Optimal Control for Automotive Powertrain Applications

Optimal Control (OC) is essentially a mathematical extremal problem. The procedure consists on the definition of a criterion to minimize (or maximize), some constraints that must be fulfilled and boundary conditions or disturbances affecting to the system behavior. The OC theory supplies methods to derive a control trajectory that minimizes (or maximizes) that criterion. This dissertation addresses the application of OC to automotive control problems at the powertrain level, with emphasis on the internal combustion engine. The necessary tools are an optimization method and a mathematical representation of the powertrain. Thus, the OC theory is reviewed with a quantitative analysis of the advantages and drawbacks of the three optimization methods available in literature: dynamic programming, Pontryagin minimum principle and direct methods. Implementation algorithms for these three methods are developed and described in detail. In addition to that, an experimentally validated dynamic powertrain model is developed, comprising longitudinal vehicle dynamics, electrical motor and battery models, and a mean value engine model. OC can be utilized for three different purposes: 1. Applied control, when all boundaries can be accurately defined. The engine control is addressed with this approach assuming that a the driving cycle is known in advance, translating into a large mathematical problem. Two specific cases are studied: the management of a dual-loop EGR system, and the full control of engine actuators, namely fueling rate, SOI, EGR and VGT settings. 2. Derivation of near-optimal control rules, to be used if some disturbances are unknown. In this context, cycle-specific engine calibrations calculation, and a stochastic feedback control for power-split management in hybrid vehicles are analyzed. 3. Use of OC trajectories as a benchmark or base line to improve the system design and efficiency with an objective criterion. OC is used to optimize the heat release law of a diesel engine and to size a hybrid powertrain with a further cost analysis. OC strategies have been applied experimentally in the works related to the internal combustion engine, showing significant improvements but non-negligible difficulties, which are analyzed and discussed. The methods developed in this dissertation are general and can be extended to other criteria if appropriate models are available.El Control Óptimo (CO) es esencialmente un problema matemático de búsqueda de extremos, consistente en la definición de un criterio a minimizar (o maximizar), restricciones que deben satisfacerse y condiciones de contorno que afectan al sistema. La teoría de CO ofrece métodos para derivar una trayectoria de control que minimiza (o maximiza) ese criterio. Esta Tesis trata la aplicación del CO en automoción, y especialmente en el motor de combustión interna. Las herramientas necesarias son un método de optimización y una representación matemática de la planta motriz. Para ello, se realiza un análisis cuantitativo de las ventajas e inconvenientes de los tres métodos de optimización existentes en la literatura: programación dinámica, principio mínimo de Pontryagin y métodos directos. Se desarrollan y describen los algoritmos para implementar estos métodos así como un modelo de planta motriz, validado experimentalmente, que incluye la dinámica longitudinal del vehículo, modelos para el motor eléctrico y las baterías, y un modelo de motor de combustión de valores medios. El CO puede utilizarse para tres objetivos distintos: 1. Control aplicado, en caso de que las condiciones de contorno estén definidas. Puede aplicarse al control del motor de combustión para un ciclo de conducción dado, traduciéndose en un problema matemático de grandes dimensiones. Se estudian dos casos particulares: la gestión de un sistema de EGR de doble lazo, y el control completo del motor, en particular de las consignas de inyección, SOI, EGR y VGT. 2. Obtención de reglas de control cuasi-óptimas, aplicables en casos en los que no todas las perturbaciones se conocen. A este respecto, se analizan el cálculo de calibraciones de motor específicas para un ciclo, y la gestión energética de un vehículo híbrido mediante un control estocástico en bucle cerrado. 3. Empleo de trayectorias de CO como comparativa o referencia para tareas de diseño y mejora, ofreciendo un criterio objetivo. La ley de combustión así como el dimensionado de una planta motriz híbrida se optimizan mediante el uso de CO. Las estrategias de CO han sido aplicadas experimentalmente en los trabajos referentes al motor de combustión, poniendo de manifiesto sus ventajas sustanciales, pero también analizando dificultades y líneas de actuación para superarlas. Los métodos desarrollados en esta Tesis Doctoral son generales y aplicables a otros criterios si se dispone de los modelos adecuados.El Control Òptim (CO) és essencialment un problema matemàtic de cerca d'extrems, que consisteix en la definició d'un criteri a minimitzar (o maximitzar), restriccions que es deuen satisfer i condicions de contorn que afecten el sistema. La teoria de CO ofereix mètodes per a derivar una trajectòria de control que minimitza (o maximitza) aquest criteri. Aquesta Tesi tracta l'aplicació del CO en automoció i especialment al motor de combustió interna. Les ferramentes necessàries són un mètode d'optimització i una representació matemàtica de la planta motriu. Per a això, es realitza una anàlisi quantitatiu dels avantatges i inconvenients dels tres mètodes d'optimització existents a la literatura: programació dinàmica, principi mínim de Pontryagin i mètodes directes. Es desenvolupen i descriuen els algoritmes per a implementar aquests mètodes així com un model de planta motriu, validat experimentalment, que inclou la dinàmica longitudinal del vehicle, models per al motor elèctric i les bateries, i un model de motor de combustió de valors mitjans. El CO es pot utilitzar per a tres objectius diferents: 1. Control aplicat, en cas que les condicions de contorn estiguen definides. Es pot aplicar al control del motor de combustió per a un cicle de conducció particular, traduint-se en un problema matemàtic de grans dimensions. S'estudien dos casos particulars: la gestió d'un sistema d'EGR de doble llaç, i el control complet del motor, particularment de les consignes d'injecció, SOI, EGR i VGT. 2. Obtenció de regles de control quasi-òptimes, aplicables als casos on no totes les pertorbacions són conegudes. A aquest respecte, s'analitzen el càlcul de calibratges específics de motor per a un cicle, i la gestió energètica d'un vehicle híbrid mitjançant un control estocàstic en bucle tancat. 3. Utilització de trajectòries de CO com comparativa o referència per a tasques de disseny i millora, oferint un criteri objectiu. La llei de combustió així com el dimensionament d'una planta motriu híbrida s'optimitzen mitjançant l'ús de CO. Les estratègies de CO han sigut aplicades experimentalment als treballs referents al motor de combustió, manifestant els seus substancials avantatges, però també analitzant dificultats i línies d'actuació per superar-les. Els mètodes desenvolupats a aquesta Tesi Doctoral són generals i aplicables a uns altres criteris si es disposen dels models adequats.Reig Bernad, A. (2017). Optimal Control for Automotive Powertrain Applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90624TESI

Nature’s Optics and Our Understanding of Light

Optical phenomena visible to everyone abundantly illustrate important ideas in science and mathematics. The phenomena considered include rainbows, sparkling reflections on water, green flashes, earthlight on the moon, glories, daylight, crystals, and the squint moon. The concepts include refraction, wave interference, numerical experiments, asymptotics, Regge poles, polarisation singularities, conical intersections, and visual illusions

Multiphysics Simulation and Model-based System Testing of Automotive E-Powertrains

Programa Oficial de Doutoramento en Enxeñaría Naval e Industrial . 5015V01[Abstract] Model-Based System Testing emerges as a new paradigm for the development cycle that is currently gaining momentum, especially in the automotive industry. This novel approach is focused on combining computer simulation and real experimentation to shift the bulk of problem detection and redesign tasks towards the early stages of the developments. Along these lines, Model-Based System Testing is aimed at decreasing the amount of resources invested in these tasks and enabling the early identification of design flaws and operation problems before a full-vehicle prototype is available. The use of Model-Based System Testing, however, requires to implement some critical technologies, three of which will be discussed in this thesis. The first task addressed in this thesis is the design of a multiplatform framework to assess the description and resolution of the equations of motion of virtual models used in simulation. This framework enables the efficiency evaluation of different modelling and solution methods and implementations. In Model-Based System Testing contexts virtual models interact with physical components, therefore it is mandatory to guarantee their real-time capabilities, regardless of the software or hardware implementations. Second, estimation techniques based on Kalman Filters are of interest in Model- Based System Testing applications to evaluate parameters, inputs or states of a virtual model of a given system. These procedures can be combined with the use of Digital Twins, virtual counterparts of real systems, with which they exchange information in a two-way communication. The available measurements from the sensors located at a physical system can be fused with the results obtained from the simulation of the virtual model. Thus, this avenue improves the knowledge of the magnitudes that cannot be measured directly by these sensors. In turn, the outcomes obtained from the simulation of the virtual model could serve to make decisions and apply corrective actions onto the physical system. Third, co-simulation techniques are necessary when a system is split into several subsystems that are coordinated through the exchange of a reduced set of variables at discrete points in time. This is the case with a majority of Model-Based System Testing applications, in which physical and virtual components are coupled through a discrete-time communication gateway. The resulting cyber-physical applications are essentially an example of real-time co-simulation, in which all the subsystems need to achieve real-time performance. Due to the presence of physical components, which cannot iterate over their integration steps, explicit schemes are often mandatory. These, however, introduce errors associated with the inherent delays of a discrete communication interface. These errors can render co-simulation results inaccurate and even unstable unless they are eliminated. This thesis will address this correction by means of an energy-based procedure that considers the power exchange between subsystems. This research work concludes with an example of a cyber-physical application, in which real components are interfaced to a virtual environment, which requires the application of all the MBST technologies addressed in this thesis.[Resumen] Los ensayos de sistemas basados en modelos emergen como un nuevo paradigma de desarrollo que actualmente está ganando popularidad, especialmente en la industria automotriz. Este nuevo enfoque se centra en combinar la simulación por ordenador con la experimentación para desplazar la mayor parte de la detección de problemas y rediseños hacia las fases tempranas del desarrollo. De esta forma, los ensayos de sistemas basados en modelos se centran en disminuir la cantidad de recursos invertidos en estas tareas y habilitar la identificación temprana de errores de diseño y problemas durante la operación, incluso antes de que los prototipos del vehículo completo estén disponibles. Sin embargo, el uso de esta estrategia requiere implementar algunas tecnologías críticas, tres de las cuales serán tratadas en esta tesis. La primera tarea abordada en esta tesis es el diseño de un entorno multiplataforma para evaluar la descripción y resolución de las ecuaciones de la dinámica de los modelos virtuales usados en las simulaciones. Este marco permite una evaluación eficiente de las diferentes formas de modelar los sistemas y de los métodos de resolución e implementación. En este contexto de ensayos basados en modelos, los sistemas virtuales interactúan con los componentes de los sistemas físicos, por lo tanto es necesario garantizar sus capacidades de ejecución en tiempo real, independientemente de la plataforma de software y hardware utilizada. En segundo lugar, las técnicas de estimación basadas en filtros de Kalman son de gran interés en las aplicaciones que usan ensayos basados en modelos para evaluar los parámetros, entradas o estados de los modelos virtuales de un sistema dado. Estos procedimientos se pueden combinar con el uso de gemelos digitales, homólogos virtuales de un sistema físico, con el cual mantienen un flujo bidireccional de intercambio de información. Las medidas disponibles procedentes de los sensores instalados en un sistema físico se pueden combinar con los resultados obtenidos de la simulación del sistema virtual. De este modo, este enfoque mejora el conocimiento de las magnitudes que no pueden ser medidas directamente por los sensores. A su vez, los resultados de la simulación de los sistemas de los modelos virtuales pueden servir para tomar decisiones y aplicar medidas correctivas al sistema real. En tercer lugar, las técnicas de co-simulación son necesarias cuando un sistema se divide en varios subsistemas, coordinados a través del intercambio de un reducido número de variables en momentos puntuales. Este es el caso de la mayor parte de las aplicaciones que siguen la estrategia de ensayos basados en modelos, en los cuales los componentes físicos y virtuales se acoplan mediante una comunicación en tiempo discreto. Como resultado las aplicaciones ciberfísicas son en esencia un ejemplo de co-simulación en tiempo real, en la que todos los subsistemas necesitan cumplir los requisitos de ejecución en tiempo real. Debido a la presencia de componentes físicos, que no pueden reiterar sus pasos de integración, el uso de esquemas explícitos es frecuentemente necesario. Sin embargo, estos esquemas introducen errores asociados con los retrasos propios de una interfaz de tiempo discreto. Estos errores pueden dar lugar a resultados erróneos e incluso inestabilizar la co-simulación, si no son eliminados. Esta tesis aborda la corrección de la co-simulación a través de métodos energéticos basados en la potencia intercambiada por los subsistemas. Este trabajo de investigación concluye con un ejemplo de aplicación ciberfísica, en la que se conectan componentes reales a una simulación por ordenador. Esta aplicación requiere la aplicación de las tecnologías de ensayos basados en modelos presentadas a lo largo de esta tesis.[Resumo] Os ensaios de sistemas baseados en modelos xorden como un novo paradigma de desenvolvemento que actualmente está gañando popularidade, especialmente na industria automotriz. Este novo enfoque céntrase en combinar a simulación por ordenador coa experimentación para desprazar a maior parte da detección de problemas e redeseños cara as fases iniciais do ciclo de produto. Deste xeito, os ensaios de sistemas baseados en modelos fundaméntanse en diminuír a cantidade de recursos investidos nestas tarefas e habilitar a identificación temperá de erros de deseño e problemas durante a operación, aínda se os prototipos do vehículo completo non están dispoñibeis. Porén, o uso desta estratexia require implementar algunhas tecnoloxías críicas, tres das cales serán tratadas nesta tese. A primeira tarefa tratada nesta tese é o deseño dun entorno multiplataforma para avaliar a descripción e resolución das ecuacións da dinámica dos modelos virtuais empregados nas simulacións. Este entorno permite unha avaluación eficiente dos diferentes xeitos de modelar os sistemas e dos métodos de resolución e implementación. Neste contexto de ensaios baseados en modelos, os sistemas virtuais interactúan cos compoñentes dos sistemas físicos, polo tanto é necesario garantir as súas capacidades de execución en tempo real, independentemente da plataforma de hardware e software escollida. En segundo lugar, as técnicas de estimación baseadas en filtros de Kalman son de grande interese nas aplicacións que usan ensaios baseados en modelos para avaliar os seus parámetros, entradas ou estados dos modelos virtuais dun certo sistema. Estes procedementos pódense combinar co uso de xemelgos dixitais, homólogos virtuais dun sistema físico, co cal manteñen un fluxo bidireccional de intercambio de información. As medidas dispoñíbeis procedentes dos sensores instalados nun sistema físico pódense combinar cos resultados obtidos da simulación do sistema virtual. Deste xeito, este enfoque mellora o coñecemento das magnitudes que non poden ser medidas directamente polos sensores. Á súa vez, os resultados da simulación dos sistemas dos modelos virtuais poden servir para tomar decisións e aplicar medidas correctivas ao sistema real. En terceiro lugar, as técnicas de co-simulación son necesarias cando un sistema é dividido en varios subsistemas, coordinados a través do intercambio dun reducido número de variables en momentos puntuais. Este é o caso da maior parte das aplicacións que seguen a estratexia de ensaios baseados en modelos, nos cales os compoñentes físicos e virtuais se acoplan mediante unha comunicación en tempo discreto. Como resultado as aplicacións ciberfísicas son esencialmente un exemplo de co-simulación en tempo real, na que tódolos subsistemas necesitan cumprir os requisitos de execución en tempo real. Debido á presenza de compoñentes físicos, que non poden reiterar os seus pasos de integración, o uso de esquemas explícitos é polo xeral necesario. Con todo, estes esquemas introducen erros asociados cos atrasos derivados dunha interface de tempo discreto. Estes erros poden provocar resultados incorrectos e incluso inestabilizar a co-simulación, de non seren eliminados. Esta tese aborda a corrección da co-simulación a través de métodos enerxéticos baseados na potencia intercambiada polos subsistemas. Este traballo conclúe cun exemplo de aplicación ciberfísica, na que os compoñentes reais son conectados a un entorno virtual. Isto require o emprego de tódalas tecnoloxías de ensaios baseadas en modelos presentadas ao longo desta tese

Hard X-ray imaging facility for space shuttle: A scientific and conceptual engineering study

A shuttle-accommodated instrument for imaging hard X-rays in the study of nonthermal particles and high temperature particles in various solar and cosmic phenomena was defined and its feasibility demonstrated. The imaging system configuration is described as well as the electronics, aspect systems, mechanical and thermal properties and the ground support equipment

A contribution to the global modeling of heat transfer processes in Diesel engines

[EN] Current challenges in research and development of powertrains demand new computational tools capable of simulating vehicle operation under very diverse conditions. This is due, among other reasons, to new homologation standards in the automotive sector requiring compliance of exhaust emissions regulations under any possible driving condition on the road. Global engine or vehicle models provide many advantages to engineers because they allow to reproduce the entire system under study, considering the physical processes that take place in different components and the interactions among them. This thesis aims to enable the modeling of heat transfer processes in a complete engine simulation tool developed at CMT-Motores Térmicos research institute. This 0D/1D simulation tool is called Virtual Engine Model (VEMOD). The development of heat transfer models comprises the engine block and the ancillary systems. The model of heat transfer in the engine block deals with the central problem of in-cylinder convection by means of a combination of experimental research, CFD simulation and multizone 0D modeling. The other thermal processes present in the engine block are examined in order to implement suitable submodels. Once the model is complete, it undergoes a validation with experimental transient tests. Afterwards, the ancillary systems for engine thermal management are brought into focus. These systems are considered by means of two new models: a model of heat exchangers and a model of thermo-hydraulic circuits. The development of those models is reported in detail. Lastly, with the referred thermal models integrated in the global simulation tool, a validation study is undertaken. The goal is to validate the ability of the Virtual Engine Model to capture the thermal response of a real engine under various operating conditions. To achieve that, an experimental campaign combining tests under steady-state operation, under transient operation and at different temperatures is conducted in parallel to the corresponding simulation campaign. The capacity of the global engine simulations to replicate the measured thermal evolution is finally demonstrated.[ES] Los retos actuales en la investigación y desarrollo de trenes de potencia demandan nuevas herramientas computacionales capaces de simular el funcionamento de un vehículo en condiciones muy diversas. Esto se debe, entre otras razones, a que los nuevos estándares de homologación en el sector de la automoción obligan al cumplimiento de las regulaciones de emisiones en cualquier condición posible de conducción en carretera. Los modelos globales de motor o de vehículo proporcionan muchas ventajas a los ingenieros porque permiten reproducir el sistema entero a estudiar, considerando los procesos físicos que tienen lugar en los distintos componentes y las interacciones entre ellos. Esta tesis pretende hacer posible el modelado de los procesos de transmisión de calor en una completa herramienta de simulación de motor desarrollada en el instituto de investigación CMT-Motores Térmicos. Esta herramienta de simulación 0D/1D se denomina Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desarrollo de modelos de transmisión de calor comprende el bloque motor y los sistemas auxiliares. El modelo de transmisión de calor en el bloque motor aborda el problema central de la convección en el interior del cilindro mediante una combinación de investigación experimental, simulación CFD y modelado 0D multizona. El resto de procesos térmicos presentes en el bloque motor son examinados para poder implementar submodelos adecuados. Una vez el modelo está terminado, se realiza una validación con ensayos experimentales en régimen transitorio. A continuación, el foco de atención pasa a los sistemas auxiliares de gestión térmica. Estos sistemas se toman en consideración por medio de dos nuevos modelos: un modelo de intercambiadores de calor y un modelo de circuitos termohidráulicos. El desarrollo de los modelos se explica en detalle en esta tesis. Por último, con los citados modelos integrados en el Motor Virtual, se lleva a cabo un estudio de validación. El objectivo es validar la capacidad del Motor Virtual para reproducir la respuesta térmica de un motor real en varias condiciones de funcionamento. Para conseguirlo, se realiza una campaña experimental que combina ensayos en régimen estacionario, en régimen transitorio y a diferentes temperaturas, en paralelo a la campaña de simulación correspondiente. La capacidad de las simulaciones globales de motor para replicar la evolución térmica medida experimentalmente queda finalmente demostrada.[CA] Els reptes actuals en la recerca i el desenvolupament de trens de potència demanden noves eines computacionals capaces de simular el funcionament d'un vehicle en condicions molt diverses. Açò es deu, entre altres raons, a que els nous estàndards d'homologació al sector de l'automoció obliguen al compliment de les regulacions d'emissions en qualsevol condició possible de conducció en carretera. Els models globals de motor o de vehicle proporcionen molts avantatges als enginyers perquè permeten reproduir el sistema sencer a estudiar, considerant els processos físics que tenen lloc als distints components i les interaccions entre ells. Aquesta tesi pretén fer possible el modelat dels processos de transmissió de calor en una completa eina de simulació de motor desenvolupada a l'institut de recerca CMT-Motores Térmicos. Aquesta eina de simulació 0D/1D s'anomena Motor Virtual o Virtual Engine Model (VEMOD). El desenvolupament de models de transmissió de calor comprén el bloc motor i els sistemes auxiliars. El model de transmissió de calor al bloc motor aborda el problema central de la convecció a l'interior del cilindre mitjançant una combinació de recerca experimental, simulació CFD i modelat 0D multizona. La resta de processos tèrmics presents al bloc motor són examinats per a poder implementar submodels adequats. Una vegada el model està acabat, es fa una validació amb assajos experimentals en règim transitori. A continuació, el focus d'atenció passa als sistemes auxiliars de gestió tèrmica. Aquests sistemes es prenen en consideració per mitjà de dos nous models: un model d'intercanviadors de calor i un model de circuits termohidràulics. El desenvolupament dels models s'explica en detall en aquesta tesi. Per últim, amb els referits models integrats al Motor Virtual, es porta a terme un estudi de validació. L'objectiu és validar la capacitat del Motor Virtual per a reproduir la resposta tèrmica d'un motor real en diverses condicions de funcionament. Per a assolir-ho, es realitza una campanya experimental que combina assajos en règim estacionari, en règim transitori i a diferents temperatures, en paral·lel a la campanya de simulació corresponent. La capacitat de les simulacions globals de motor per a replicar l'evolució tèrmica observada experimentalment queda finalment demostrada.European funds received in the framework of Horizon 2020’s DiePeR project have contributed to the validation and improvement of the Virtual Engine Model. My own dedication has been funded by Universitat Politècnica de València through the predoctoral contract FPI-S2-2016-1357 of “Programa de Apoyo para la Investigaci´on y Desarrollo (PAID-01-16)”.Salvador Iborra, J. (2020). A contribution to the global modeling of heat transfer processes in Diesel engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149575TESI