Optimização dinâmica da tensão de alimentação e da frequência de operação em sistemas electrónicos digitais

À medida que a tecnologia de circuitos integrados CMOS é exposta à miniaturização, surgem diversos problemas no que diz respeito à fiabilidade e performance. Efeitos tais como o BTI (Bias Thermal Instability), TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown), HCI (Hot Carrier Injection), EM (Electromigration) degradam os parâmetros físicos dos transístores CMOS e por sua vez alteram as propriedades eléctricas dos mesmos ao longo do tempo. Esta deterioração é chamada de envelhecimento e estes efeitos são cumulativos e têm um grande impacto na performance do circuito, especialmente se ocorrerem outras variações paramétricas, como as variações de processo, temperatura e tensão de alimentação. Estas variações são conhecidas por variações PVTA (variações no Processo de Fabricação do circuito integrado [P], na Tensão de Alimentação [V], na Temperatura [T] e variações provocadas pelo Envelhecimento dos circuitos [A]) e podem desencadear erros de sincronismo durante a vida do produto (circuito integrado digital). O trabalho apresentado nesta dissertação tem por objectivo primordial o desenvolvimento de um sistema que optimize a operação ao longo da vida de circuitos integrados digitais síncronos de forma dinâmica. Este sistema permite que os circuitos sejam optimizados de acordo com as suas necessidades: (i) Diminuir a dissipação de potência, por reduzir a tensão de alimentação para o valor mais baixo que garante a operação sem erros; ou (ii) Aumentar o desempenho/performance, por aumentar a frequência de operação até ao limite máximo no qual não ocorrem erros. A optimização dinâmica da operação ao longo da vida de circuitos integrados digitais síncronos é alcançada através de um controlador, um bloco de sensores globais e por vários sensores locais localizados em determinados flip-flops do circuito. A nova solução tem como objectivo utilizar os dois tipos de sensores atrás mencionados, globais e locais, para possibilitar a previsão de erros de performance de uma forma mais eficaz, que possibilite a activação de mecanismos que impeçam a ocorrência de erros durante o tempo de vida útil de um circuito, e dessa forma permitindo optimizar constantemente o seu funcionamento. Assim é exequível desenvolver circuitos que operem no limite das suas capacidades temporais, sem falhas, e com a utilização de margens de erro pequenas para admitir as variações de performance provocadas por variações no processo de fabrico, na tensão de alimentação, na temperatura ou o envelhecimento. Foi também desenvolvido um sistema de controlo que permite, depois da detecção de um potencial erro, desencadear um processo para diminuir a frequência do sinal de relógio do sistema, ou aumentar a tensão de alimentação, evitando que o erro ocorra. Apesar de existirem outras técnicas de controlo dinâmico da operação de circuitos integrados tais como DVS (Dynamic Voltage Scaling), de DFS (Dynamic Frequency Scaling), ou ambas (DVFS – Dynamic Voltage and Frequency Scaling), estas técnicas ou são de muito complexa implementação, ou apresentam margens de segurança elevadas, levando a soluções em que a operação do circuito não está optimizada. A solução desenvolvida neste trabalho, em que se utilizam sensores preditivos locais e globais os quais são sensíveis ao envelhecimento a longo prazo ocorrido nos circuitos, constitui uma novidade no estado da técnica relativamente ao controlo de sistemas de DVS e/ou DFS. Outro aspecto importante é que neste trabalho desenvolveu-se um método de ajuste da tensão de alimentação ou da frequência, o qual é sensível ao envelhecimento a longo prazo dos circuitos, utilizando sensores locais e globais. O controlador permite a optimização da performance dos circuitos através do aumento da frequência de operação até ao limite máximo que ainda evita a ocorrência de erros e a optimização de consumo de energia através da redução da tensão de alimentação (VDD) para o valor mínimo que ainda previne a ocorrência de erros. Através de uma análise de previsão de envelhecimento, são identificados os caminhos críticos, bem como os caminhos que envelhecem mais rápido e que se tornarão críticos com o envelhecimento do circuito. Uma vez identificados os caminhos críticos, irão ser inserido os sensores locais através da substituição dos flip-flops que terminam os caminhos críticos identificados por novos flip-flops que incluem sensores de performance e de envelhecimento. É de referenciar que estes sensores são preditivos, ou seja, que sinalizam precocemente os erros de performance, antes de eles ocorrerem nos flip-flops que capturam os caminhos críticos. A arquitectura dos sensores propostos é tal que as variações PVTA que ocorrem sobre eles fazem aumentar a sua capacidade de prever o erro, ou seja, os sensores vão-se adaptando ao longo da sua vida útil para aumentarem a sua sensibilidade. Os sensores locais têm como função realizar a calibração dos sensores globais, bem como realizar a monitorização constante dos atrasos nos caminhos mais longos do circuito, sempre que estes são activados. A função dos sensores globais é a realização da monitorização periódica ou quando solicitado dos atrasos no circuito digital. Ambos os tipos de sensores, os sensores globais como os locais podem desencadear ajustes na frequência ou na tensão de alimentação. Os sensores globais são compostos por uma unidade de controlo do sensor global, que recebe ordens do controlador do sistema para iniciar a análise ao desempenho do circuito e gera os sinais de controlo para a operação de análise global do desempenho e por duas cadeias de portas (uma com portas NOR e outra com portas NAND), com tempos de propagação superiores aos caminhos críticos que se esperam vir a ter no circuito durante a sua vida útil. Ambos os caminhos irão, presumivelmente, envelhecer mais que os caminhos críticos do circuito quando sujeitos ao efeito BTI (que influencia fortemente a degradação do Vth dos transístores [NBTI/NORs e PBTI/NANDs]). Ao longo das duas cadeias, diversos sinais à saída de algumas portas NOR e NAND são ligados a células de sensores globais, criando diversos caminhos fictícios com diferentes tempos de propagação. As saídas dos sensores das duas cadeias formam duas saídas de dados do sensor global. A fim de se alcançar a optimização do desempenho do circuito, são realizados testes de calibração dos sensores, onde são estimulados alguns caminhos críticos no circuito (através de um teste determinístico) e, simultaneamente é realizada a análise do desempenho pela unidade de sensores globais. Este procedimento, permite definir o limite máximo (mínimo) para frequência (tensão de alimentação) sem que os sensores locais sejam sinalizados. Esta informação da frequência (tensão) é guardada num registo do controlador (registo V/F) e corresponde à frequência (tensão) normal de funcionamento. Este teste também permite determinar quais os caminhos fictícios nas duas cadeias que apresentam tempos de propagação semelhantes aos caminhos críticos do circuito. Esta informação também é guardada em dois registos no controlador do sistema (registos GSOsafe), que indicam o estado das saídas dos controladores globais para a operação optimizada do circuito. Durante a vida útil do circuito, o controlador do sistema de optimização procede ao ajuste automático da frequência (ou da tensão de alimentação) do circuito, caso o controlador dos sensores globais detecte uma alteração em relação à operação correcta em memória, alterando o conteúdo do registo que guarda a frequência (tensão) de trabalho. Se por ventura ocorrer a sinalização de um sensor local e não existir nenhuma sinalização para alteração do desempenho pelos sensores globais, quer dizer que o circuito pode ter envelhecido mais que os caminhos fictícios dos sensores globais, pelo que a frequência (tensão de alimentação) de funcionamento deve ser alterada, mas também deve existir uma actualização nos registos que guardam a saída correcta dos sensores globais. É de salientar que, se os caminhos fictícios envelhecem mais do que o circuito, as margens de segurança (time slack) existentes vão sendo aumentadas ao longo da vida do circuito, tratando-se de uma segurança positiva. Mas, se existir a possibilidade do envelhecimento ser maior nos caminhos do circuito, a existência dos sensores locais a monitorizar a todo o tempo o desempenho do circuito, garantem que o sistema pode aprender com as sinalizações e adaptar-se às novas condições de operação ao longo da vida útil do circuito. Enquanto a monitorização efectuada pelo bloco de sensores globais fornece uma avaliação grosseira do estado de funcionamento do circuito, a monitorização efectuada pelos sensores locais, quando activados, fornece uma avaliação fina sobre qual a performance do circuito para que não ocorram erros funcionais. As novidades apresentadas neste trabalho são no mecanismo de controlo que permite a optimização dinâmica da tensão ou da frequência, e na arquitectura e funcionamento do sensor global a inserir no circuito. No que diz respeito ao mecanismo de controlo do sistema de optimização dinâmica, as novidades são: (i) na utilização conjunta de sensores locais e globais para garantir níveis de optimização elevados, (ii) na utilização de sensores preditivos (globais e locais) que previnem os erros de ocorrerem e (iii) na utilização de sensores sensíveis ao envelhecimento do circuito ao longo da sua vida útil. Em relação ao sensor global para monitorização de variações PVTA a novidade consiste (iv), na apresentação de sensores para a degradação nos transístores PMOS e de sensores para a degradação nos transístores NMOS. Este método de optimização e as topologias apresentadas podem ser desenvolvidas e utilizadas com outros tipos de flip-flops, ou empregando outros tipos de sensores, ou outros caminhos fictícios nos sensores globais, sem prejuízo do método global de optimização que conjuga os dois tipos de sensores, globais e locais, para optimizar a tensão de alimentação e a frequência de operação. É proposta uma nova arquitectura para um flip-flop com correcção de erros de atraso (DFC-FF / AEPDFC-FF) com e sem previsão de erros adaptativa para realizar a correcção/monitorização e correcção on-line da perda de performance a longo prazo de sistemas digitais CMOS, independentemente da sua causa. O DFC-FF integra um FF do tipo TG-MSFF (Transmission Gate Master Slave Flip-Flop) e um sensor de correcção de erros (CES) dos quais são apresentados duas propostas. O AEPDFC-FF é composto por DFC-FF e um sensor de envelhecimento. A variabilidade tornou-se na principal causa de falha dos circuitos digitais quando a tecnologia evoluiu para as escalas nanométricas. As reduzidas dimensões físicas dos novos transístores e o aumento na complexidade dos circuitos integrados tornou os novos circuitos mais susceptíveis a variações no processo de fabrico, nas condições de operação e operacionais, tendo como consequência o fabrico de dispositivos mais frágeis, com maior probabilidade de falharem nos primeiros meses de vida, e com tempos de vida útil esperados inferiores aos das tecnologias anteriores. Face a outras propostas, uma das principais vantagens do DFC-FF é que a a perda de performance do próprio sensor melhora a sua capacidade de correcção de erros. Os efeitos do envelhecimento, do aumento de temperatura e da diminuição na tensão de alimentação (VTA), aumentam a janela de correcção, permitindo que o DFC-FF possa estar sempre ligado sem comprometer o seu funcionamento. O conceito, estudado e desenvolvido em tecnologia de 65nm, pode ser transportado posteriormente para nanotecnologias mais recentes, usando MOSFETs de menor dimensão, uma vez que a arquitectura do sensor é transversal a toda a tecnologia CMOS.Universidade do Algarve, Instituto Superior de Engenhari

Contribution to reliable control of dynamic systems

This thesis presents sorne contributions to the field of Health-Aware Control (HAC) of dynamic systems. In the first part of this thesis, a review of the concepts and methodologies related to reliability versus degradation and fault tolerant control versus health-aware control is presented. Firstly, in an attempt to unify concepts, an overview of HAC, degradation, and reliability modeling including some of the most relevant theoretical and applied contributions is given. Moreover, reliability modeling is formalized and exemplified using the structure function, Bayesian networks (BNs) and Dynamic Bayesian networks (DBNs) as modeling tools in reliability analysis. In addition, some Reliability lmportance Measures (RIMs) are presented. In particular, this thesis develops BNs models for overall system reliability analysis through the use of Bayesian inference techniques. Bayesian networks are powerful tools in system reliability assessment due to their flexibility in modeling the reliability structure of complex systems. For the HAC scheme implementation, this thesis presents and discusses the integration of actuators health information by means of RIMs and degradation in Model Predictive Control (MPC) and Linear Quadratic Regulator algorithms. In the proposed strategies, the cost function parameters are tuned using RIMs. The methodology is able to avoid the occurrence of catastrophic and incipient faults by monitoring the overall system reliability. The proposed HAC strategies are applied to a Drinking Water Network (DWN) and a multirotor UAV system. Moreover, a third approach, which uses MPC and restricts the degradation of the system components is applied to a twin rotor system. Finally, this thesis presents and discusses two reliability interpretations. These interpretations, namely instantaneous and expected, differ in the manner how reliability is evaluated and how its evolution along time is considered. This comparison is made within a HAC framework and studies the system reliability under both approaches.Aquesta tesi presenta algunes contribucions al camp del control basat en la salut dels components "Health-Aware Control" (HAC) de sistemes dinàmics. A la primera part d'aquesta tesi, es presenta una revisió dels conceptes i metodologies relacionats amb la fiabilitat versus degradació, el control tolerant a fallades versus el HAC. En primer lloc, i per unificar els conceptes, s'introdueixen els conceptes de degradació i fiabilitat, models de fiabilitat i de HAC incloent algunes de les contribucions teòriques i aplicades més rellevants. La tesi, a més, el modelatge de la fiabilitat es formalitza i exemplifica utilitzant la funció d'estructura del sistema, xarxes bayesianes (BN) i xarxes bayesianes dinamiques (DBN) com a eines de modelat i anàlisi de la fiabilitat com també presenta algunes mesures d'importància de la fiabilitat (RIMs). En particular, aquesta tesi desenvolupa models de BNs per a l'anàlisi de la fiabilitat del sistema a través de l'ús de tècniques d'inferència bayesiana. Les xarxes bayesianes són eines poderoses en l'avaluació de la fiabilitat del sistema gràcies a la seva flexibilitat en el modelat de la fiabilitat de sistemes complexos. Per a la implementació de l?esquema de HAC, aquesta tesi presenta i discuteix la integració de la informació sobre la salut i degradació dels actuadors mitjançant les RIMs en algoritmes de control predictiu basat en models (MPC) i control lineal quadràtic (LQR). En les estratègies proposades, els paràmetres de la funció de cost s'ajusten utilitzant els RIMs. Aquestes tècniques de control fiable permetran millorar la disponibilitat i la seguretat dels sistemes evitant l'aparició de fallades a través de la incorporació d'aquesta informació de la salut dels components en l'algoritme de control. Les estratègies de HAC proposades s'apliquen a una xarxa d'aigua potable (DWN) i a un sistema UAV multirrotor. A més, un tercer enfocament fent servir la degradació dels actuadors com a restricció dins l'algoritme de control MPC s'aplica a un sistema aeri a dos graus de llibertat (TRMS). Finalment, aquesta tesi també presenta i discuteix dues interpretacions de la fiabilitat. Aquestes interpretacions, nomenades instantània i esperada, difereixen en la forma en què s'avalua la fiabilitat i com es considera la seva evolució al llarg del temps. Aquesta comparació es realitza en el marc del control HAC i estudia la fiabilitat del sistema en tots dos enfocaments.Esta tesis presenta algunas contribuciones en el campo del control basado en la salud de los componentes “Health-Aware Control” (HAC) de sistemas dinámicos. En la primera parte de esta tesis, se presenta una revisión de los conceptos y metodologíasrelacionados con la fiabilidad versus degradación, el control tolerante a fallos versus el HAC. En primer lugar, y para unificar los conceptos, se introducen los conceptos de degradación y fiabilidad, modelos de fiabilidad y de HAC incluyendo algunas de las contribuciones teóricas y aplicadas más relevantes. La tesis, demás formaliza y ejemplifica el modelado de fiabilidad utilizando la función de estructura del sistema, redes bayesianas (BN) y redes bayesianas diná-micas (DBN) como herramientas de modelado y análisis de fiabilidad como también presenta algunas medidas de importancia de la fiabilidad (RIMs). En particular, esta tesis desarrolla modelos de BNs para el análisis de la fiabilidad del sistema a través del uso de técnicas de inferencia bayesiana. Las redes bayesianas son herramientas poderosas en la evaluación de la fiabilidad del sistema gracias a su flexibilidad en el modelado de la fiabilidad de sistemas complejos. Para la implementación del esquema de HAC, esta tesis presenta y discute la integración de la información sobre la salud y degradación de los actuadores mediante las RIMs en algoritmos de control predictivo basado en modelos (MPC) y del control cuadrático lineal (LQR). En las estrategias propuestas, los parámetros de la función de coste se ajustan utilizando las RIMs. Estas técnicas de control fiable permitirán mejorar la disponibilidad y la seguridad de los sistemas evitando la aparición de fallos a través de la incorporación de la información de la salud de los componentes en el algoritmo de control. Las estrategias de HAC propuestas se aplican a una red de agua potable (DWN) y a un sistema UAV multirotor. Además, un tercer enfoque que usa la degradación de los actuadores como restricción en el algoritmo de control MPC se aplica a un sistema aéreo con dos grados de libertad (TRMS). Finalmente, esta tesis también presenta y discute dos interpretaciones de la fiabilidad. Estas interpretaciones, llamadas instantánea y esperada, difieren en la forma en que se evalúa la fiabilidad y cómo se considera su evolución a lo largo del tiempo. Esta comparación se realiza en el marco del control HAC y estudia la fiabilidad del sistema en ambos enfoques

Contribution to reliable control of dynamic systems

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al maig 2020This thesis presents sorne contributions to the field of Health-Aware Control (HAC) of dynamic systems. In the first part of this thesis, a review of the concepts and methodologies related to reliability versus degradation and fault tolerant control versus health-aware control is presented. Firstly, in an attempt to unify concepts, an overview of HAC, degradation, and reliability modeling including some of the most relevant theoretical and applied contributions is given. Moreover, reliability modeling is formalized and exemplified using the structure function, Bayesian networks (BNs) and Dynamic Bayesian networks (DBNs) as modeling tools in reliability analysis. In addition, some Reliability lmportance Measures (RIMs) are presented. In particular, this thesis develops BNs models for overall system reliability analysis through the use of Bayesian inference techniques. Bayesian networks are powerful tools in system reliability assessment due to their flexibility in modeling the reliability structure of complex systems. For the HAC scheme implementation, this thesis presents and discusses the integration of actuators health information by means of RIMs and degradation in Model Predictive Control (MPC) and Linear Quadratic Regulator algorithms. In the proposed strategies, the cost function parameters are tuned using RIMs. The methodology is able to avoid the occurrence of catastrophic and incipient faults by monitoring the overall system reliability. The proposed HAC strategies are applied to a Drinking Water Network (DWN) and a multirotor UAV system. Moreover, a third approach, which uses MPC and restricts the degradation of the system components is applied to a twin rotor system. Finally, this thesis presents and discusses two reliability interpretations. These interpretations, namely instantaneous and expected, differ in the manner how reliability is evaluated and how its evolution along time is considered. This comparison is made within a HAC framework and studies the system reliability under both approaches.Aquesta tesi presenta algunes contribucions al camp del control basat en la salut dels components "Health-Aware Control" (HAC) de sistemes dinàmics. A la primera part d'aquesta tesi, es presenta una revisió dels conceptes i metodologies relacionats amb la fiabilitat versus degradació, el control tolerant a fallades versus el HAC. En primer lloc, i per unificar els conceptes, s'introdueixen els conceptes de degradació i fiabilitat, models de fiabilitat i de HAC incloent algunes de les contribucions teòriques i aplicades més rellevants. La tesi, a més, el modelatge de la fiabilitat es formalitza i exemplifica utilitzant la funció d'estructura del sistema, xarxes bayesianes (BN) i xarxes bayesianes dinamiques (DBN) com a eines de modelat i anàlisi de la fiabilitat com també presenta algunes mesures d'importància de la fiabilitat (RIMs). En particular, aquesta tesi desenvolupa models de BNs per a l'anàlisi de la fiabilitat del sistema a través de l'ús de tècniques d'inferència bayesiana. Les xarxes bayesianes són eines poderoses en l'avaluació de la fiabilitat del sistema gràcies a la seva flexibilitat en el modelat de la fiabilitat de sistemes complexos. Per a la implementació de l?esquema de HAC, aquesta tesi presenta i discuteix la integració de la informació sobre la salut i degradació dels actuadors mitjançant les RIMs en algoritmes de control predictiu basat en models (MPC) i control lineal quadràtic (LQR). En les estratègies proposades, els paràmetres de la funció de cost s'ajusten utilitzant els RIMs. Aquestes tècniques de control fiable permetran millorar la disponibilitat i la seguretat dels sistemes evitant l'aparició de fallades a través de la incorporació d'aquesta informació de la salut dels components en l'algoritme de control. Les estratègies de HAC proposades s'apliquen a una xarxa d'aigua potable (DWN) i a un sistema UAV multirrotor. A més, un tercer enfocament fent servir la degradació dels actuadors com a restricció dins l'algoritme de control MPC s'aplica a un sistema aeri a dos graus de llibertat (TRMS). Finalment, aquesta tesi també presenta i discuteix dues interpretacions de la fiabilitat. Aquestes interpretacions, nomenades instantània i esperada, difereixen en la forma en què s'avalua la fiabilitat i com es considera la seva evolució al llarg del temps. Aquesta comparació es realitza en el marc del control HAC i estudia la fiabilitat del sistema en tots dos enfocaments.Esta tesis presenta algunas contribuciones en el campo del control basado en la salud de los componentes “Health-Aware Control” (HAC) de sistemas dinámicos. En la primera parte de esta tesis, se presenta una revisión de los conceptos y metodologíasrelacionados con la fiabilidad versus degradación, el control tolerante a fallos versus el HAC. En primer lugar, y para unificar los conceptos, se introducen los conceptos de degradación y fiabilidad, modelos de fiabilidad y de HAC incluyendo algunas de las contribuciones teóricas y aplicadas más relevantes. La tesis, demás formaliza y ejemplifica el modelado de fiabilidad utilizando la función de estructura del sistema, redes bayesianas (BN) y redes bayesianas diná-micas (DBN) como herramientas de modelado y análisis de fiabilidad como también presenta algunas medidas de importancia de la fiabilidad (RIMs). En particular, esta tesis desarrolla modelos de BNs para el análisis de la fiabilidad del sistema a través del uso de técnicas de inferencia bayesiana. Las redes bayesianas son herramientas poderosas en la evaluación de la fiabilidad del sistema gracias a su flexibilidad en el modelado de la fiabilidad de sistemas complejos. Para la implementación del esquema de HAC, esta tesis presenta y discute la integración de la información sobre la salud y degradación de los actuadores mediante las RIMs en algoritmos de control predictivo basado en modelos (MPC) y del control cuadrático lineal (LQR). En las estrategias propuestas, los parámetros de la función de coste se ajustan utilizando las RIMs. Estas técnicas de control fiable permitirán mejorar la disponibilidad y la seguridad de los sistemas evitando la aparición de fallos a través de la incorporación de la información de la salud de los componentes en el algoritmo de control. Las estrategias de HAC propuestas se aplican a una red de agua potable (DWN) y a un sistema UAV multirotor. Además, un tercer enfoque que usa la degradación de los actuadores como restricción en el algoritmo de control MPC se aplica a un sistema aéreo con dos grados de libertad (TRMS). Finalmente, esta tesis también presenta y discute dos interpretaciones de la fiabilidad. Estas interpretaciones, llamadas instantánea y esperada, difieren en la forma en que se evalúa la fiabilidad y cómo se considera su evolución a lo largo del tiempo. Esta comparación se realiza en el marco del control HAC y estudia la fiabilidad del sistema en ambos enfoques.Postprint (published version

Reliable Software for Unreliable Hardware - A Cross-Layer Approach

A novel cross-layer reliability analysis, modeling, and optimization approach is proposed in this thesis that leverages multiple layers in the system design abstraction (i.e. hardware, compiler, system software, and application program) to exploit the available reliability enhancing potential at each system layer and to exchange this information across multiple system layers

Exploiting Adaptive Techniques to Improve Processor Energy Efficiency

Rapid device-miniaturization keeps on inducing challenges in building energy efficient microprocessors. As the size of the transistors continuously decreasing, more uncertainties emerge in their operations. On the other hand, integrating more and more transistors on a single chip accentuates the need to lower its supply-voltage. This dissertation investigates one of the primary device uncertainties - timing error, in microprocessor performance bottleneck in NTC era. Then it proposes various innovative techniques to exploit these opportunities to maintain processor energy efficiency, in the context of emerging challenges. Evaluated with the cross-layer methodology, the proposed approaches achieve substantial improvements in processor energy efficiency, compared to other start-of-art techniques

Advanced energy management strategies for HVAC systems in smart buildings

The efficacy of the energy management systems at dealing with energy consumption in buildings has been a topic with a growing interest in recent years due to the ever-increasing global energy demand and the large percentage of energy being currently used by buildings. The scale of this sector has attracted research effort with the objective of uncovering potential improvement avenues and materializing them with the help of recent technological advances that could be exploited to lower the energetic footprint of buildings. Specifically, in the area of heating, ventilating and air conditioning installations, the availability of large amounts of historical data in building management software suites makes possible the study of how resource-efficient these systems really are when entrusted with ensuring occupant comfort. Actually, recent reports have shown that there is a gap between the ideal operating performance and the performance achieved in practice. Accordingly, this thesis considers the research of novel energy management strategies for heating, ventilating and air conditioning installations in buildings, aimed at narrowing the performance gap by employing data-driven methods to increase their context awareness, allowing management systems to steer the operation towards higher efficiency. This includes the advancement of modeling methodologies capable of extracting actionable knowledge from historical building behavior databases, through load forecasting and equipment operational performance estimation supporting the identification of a building’s context and energetic needs, and the development of a generalizable multi-objective optimization strategy aimed at meeting these needs while minimizing the consumption of energy. The experimental results obtained from the implementation of the developed methodologies show a significant potential for increasing energy efficiency of heating, ventilating and air conditioning systems while being sufficiently generic to support their usage in different installations having diverse equipment. In conclusion, a complete analysis and actuation framework was developed, implemented and validated by means of an experimental database acquired from a pilot plant during the research period of this thesis. The obtained results demonstrate the efficacy of the proposed standalone contributions, and as a whole represent a suitable solution for helping to increase the performance of heating, ventilating and air conditioning installations without affecting the comfort of their occupants.L’eficàcia dels sistemes de gestió d’energia per afrontar el consum d’energia en edificis és un tema que ha rebut un interès en augment durant els darrers anys a causa de la creixent demanda global d’energia i del gran percentatge d’energia que n’utilitzen actualment els edificis. L’escala d’aquest sector ha atret l'atenció de nombrosa investigació amb l’objectiu de descobrir possibles vies de millora i materialitzar-les amb l’ajuda de recents avenços tecnològics que es podrien aprofitar per disminuir les necessitats energètiques dels edificis. Concretament, en l’àrea d’instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització, la disponibilitat de grans bases de dades històriques als sistemes de gestió d’edificis fa possible l’estudi de com d'eficients són realment aquests sistemes quan s’encarreguen d'assegurar el confort dels seus ocupants. En realitat, informes recents indiquen que hi ha una diferència entre el rendiment operatiu ideal i el rendiment generalment assolit a la pràctica. En conseqüència, aquesta tesi considera la investigació de noves estratègies de gestió de l’energia per a instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització en edificis, destinades a reduir la diferència de rendiment mitjançant l’ús de mètodes basats en dades per tal d'augmentar el seu coneixement contextual, permetent als sistemes de gestió dirigir l’operació cap a zones de treball amb un rendiment superior. Això inclou tant l’avanç de metodologies de modelat capaces d’extreure coneixement de bases de dades de comportaments històrics d’edificis a través de la previsió de càrregues de consum i l’estimació del rendiment operatiu dels equips que recolzin la identificació del context operatiu i de les necessitats energètiques d’un edifici, tant com del desenvolupament d’una estratègia d’optimització multi-objectiu generalitzable per tal de minimitzar el consum d’energia mentre es satisfan aquestes necessitats energètiques. Els resultats experimentals obtinguts a partir de la implementació de les metodologies desenvolupades mostren un potencial important per augmentar l'eficiència energètica dels sistemes de climatització, mentre que són prou genèrics com per permetre el seu ús en diferents instal·lacions i suportant equips diversos. En conclusió, durant aquesta tesi es va desenvolupar, implementar i validar un marc d’anàlisi i actuació complet mitjançant una base de dades experimental adquirida en una planta pilot durant el període d’investigació de la tesi. Els resultats obtinguts demostren l’eficàcia de les contribucions de manera individual i, en conjunt, representen una solució idònia per ajudar a augmentar el rendiment de les instal·lacions de climatització sense afectar el confort dels seus ocupantsPostprint (published version

Advanced energy management strategies for HVAC systems in smart buildings

The efficacy of the energy management systems at dealing with energy consumption in buildings has been a topic with a growing interest in recent years due to the ever-increasing global energy demand and the large percentage of energy being currently used by buildings. The scale of this sector has attracted research effort with the objective of uncovering potential improvement avenues and materializing them with the help of recent technological advances that could be exploited to lower the energetic footprint of buildings. Specifically, in the area of heating, ventilating and air conditioning installations, the availability of large amounts of historical data in building management software suites makes possible the study of how resource-efficient these systems really are when entrusted with ensuring occupant comfort. Actually, recent reports have shown that there is a gap between the ideal operating performance and the performance achieved in practice. Accordingly, this thesis considers the research of novel energy management strategies for heating, ventilating and air conditioning installations in buildings, aimed at narrowing the performance gap by employing data-driven methods to increase their context awareness, allowing management systems to steer the operation towards higher efficiency. This includes the advancement of modeling methodologies capable of extracting actionable knowledge from historical building behavior databases, through load forecasting and equipment operational performance estimation supporting the identification of a building’s context and energetic needs, and the development of a generalizable multi-objective optimization strategy aimed at meeting these needs while minimizing the consumption of energy. The experimental results obtained from the implementation of the developed methodologies show a significant potential for increasing energy efficiency of heating, ventilating and air conditioning systems while being sufficiently generic to support their usage in different installations having diverse equipment. In conclusion, a complete analysis and actuation framework was developed, implemented and validated by means of an experimental database acquired from a pilot plant during the research period of this thesis. The obtained results demonstrate the efficacy of the proposed standalone contributions, and as a whole represent a suitable solution for helping to increase the performance of heating, ventilating and air conditioning installations without affecting the comfort of their occupants.L’eficàcia dels sistemes de gestió d’energia per afrontar el consum d’energia en edificis és un tema que ha rebut un interès en augment durant els darrers anys a causa de la creixent demanda global d’energia i del gran percentatge d’energia que n’utilitzen actualment els edificis. L’escala d’aquest sector ha atret l'atenció de nombrosa investigació amb l’objectiu de descobrir possibles vies de millora i materialitzar-les amb l’ajuda de recents avenços tecnològics que es podrien aprofitar per disminuir les necessitats energètiques dels edificis. Concretament, en l’àrea d’instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització, la disponibilitat de grans bases de dades històriques als sistemes de gestió d’edificis fa possible l’estudi de com d'eficients són realment aquests sistemes quan s’encarreguen d'assegurar el confort dels seus ocupants. En realitat, informes recents indiquen que hi ha una diferència entre el rendiment operatiu ideal i el rendiment generalment assolit a la pràctica. En conseqüència, aquesta tesi considera la investigació de noves estratègies de gestió de l’energia per a instal·lacions de calefacció, ventilació i climatització en edificis, destinades a reduir la diferència de rendiment mitjançant l’ús de mètodes basats en dades per tal d'augmentar el seu coneixement contextual, permetent als sistemes de gestió dirigir l’operació cap a zones de treball amb un rendiment superior. Això inclou tant l’avanç de metodologies de modelat capaces d’extreure coneixement de bases de dades de comportaments històrics d’edificis a través de la previsió de càrregues de consum i l’estimació del rendiment operatiu dels equips que recolzin la identificació del context operatiu i de les necessitats energètiques d’un edifici, tant com del desenvolupament d’una estratègia d’optimització multi-objectiu generalitzable per tal de minimitzar el consum d’energia mentre es satisfan aquestes necessitats energètiques. Els resultats experimentals obtinguts a partir de la implementació de les metodologies desenvolupades mostren un potencial important per augmentar l'eficiència energètica dels sistemes de climatització, mentre que són prou genèrics com per permetre el seu ús en diferents instal·lacions i suportant equips diversos. En conclusió, durant aquesta tesi es va desenvolupar, implementar i validar un marc d’anàlisi i actuació complet mitjançant una base de dades experimental adquirida en una planta pilot durant el període d’investigació de la tesi. Els resultats obtinguts demostren l’eficàcia de les contribucions de manera individual i, en conjunt, representen una solució idònia per ajudar a augmentar el rendiment de les instal·lacions de climatització sense afectar el confort dels seus ocupant