validation of the OICC concept has been done by applying it to a 30W two phase synchronous buck converter with 140μF output capacitor and with the multiplication factor n equal to 15, generating during the Active state equivalent output capacitor of 2.1mF. The OICC subsystem is implemented as single phase PCMC synchronous buck converter. Comparing the converter operation with and without the OICC the results demonstrate that the 12 times reduction of the output voltage deviation is achieved, for both basic operation and for the AVP operation. Furthermore, the results have been compared to a reference prototype which has the same power stage and a fiscal output capacitor of 2.1mF. The results show that the two systems have the same dynamic behavior. Moreover, an impact on the system losses under the pulsating load and DVS operation has been quantified and it has been demonstrated that the OICC system has improved the system efficiency, considering the losses when the system operates with the pulsating load and the DVS operation. Lastly, the output capacitor of the OICC system is much smaller than the reference design output capacitor, therefore, by applying the OICC concept the power density can be increased. In summary, the main contributions of the thesis are: • The proposed Output Impedance Correction Circuit (OICC) concept, • The system level control based on the used approach to change the states of operation, • The OICC subsystem closed-loop implementation, together with the main converter implementation, • The dynamic losses under the pulsating load and the DVS operation quantification, and • The system robustness on the capacitor impedance variation and consecutive load-steps.

Influence of soil stiffness on the dynamic response of an offshore wind turbine

La industria de la energía eólica marina ha crecido de forma significativa durante los últimos 15 años, y se espera que siga creciendo durante los siguientes. La construcción de torres en aguas cada vez más profundas y el aumento en potencia y tamaño de las turbinas han creado la necesidad de diseñar estructuras de soporte cada vez más fiables y optimizadas, lo que requiere un profundo conocimiento de su comportamiento. Este trabajo se centra en la respuesta dinámica de una turbina marina con cimentación tipo monopilote y sobre la que actúa la fuerza del viento. Se han realizado cálculos con distintas propiedades del suelo para cubrir un rango de rigideces que va desde una arena muy suelta a una muy densa. De este modo se ha analizado la influencia que tiene la rigidez del suelo en el comportamiento de la estructura. Se han llevado a cabo análisis estáticos y dinámicos en un modelo de elementos finitos implementado en Abaqus. El desplazamiento en la cabeza de la torre y la tensión en su base se han obtenido en función de la rigidez del suelo, y con ellos se ha calculado la amplificación dinámica producida cuando la frecuencia natural del sistema suelo‐cimentación torre se aproxima a la frecuencia de la carga. Dos diferentes enfoques a la hora de modelizar el suelo se han comparado: uno utilizando elementos continuos y otro utilizando muelles elásticos no lineales. Por último, un análisis de fiabilidad se ha llevado a cabo con un modelo analítico para calcular la probabilidad de resonancia del sistema, en el que se han considerado las propiedades de rigidez del suelo como variables aleatorias. Offshore wind energy industry has experienced a significant growth over the past 15 years, and it is expected to continue its growth in the coming years. The expansion to increasingly deep waters and the rise in power and size of the turbines have led to a need for more reliable and optimized support designs, which requires an extensive knowledge of the behaviour of these structures. This work focuses on the dynamic response of an offshore wind turbine founded on a monopile and subjected to wind loading. Different soil properties have been considered in order to cover the range of stiffness from a very loose to a very dense sand. In this way, the influence of stiffness on the structure behaviour has been assessed. Static and dynamic analyses have been carried out by means of a finite element model implemented in Abaqus. Head displacement and stress at the tower base have been obtained as functions of soil stiffness, and they have been used to calculate the dynamic amplification that is produced when the natural frequency of the system soil‐foundation‐tower approaches the load frequency. Two different approaches of soil modelling have been compared: soil modelled as a continuum and soil simulated with non linear elastic springs. Finally, a reliability analysis to assess the probability of resonance has been performed with an analytical model, in which soil stiffness properties are considered as stochastic variables.

Asymptotic and computational analysis of mistuning effects on the dynamics of bladed disks

Es bien conocido que las pequeñas imperfecciones existentes en los álabes de un rótor de turbomaquinaria (conocidas como “mistuning”) pueden causar un aumento considerable de la amplitud de vibración de la respuesta forzada y, por el contrario, tienen típicamente un efecto beneficioso en el flameo del rótor. Para entender estos efectos se pueden llevar a cabo estudios numéricos del problema aeroelástico completo. Sin embargo, el cálculo de “mistuning” usando modelos de alta resolución es una tarea difícil de realizar, ya que los modelos necesarios para describir de manera precisa el componente de turbomáquina (por ejemplo rotor) tienen, necesariamente, un número muy elevado de grados de libertad, y, además, es necesario hacer un estudio estadístico para poder explorar apropiadamente las distribuciones posibles de “mistuning”, que tienen una naturaleza aleatoria. Diferentes modelos de orden reducido han sido desarrollados en los últimos años para superar este inconveniente. Uno de estos modelos, llamado “Asymptotic Mistuning Model (AMM)”, se deriva de la formulación completa usando técnicas de perturbaciones que se basan en que el “mistuning” es pequeño. El AMM retiene sólo los modos relevantes para describir el efecto del mistuning, y permite identificar los mecanismos clave involucrados en la amplificación de la respuesta forzada y en la estabilización del flameo. En este trabajo, el AMM se usa para estudiar el efecto del “mistuning” de la estructura y de la amortiguación sobre la amplitud de la respuesta forzada. Los resultados obtenidos son validados usando modelos simplificados del rotor y también otros de alta definición. Además, en el marco del proyecto europeo FP7 "Flutter-Free Turbomachinery Blades (FUTURE)", el AMM se aplica para diseñar distribuciones de “mistuning” intencional: (i) una que anula y (ii) otra que reduce a la mitad la amplitud del flameo de un rotor inestable; y las distribuciones obtenidas se validan experimentalmente. Por último, la capacidad de AMM para predecir el comportamiento de flameo de rotores con “mistuning” se comprueba usando resultados de CFD detallados. Abstract It is well known that the small imperfections of the individual blades in a turbomachinery rotor (known as “mistuning”) can cause a substantial increase of the forced response vibration amplitude, and it also typically results in an improvement of the flutter vibration characteristics of the rotor. The understanding of these phenomena can be attempted just by performing numerical simulations of the complete aeroelastic problem. However, the computation of mistuning cases using high fidelity models is a formidable task, because a detailed model of the whole rotor has to be considered, and a statistical study has to be carried out in order to properly explore the effect of the random mistuning distributions. Many reduced order models have been developed in recent years to overcome this barrier. One of these models, called the Asymptotic Mistuning Model (AMM), is systematically derived from the complete bladed disk formulation using a consistent perturbative procedure that exploits the smallness of mistuning to simplify the problem. The AMM retains only the essential system modes that are involved in the mistuning effect, and it allows to identify the key mechanisms of the amplification of the forced response amplitude and the flutter stabilization. In this work, AMM methodolgy is used to study the effect of structural and damping mistuning on the forced response vibration amplitude. The obtained results are verified using a one degree of freedom model of a rotor, and also high fidelity models of the complete rotor. The AMM is also applied, in the frame of the European FP7 project “Flutter-Free Turbomachinery Blades (FUTURE)”, to design two intentional mistuning patterns: (i) one to complete stabilize an unstable rotor, and (ii) other to approximately reduce by half its flutter amplitude. The designed patterns are validated experimentally. Finally, the ability of AMM to predict the flutter behavior of mistuned rotors is checked against numerical, high fidelity CFD results.

Frequency control support of a wind-solar isolated system by a hydropower plant with long tail-race tunnel

Pumped storage hydro plants (PSHP) can provide adequate energy storage and frequency regulation capacities in isolated power systems having significant renewable energy resources. Due to its high wind and solar potential, several plans have been developed for La Palma Island in the Canary archipelago, aimed at increasing the penetration of these energy sources. In this paper, the performance of the frequency control of La Palma power system is assessed, when the demand is supplied by the available wind and solar generation with the support of a PSHP which has been predesigned for this purpose. The frequency regulation is provided exclusively by the PSHP. Due to topographic and environmental constraints, this plant has a long tail-race tunnel without a surge tank. In this configuration, the effects of pressure waves cannot be neglected and, therefore, usual recommendations for PID governor tuning provide poor performance. A PI governor tuning criterion is proposed for the hydro plant and compared with other criteria according to several performance indices. Several scenarios considering solar and wind energy penetration have been simulated to check the plant response using the proposed criterion. This tuning of the PI governor maintains La Palma system frequency within grid code requirements.

Estructura espacial y dinámica del bosque montano del sur del Ecuador. Interacciones bióticas y limitaciones abióticas

Muchos estudios han descrito la composición y diversidad de los bosques montanos tropicales, pero los patrones espaciales y las diferentes tipos de relaciones de estos, entre especies o entre grupos funcionales ha sido poco documentada. El presente trabajo se realizó en tres parcelas completamente censadas del bosque de la Estación Biológica “Chamusquin” (Zamora Chinchipe, Ecuador), y se plantea como objetivo principal conocer la estructura espacial y dinámica del bosque montano tropical del sur del Ecuador, así como las interacciones bióticas y limitaciones abióticas que influyen en esta dinámica, para ello se planteó cuatro objetivos de estudio que son: conocer los patrones espaciales de los gremios ecológicos dentro de la zona de estudio; conocer la influencia de la dependencia negativa de la densidad sobre dos especies de helechos arborescentes (Cyatheaceae); conocer si existen especies o grupos ecológicos acumuladoras o repulsoras de diversidad en el área de estudio; y conocer cómo influyen la diversidad filogenética y la densidad del vecindario en la incidencia de herbivoría y parasitismo sobre las fases iniciales del establecimiento forestal (brinzales) así como en la supervivencia de los mismos Como paso previo para el análisis del resto de objetivos, dentro de cada parcela se marcaron todos los individuos con DAP ≥5 cm y se tomaron sus coordenadas (X, Y). Además se tomaron datos de variables superficiales y muestras del suelo. Las especies encontradas se clasificaron de acuerdo a sus características biológicas, asignándolas a cada uno de los cuatro gremios forestales usualmente distinguidos en los bosques tropicales: tolerantes a la sombra (TS), tolerantes parciales a la sombra (TPS), pioneras de vida larga (PVL) y pioneras de vida corta (PVC). Para el estudio del primer objetivo tas se emplearon funciones K de Ripley inhomogéneas, ajustando la heterogeneidad en base a la variación espacial de las variables ambientales registradas . Los resultados demostraron que tanto la frecuencia relativa como el patrón espacial de las diferentes estrategias funcionales varían a lo largo de la sucesión y que éste además está influido por la variación ambiental. En adición, tanto el patrón espacial como la respuesta a la variación ambiental de los diferentes gremios es distinta entre adultos y juveniles. Todo ello sugiere que el ensamblaje de la diversidad en los bosque montanos andinos está controlado por procesos deterministas más que por procesos neutrales. Para responder el segundo objetivo se estudiaron los efectos de la dependencia negativa de la densidad (DND) y la heterogeneidad ambiental en las poblaciones de dos especies de helechos arborescentes abundantes, Cyathea caracasana y Alsophila engelii, y cómo estos efectos cambian a través de un gradiente sucesional. Los patrones de especies albergan información sobre procesos tales como la competencia que puede ser revelado fácilmente utilizando técnicas de análisis de patrones punto. Sin embargo, su detección puede ser difícil debido a los efectos de factores de confusión heterogeneidad del hábitat. Aquí, empleamos funciones K y funciones de correlación de par homogéneas y no homogéneas para cuantificar el cambio en el patrón espacial de diferentes clases de tamaño con un diseño de casos-controles para estudiar las asociaciones entre helechos arborescentes jóvenes y adultos. Usando estimaciones espaciales de la biomasa de los cuatro tipos de gremios ecológicos (PVC, PVL, TPS, TS) como covariables, hemos ajustado modelos de Poisson heterogéneos a los patrones de puntos de de los helechos juveniles y los adultos y hemos explorado además la existencia de dependencia del hábitat en estos patrones. Nuestro estudio reveló efectos de la DND para C. caracasana y un fuerte filtrado ambiental que subyace al patrón de A. engelii. Encontramos también que las poblaciones de adultos y juveniles de ambas especies respondieron de manera diferente a la heterogeneidad del hábitat y en la mayoría de los casos esta heterogeneidad se asoció con la distribución espacial de la biomasa de los cuatro tipos de gremios. Estos resultados muestran la eficacia de controlar los efectos de la heterogeneidad ambiental para evitar su confusión con los patrones derivados de interacciones biológicas cuando se estudia la DND y demuestran la utilidad de los mapas de covariables derivados de comunidades biológicas como resumen de la heterogeneidad ambiental. Para nuestro tercer objetivo nos centramos en explorar cómo influyen las especies más abundantes en la organización espacial de la diversidad a lo largo de un gradiente sucesional en el bosque montano del sur del Ecuador. Para ello utilizamos la función ISAR (Individual Species Area Relationship). Encontramos que la frecuencia de especies neutras, repulsoras y acumuladoras de diversidad taxonómica varía dependiendo del grado de sucesión. Además se comprobó que la mayoría de los gremios forestales se comportó de forma neutral, pero la proporción de acumuladores, aumentó al avanzar la sucesión hacia estados más maduros, lo que indica el establecimiento de fuertes procesos competitivos a medida que avanza la sucesión y la mayor importancia del papel de las especies individuales en dichos estados. Finalmente, examinamos el efecto de la vecindad taxonómica y filogenética, así como la estrategia de vida, sobre la incidencia de la herbivoría y el parasitismo en las poblaciones de brinzales de tres fragmentos forestales en una secuencia sucesional del bosque montano húmedo. Evaluamos además los efectos de herbivoría, parasitismo, estrategia de vida y diferentes indicadores de la vecindad sobre la supervivencia de los brinzales. Por último contrastamos la posible existencia de una tendencia compensatoria de la comunidad (CCT) a nivel de fragmento forestal. Nuestros análisis no consiguieron detectar una CCT pero si pusieron de manifiesto la existencia de efectos locales de dependencia negativa de la densidad. Por ejemplo, la presencia de herbivoría y parasitismo sobre los brinzales se relacionó significativamente con una menor supervivencia de estos. Por otro lado, indicadores del efecto de la vecindad como la densidad de brinzales del mismo género y el área basal de árboles vecinos del mismo género incrementaron la prevalencia de la herbivoría o el parasitismo en los brinzales. El incremento de la incidencia de la herbivoría o el parasitismo no está exclusivamente ligado a tener una vecindad taxonómicamente idéntica (vecinos de la misma especie) sino que categorías taxonómicas más laxas como el "género" o simplemente relaciones de semejanza filogenética son capaces de predecir los efectos negativos de la vecindad. Los efectos detectados variaron en los diferentes grupos funcionales distinguidos. Los resultados que hemos obtenido en este trabajo parecen indicar que el funcionamiento de las comunidades de brinzales del bosque montano tropical no difiere mucho del reportado para comunidades de plántulas en otros bosques tropicales y cumple las predicciones de la hipótesis de Janzen y Connell, aunque matizadas por la mayor resistencia de los brinzales al efecto de herbivoría y parasitismo. ABSTRACT Many studies have described the composition and diversity of tropical montane forests, but the different spatial patterns and types of relationships between species or between functional groups has been poorly documented. This work was made in three completely surveyed forest plots at Biological Station "Chamusquin" (Zamora Chinchipe, Ecuador). Our main objective was to know the spatial structure and dynamics of the tropical montane forest in southern Ecuador, as well as the biotic interactions and abiotic constraints affecting this dynamic. More specifically, we aimed to understand the spatial patterns of ecological guilds; to explore the influence of negative density dependence on two species of tree ferns (Cyatheaceae); to determine whether some species or ecological groups structure spatially plant diversity in these forests; and to test the effects of biological neighborhood on the incidence of herbivory and parasitism and on the survival of saplings. We mapped within each plot all trees with DBH ≥5 cm. Besides, surface data variables and soil samples they were taken. The species found were classified according to their biological characteristics in four forest guilds: shade-tolerant (ST), partial shade tolerant (PST), long-lived pioneer (LLP) and short-lived pioneer (SLP). To analyze the spatial patterns of the ecological guilds, we employed the inhomogeneous version of Ripley's K-function and adjusted heterogeneity surfaces based on the spatial variation of the measured environmental variables. The results showed that both the relative frequency of each functional guild as well as their spatial pattern varied throughout succession and that the spatial pattern is explained by environmental variation. In addition, both spatial pattern and the response to spatial variation of each guild varied throughout ontogeny. All in all suggest that diversity assembly in the studied forests is ruled by deterministic instead of neutral processes. We also addressed the negative effects of density dependence (NDD) and environmental heterogeneity in populations of two species of abundant tree ferns, Cyathea caracasana and Alsophila engelii, and how these effects change across a successional gradient.. Here, we used homogeneous and inhomogeneous K and pair-correlation functions to quantify the change in the spatial pattern of different size classes with a case-control design to study associations between young and adult tree ferns. Using spatial estimates of the biomass of the four types of ecological guilds (SLP, LLP, PST, ST) as co-variables, we fitted heterogeneous Poisson models to juvenile and adult tree fern point patterns and explored the existence of habitat dependence. Our study revealed NDD effects for C. caracasana and strong environmental filtering underlying the pattern of A. engelii. We found that adult and juvenile populations of both species responded differently to habitat heterogeneity and in most cases this heterogeneity was associated with the spatial distribution of biomass of the four functional tree types. These findings show the effectiveness of factoring out environmental heterogeneity to avoid confounding factors when studying NDD and demonstrate the usefulness of covariate maps derived from mapped communities. For our third objective we focused on exploring how the most abundant species influence the spatial organization of tree diversity in these forests. For this, we used the individual species-area relationship function (ISAR). We found that the proportion of accumulator, repeller and neutral species, varied depending on the degree of succession. We found also that most guilds behaved neutrally but the proportion of accumulator guilds increased as succession advanced to more mature stages. This point, to the existence of strong competitive effects mediated by individual species in these mature forests. Finally, we examined the effects of life strategies and taxonomic and phylogenetic neighborhood on the incidence of herbivory and parasitism in the communities of saplings in the same forest fragments. We evaluated also the effects of life strategies, herbivory, parasitism and some indicators of neighborhood on sapling survival. Finally we tested for the existences of a compensatory community trend at plot scale. We did not found a CCT but we found proof of local NND effects. For instance, the prevalence of herbivory and parasitism were related to lower sapling survival. On the other hand the density of con-generic saplings and the basal area of neighbor con-generic trees were related to a higher prevalence of herbivory or parasitism in the saplings. We demonstrated that the increase in the prevalence of herbivory or parasitism it s not exclusive of a conspecific neighborhood but instead larger taxonomic categories such as "genus" or simple phylogenetic relationships are also able to predict NND effects. The NND effects varied among functional guilds. Our results show that the dynamic of sapling communities in Ecuadorian montane forests is similar to seedling dynamics in other tropical forest and follows the predictions of Janzen-Connell hypothesis, although softened by the strong resilience of saplings in comparison to seedlings.

Co-simulation Methodologies for Hybrid and Electric Vehicle Dynamics

In recent decades, full electric and hybrid electric vehicles have emerged as an alternative to conventional cars due to a range of factors, including environmental and economic aspects. These vehicles are the result of considerable efforts to seek ways of reducing the use of fossil fuel for vehicle propulsion. Sophisticated technologies such as hybrid and electric powertrains require careful study and optimization. Mathematical models play a key role at this point. Currently, many advanced mathematical analysis tools, as well as computer applications have been built for vehicle simulation purposes. Given the great interest of hybrid and electric powertrains, along with the increasing importance of reliable computer-based models, the author decided to integrate both aspects in the research purpose of this work. Furthermore, this is one of the first final degree projects held at the ETSII (Higher Technical School of Industrial Engineers) that covers the study of hybrid and electric propulsion systems. The present project is based on MBS3D 2.0, a specialized software for the dynamic simulation of multibody systems developed at the UPM Institute of Automobile Research (INSIA). Automobiles are a clear example of complex multibody systems, which are present in nearly every field of engineering. The work presented here benefits from the availability of MBS3D software. This program has proven to be a very efficient tool, with a highly developed underlying mathematical formulation. On this basis, the focus of this project is the extension of MBS3D features in order to be able to perform dynamic simulations of hybrid and electric vehicle models. This requires the joint simulation of the mechanical model of the vehicle, together with the model of the hybrid or electric powertrain. These sub-models belong to completely different physical domains. In fact the powertrain consists of energy storage systems, electrical machines and power electronics, connected to purely mechanical components (wheels, suspension, transmission, clutch…). The challenge today is to create a global vehicle model that is valid for computer simulation. Therefore, the main goal of this project is to apply co-simulation methodologies to a comprehensive model of an electric vehicle, where sub-models from different areas of engineering are coupled. The created electric vehicle (EV) model consists of a separately excited DC electric motor, a Li-ion battery pack, a DC/DC chopper converter and a multibody vehicle model. Co-simulation techniques allow car designers to simulate complex vehicle architectures and behaviors, which are usually difficult to implement in a real environment due to safety and/or economic reasons. In addition, multi-domain computational models help to detect the effects of different driving patterns and parameters and improve the models in a fast and effective way. Automotive designers can greatly benefit from a multidisciplinary approach of new hybrid and electric vehicles. In this case, the global electric vehicle model includes an electrical subsystem and a mechanical subsystem. The electrical subsystem consists of three basic components: electric motor, battery pack and power converter. A modular representation is used for building the dynamic model of the vehicle drivetrain. This means that every component of the drivetrain (submodule) is modeled separately and has its own general dynamic model, with clearly defined inputs and outputs. Then, all the particular submodules are assembled according to the drivetrain configuration and, in this way, the power flow across the components is completely determined. Dynamic models of electrical components are often based on equivalent circuits, where Kirchhoff’s voltage and current laws are applied to draw the algebraic and differential equations. Here, Randles circuit is used for dynamic modeling of the battery and the electric motor is modeled through the analysis of the equivalent circuit of a separately excited DC motor, where the power converter is included. The mechanical subsystem is defined by MBS3D equations. These equations consider the position, velocity and acceleration of all the bodies comprising the vehicle multibody system. MBS3D 2.0 is entirely written in MATLAB and the structure of the program has been thoroughly studied and understood by the author. MBS3D software is adapted according to the requirements of the applied co-simulation method. Some of the core functions are modified, such as integrator and graphics, and several auxiliary functions are added in order to compute the mathematical model of the electrical components. By coupling and co-simulating both subsystems, it is possible to evaluate the dynamic interaction among all the components of the drivetrain. ‘Tight-coupling’ method is used to cosimulate the sub-models. This approach integrates all subsystems simultaneously and the results of the integration are exchanged by function-call. This means that the integration is done jointly for the mechanical and the electrical subsystem, under a single integrator and then, the speed of integration is determined by the slower subsystem. Simulations are then used to show the performance of the developed EV model. However, this project focuses more on the validation of the computational and mathematical tool for electric and hybrid vehicle simulation. For this purpose, a detailed study and comparison of different integrators within the MATLAB environment is done. Consequently, the main efforts are directed towards the implementation of co-simulation techniques in MBS3D software. In this regard, it is not intended to create an extremely precise EV model in terms of real vehicle performance, although an acceptable level of accuracy is achieved. The gap between the EV model and the real system is filled, in a way, by introducing the gas and brake pedals input, which reflects the actual driver behavior. This input is included directly in the differential equations of the model, and determines the amount of current provided to the electric motor. For a separately excited DC motor, the rotor current is proportional to the traction torque delivered to the car wheels. Therefore, as it occurs in the case of real vehicle models, the propulsion torque in the mathematical model is controlled through acceleration and brake pedal commands. The designed transmission system also includes a reduction gear that adapts the torque coming for the motor drive and transfers it. The main contribution of this project is, therefore, the implementation of a new calculation path for the wheel torques, based on performance characteristics and outputs of the electric powertrain model. Originally, the wheel traction and braking torques were input to MBS3D through a vector directly computed by the user in a MATLAB script. Now, they are calculated as a function of the motor current which, in turn, depends on the current provided by the battery pack across the DC/DC chopper converter. The motor and battery currents and voltages are the solutions of the electrical ODE (Ordinary Differential Equation) system coupled to the multibody system. Simultaneously, the outputs of MBS3D model are the position, velocity and acceleration of the vehicle at all times. The motor shaft speed is computed from the output vehicle speed considering the wheel radius, the gear reduction ratio and the transmission efficiency. This motor shaft speed, somehow available from MBS3D model, is then introduced in the differential equations corresponding to the electrical subsystem. In this way, MBS3D and the electrical powertrain model are interconnected and both subsystems exchange values resulting as expected with tight-coupling approach.When programming mathematical models of complex systems, code optimization is a key step in the process. A way to improve the overall performance of the integration, making use of C/C++ as an alternative programming language, is described and implemented. Although this entails a higher computational burden, it leads to important advantages regarding cosimulation speed and stability. In order to do this, it is necessary to integrate MATLAB with another integrated development environment (IDE), where C/C++ code can be generated and executed. In this project, C/C++ files are programmed in Microsoft Visual Studio and the interface between both IDEs is created by building C/C++ MEX file functions. These programs contain functions or subroutines that can be dynamically linked and executed from MATLAB. This process achieves reductions in simulation time up to two orders of magnitude. The tests performed with different integrators, also reveal the stiff character of the differential equations corresponding to the electrical subsystem, and allow the improvement of the cosimulation process. When varying the parameters of the integration and/or the initial conditions of the problem, the solutions of the system of equations show better dynamic response and stability, depending on the integrator used. Several integrators, with variable and non-variable step-size, and for stiff and non-stiff problems are applied to the coupled ODE system. Then, the results are analyzed, compared and discussed. From all the above, the project can be divided into four main parts: 1. Creation of the equation-based electric vehicle model; 2. Programming, simulation and adjustment of the electric vehicle model; 3. Application of co-simulation methodologies to MBS3D and the electric powertrain subsystem; and 4. Code optimization and study of different integrators. Additionally, in order to deeply understand the context of the project, the first chapters include an introduction to basic vehicle dynamics, current classification of hybrid and electric vehicles and an explanation of the involved technologies such as brake energy regeneration, electric and non-electric propulsion systems for EVs and HEVs (hybrid electric vehicles) and their control strategies. Later, the problem of dynamic modeling of hybrid and electric vehicles is discussed. The integrated development environment and the simulation tool are also briefly described. The core chapters include an explanation of the major co-simulation methodologies and how they have been programmed and applied to the electric powertrain model together with the multibody system dynamic model. Finally, the last chapters summarize the main results and conclusions of the project and propose further research topics. In conclusion, co-simulation methodologies are applicable within the integrated development environments MATLAB and Visual Studio, and the simulation tool MBS3D 2.0, where equation-based models of multidisciplinary subsystems, consisting of mechanical and electrical components, are coupled and integrated in a very efficient way.