1 INTEGRATED DESIGN FOR INGENIERING SYSTEMS : Bond Graph Approach. Belkacem OULD BOUAMAMA Professeur : Ecole Polytechnique Universitaire de Lille (Polytechlille)

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INTEGRATED DESIGN FOR INTEGRATED DESIGN FOR INGENIERING SYSTEMS :INGENIERING SYSTEMS : Bond Graph Approach. Bond Graph Approach.

INTEGRATED DESIGN FOR INTEGRATED DESIGN FOR INGENIERING SYSTEMS :INGENIERING SYSTEMS : Bond Graph Approach. Bond Graph Approach.

Belkacem OULD BOUAMAMAProfesseur : Ecole Polytechnique Universitaire de Lille (Polytech’lille)

Recherche : Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal LAGIS - UMR CNRS 8021

Mèl : [email protected]él. : (33) (0) 3 28 76 73 87 , mobile : (33) (0) 6 67 12 30 20

Bureau : FO14 Polytech’Lille

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INTRODUCTIONINTRODUCTIONINTRODUCTIONINTRODUCTION

3\Prof. Belkacem Ould BOUAMAMA LAGIS UMR CNRS 8146

SOMMAISOMMAIRERE

SOMMAISOMMAIRERE

Préambule Pourquoi la conception intégrée Les outils de la modélisation pour la conception intégrée Pourquoi les Bond graphs pour la conception intégrée Types of industrial projects realized by Bond graph


PréambPréambuleule

PréambPréambuleule

La transversalité, l'interdisciplinarité, la pluridisciplinarité, la gestion de projets, sont aujourd’hui largement citées mais souvent préconisées avec un abus de langage sans aucune démarche

scientifiquement bien structurée.Le principal obstacle à la pénétration d’une activité de conception intégrée tient à la

structure même des institutions académiques et industrielles, où chaque discipline est strictement cloisonnée.

Ce cours présente un langage complet, doté d’une structure graphique et commune à toutes les spécialités d’ingénierie, capable de générer lui-même tous les niveaux (technologique,

physique, mathématique et algorithmique) de la conception intégrée des systèmes d’ingénierie. Cet outil est le bond graph.

Ce cours est le résultat d’un transfert des résultats de recherche fondamentale, mais surtout appliquée effectuée au sein du Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal de Lille (LAGIS - UMR

CNRS 8021). Ces résultats validés par des applications industrielles entérineront la puissance de cet outil largement utilisé par les grandes compagnies (Airbus, PSA, Renault, CEA, EDF..).

J’ai eu à enseigner ce module ailleurs qu’en France, c’est pourquoi la grande partie des transparents sont en langue anglaise.

Malgré tout le soin apporté à la rédaction, je suis conscient des imperfections qui peuvent encore subsister dans ce polycopié. Aussi, je vous suis reconnaissant par avance des remarques que

pourront lui adresser les lecteurs et les étudiants pour la perfection de ce support de cours.

Mots clefs : conception intégrée, mécatronique, bond graphs .


Objectifs et organisation du Objectifs et organisation du cours 1/4cours 1/4


Cadre du cours L'activité de conception est par essence, une activité pluridisciplinaire mettant en

présence des compétences diversifiées et le déploiement de logiciels d'aide à l’analyse, la modélisation et l’optimisation des systèmes d’ingénierie.

Les procédés physiques avec leur systèmes d’information (contrôle, acquisition, gestion de données et de signaux, …) caractérisés par les couplages inter

domaines et les interactions multiples entre les éléments imposent aujourd’hui une vision globale et intégrée appelée aussi « approche système » de la conception.

Il s’agit alors pour un ingénieur, dès qu’il s’agit de concevoir un système hétérogène, vu comme un «complexe d’éléments» d’utiliser un langage unifié pour sa

représentation architecturale, sa modélisation et enfin sa simulation par des outils logiciels appropriés. Ces quatre niveaux de connaissance : technologique, physique, mathématique et algorithmique sont représentés par un seul outil : les bond graphs,

aujourd’hui largement utilisé par les grandes industries (PSA, Renault, EDF, IFP, CEA, Airbus,…) et enseignés dans les grandes écoles d’ingénieurs .




Objectifs Le but final est de dépasser l'approche analytique du domaine d'étude enseignée en

amont (dans chaque département) pour acquérir une vision "systémique" globale pour l’analyse et la synthèse des systèmes complexes.

Organisation du module : Cours, TD et mini projet. Cours : Le but du cours est de maîtriser les concepts de la conception intégrée pour

la modélisation de n’importe quel système indépendamment de sa nature physique. A la fin du cours, l’étudiant aura :

maîtriser le langage de l’outil bond graph comme approche unifiée et système pour la modélisation et la simulation en vue de la conception intégrée,

appris à développer une démarche systématique de conception des systèmes d’ingénierie à partir des Plans (ISO)des Instruments Détaillés jusqu’à l’informatisation de

leur mise en œuvre, développer un raisonnement basée sur l‘analogie et les concepts de causalité pour

comprendre et résoudre le niveau algorithmique de la modélisation. Le cours est illustré par des exemples pédagogiques et par un cas pratique réel (analyse

et synthèse d’une installation d’une centrale thermique disponible à Polytech’Lille et piloté à distance par Internet).




TD Le but des Travaux Dirigés (TD) est d’apprendre (sur des cas d’étude

pédagogiques) les outils logiciels spécifiques pour la réalisation des schémas de simulation des systèmes conçus, la génération et l’analyse (en terme de causalité) des équations formelles.

Travaux Pratiques sous forme de projet: En Travaux Pratiques (réalisés sous forme de projets) les élèves incluront leurs

connaissances théoriques acquises dans une vision globalement cohérente d'un projet de conception intégrée d’un système réel de nature spécifique au profil de la spécialité des étudiants. Le procédé ou système réel à étudier est proposé par l’étudiant. Dans le cas contraire, les sujets à traiter concernent par exemple : la dynamique de la suspension de voiture, presse hydraulique robotique, le pilotage d'une cimenterie, pilotage d'un unité de station d'épuration des eaux usées, procédés énergétiques et de transformation chimique, approche « système » pour la conception de systèmes automatisés, la mécatronique,…).

Chaque groupe d’étudiants réalisera un sous modèle du procédé global. Le modèle global sera alors reconstruit alors par la connexion des différents sous modèles: une démarche de gestion de projets.




Pré requis nécessaires pour suivre cet enseignement : Physique élémentaire : lois de conservation de masse et d’énergie,

lois de transfert thermique et de masse, électricité, hydraulique de base, éléments de base de la mécanique.

Eléments de la simulation et de l’analogie: notion de causalité, calculabilité, …

mathématique différentielle élémentaire : équations algébriques, sens physique des équations différentielles (par leur résolutions).

Niveau demandé Minimum BAC+2


Outils logiciel : Matlab-Simulink, Symbols2000

Bibliographie : Le présent polycopié est suffisant. Pour plus de détails, est donné en annexe une copie d’un

article dans les Techniques de l’ingénieurs. Pour des recherches approfondies sur l’utilisation des bond graphs, consulter :

J. Thoma et B. Ould Bouamama « Modelling and simulation in thermal and chemical engineering » Bond graph

Approach , Springer Verlag, 2000.

Les Bond Graphs sous la direction de Geneviève Dauphin-Tanguy. Collection IC2 Systèmes Automatisés Informatique

Commande et Communication, Edition Hermes, 383 pages, Paris 2002.

B. Ould Bouamama, A.K. Samantary, K. Medjaher,, M. Staroswiecki et G. Dauphin-Tanguy et (2004). Model builder

using Functional and bond graph tools for FDI design. Control Engineering Practice, CEP, Vol. 13/7 pp. 875-891.

B. Ould Bouamama, K. Medjaher, A.K. Samantary et M. Staroswiecki Supervision of an industrial steam generator. Part

I: Bond graph modelling, Control Engineering Practice, CEP, sous presse (disponible chez l’auteur)

B. Ould Bouamama, K. Medjaher, A.K. Samantary et M. Staroswiecki Supervision of an industrial steam generator. Part

II: On line eimplementation, Control Engineering Practice, CEP, sous presse ((disponible chez l’auteur).

Bibliographie et/ou matériels (nécessaires et devant être Bibliographie et/ou matériels (nécessaires et devant être accessibles à l'étudiantaccessibles à l'étudiant

Bibliographie et/ou matériels (nécessaires et devant être Bibliographie et/ou matériels (nécessaires et devant être accessibles à l'étudiantaccessibles à l'étudiant

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PARTIE 1 :PARTIE 1 :PARTIE 1 :PARTIE 1 :

1. MOTIVATIONS


Finalité de Finalité de l’approchel’approcheFinalité de Finalité de l’approchel’approche

Objectif

Modéliser pour :ConcevoirAnalyser décider

Gestion d’un projet multidisciplinaire

StructuréeUnifiéeintégréegénérique

Une méthode


Conception Conception intégréeintégrée

Conception Conception intégréeintégrée

Conception ? une activité pluridisciplinaire mettant en présence des

compétences diversifiées et le déploiement de logiciels d'aide à l’analyse, la modélisation et l’optimisation des systèmes d’ingénierie.

APPROCHE SYSTÉMIQUE : méthodologie de représentation, de modélisation d'un objet actif

finalisé, physique ou immatériel, en interaction avec ses environnements par l'intermédiaires de flux (énergétiques, informationnels ou matériels ) sur lesquels le système exerce une action: un flux qu'il modifie et "processe


CONSTAT sur CONSTAT sur L’EXISTANTL’EXISTANT

CONSTAT sur CONSTAT sur L’EXISTANTL’EXISTANT

ASPECT PHILOSOPHIQUE La systémique et la complexité : expliquée du point de vue social, et

philosophique Pas de démarche structurée

ASPECT ECONOMIQUE Théorie de Forester (notion de source et de puits) Souvent les notions d’automatique (feed back, adaptation…) admises

comme notion d systémique et de complexitéEN TECHNOLOGIE

Intégration est la mise « côte à côte » plusieurs méthodes !! Esprit corporatiste assez développée

Or : Le problème n’est pas d’expliquer la systémique, mais de l’appliquer


La révolution vient de l’industrie La révolution vient de l’industrie automobile ? automobile ?

La révolution vient de l’industrie La révolution vient de l’industrie automobile ? automobile ?

Approche dans l’industrie mécanique Conception géométrique Analyse des comportements aux efforts Essais sur prototypes physiques

Alors que : Performances énergétiques et dynamiques non testés pas de langage commun à toutes les disciplines et aux ingénieurs concepteurs Le seul outil commun ce sont les mathématiques

Ça bouge depuis fin des années 70 Évolution du calcul formel et de l’informatique Apparition de bibliothèques de modèles Techniques des interfaces graphiques évoluées Apparition de la « mécatronique » (association des différents phénomènes à

l’électronique) dans l’automobile


Pourquoi une approche système de la Pourquoi une approche système de la conception ?conception ?

Pourquoi une approche système de la Pourquoi une approche système de la conception ?conception ?

Caractère d’un procédé physique Les procédés physiques avec leur systèmes d’information

(contrôle, acquisition, gestion de données et de signaux, …) caractérisés par les couplages interdomaines et les interactions multiples entre les éléments imposent aujourd’hui une vision globale et intégrée..

Nécessité d’un langage unifié pour sa représentation architecturale, sa modélisation et enfin sa

simulation par des outils logiciels appropriés. les bond graphs, aujourd’hui largement utilisé par les grandes industries (PSA, Renault, EDF, IFP, CEA, Airbus,…) et enseignés dans les grandes écoles d’ingénieurs.

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2. Les outils de la modélisation pour la conception intégrée


NIVEAUX DE NIVEAUX DE MODELISATIONMODELISATION

NIVEAUX DE NIVEAUX DE MODELISATIONMODELISATION

11. Technological. Technological

2.2. Physical Physical Storage, dissipationStorage, dissipation, …., ….

3.3. Mathematical Mathematical dxyxfxi ),(

4.4. Algorithmic Algorithmic

WhatWhat

to do ?to do ?


FONCTIONS ET TYPES DE FONCTIONS ET TYPES DE MODÈLESMODÈLES

FONCTIONS ET TYPES DE FONCTIONS ET TYPES DE MODÈLESMODÈLES

FONCTIONS Cognitive Predictive Normative

TYPES Fonctionnel Qualitatif Quantitatif

Forte Moyenne

Faible

Fonctionnel

Type de modèlesValeur des fonctionnalité des modèles

Qualitatif

quantitatif

Moyenne Forte -

Faible -

Cognitive Prédictive Normative

Faible -

Forte Forte

L

T

Fm

Lm

Pu L

T

Fm

Lm

Pu

qualitatif

TandLthen

PandFif um

quantitatif

),,,(

),,,(

2

1

TPFFdt

dT

TPFFdt

dL

um

um

fonctionnel

StockerSE

Support

Contrôl

e


Analyse des différents Analyse des différents modèlesmodèles

Analyse des différents Analyse des différents modèlesmodèles FONCTIONNELS

Représentation large des systèmes Forme communicable Peu de raisonnement Ambigus

QUALITATIFS Fonction essentiellement prédictive 1er niveau de simulation Champ d’application (validité) limité Moins ambigus

QUANTITATIFS Fonction pédagogique et aptitude à la communication faible Cham d’application limité Formalisation forte, Simulation plus fine Décisionnels (optimisation, conception, aide à la décision, prédictif)


WHAT IS WHAT IS MODELLING ?MODELLING ?

WHAT IS WHAT IS MODELLING ?MODELLING ?

What is modeling ?What is modeling ?

Why modeling ?Why modeling ?

ConceptionConception DecisionDecision ControlControl


Definition of Definition of modelingmodeling

Definition of Definition of modelingmodelingThe different mathematical equations describing a

system and to predict its behavior is called a mathematical model. The mathematical model can also be defined as an operator

giving the relation between input and output signals

SYSTEM

x1

xK

Y

0)...,,,...,( )()1()()1( mn xxxYYYF

Model


LEVELS OF LEVELS OF MODELINGMODELINGLEVELS OF LEVELS OF MODELINGMODELING

11. Technological. Technological

2.2. Physical Physical Storage, dissipationStorage, dissipation, …., ….

3.3. Mathematical Mathematical dxyxfxi ),(

4.4. Algorithmic Algorithmic

WhatWhat

to do ?to do ?

24

3. Why Bond graph for 3. Why Bond graph for integrated conceptionintegrated conception3. Why Bond graph for 3. Why Bond graph for integrated conceptionintegrated conception

?


Bond Graphs and levels Bond Graphs and levels in BGin BG

Bond Graphs and levels Bond Graphs and levels in BGin BG WORD BG

S1 S2e1

f1

e2

f2

S2

Constitutive EQUATIONS

dtR

SeS

Ce eC

fC ))(

(1

1

11

1

BG MODEL

0 1

C:C1 R:R1

Sf11 2 3

Se1

CAUSALITY

1. Technological 1. Technological

2. Physical2. Physical

3. Mathematical3. Mathematical

4. Algorithmic4. Algorithmic


The BG power full tool for modeling The BG power full tool for modeling ….and more….and more

The BG power full tool for modeling The BG power full tool for modeling ….and more….and more A Word bond graph : technological level

is used to make initial decisions about the representation of dynamic systems Indicates the major subsystems to be considered As opposite to block diagram the input and outputs are not a signals but a power

variables to be used in the dynamic model

A bond graph consists of subsystems linked together by lines representing power bonds (labelled by physical power variables (physical level)

From this grahical model (but having a deep physical knowledge) is deduced Dynamic equations (algebraic or differential) (mathematical level) Simulation program (how the dynamic model will be calculated)


INTEREST OF BOND GRAPH INTEREST OF BOND GRAPH MODELINGMODELING

INTEREST OF BOND GRAPH INTEREST OF BOND GRAPH MODELINGMODELING

MULTI ENERGY DOMAIN OF PROCESSES The BG uses unified approach independently of physical system

COMPLEXITY OF PHENOMENA The BG shows clearly to the operator the visualization of

physical phenomenon energy storage, energy transformation and energy dissipation. Model stows the flowing power in the process.

NON STATIONNARITY The bond graph model is subject to evolution, meaning the

model can be refined by adding more elements like thermal losses or inertia effects, without having to start all over again

SOLVABILITY OF THE SIMULATION SCHEME the causal properties of the bond graph allow to resolve

problems related with the solvability of the algorithm.

28

WHAT WE CAN DO WITH WHAT WE CAN DO WITH BOND GRAPH ?BOND GRAPH ?

WHAT WE CAN DO WITH WHAT WE CAN DO WITH BOND GRAPH ?BOND GRAPH ?


TYPES OF INDUSTRIAL PROJECTS REALISED TYPES OF INDUSTRIAL PROJECTS REALISED BY BGBY BG

TYPES OF INDUSTRIAL PROJECTS REALISED TYPES OF INDUSTRIAL PROJECTS REALISED BY BGBY BG

MODELLING

NUCLEAR PLANT

MECHANICAL

CONTROL

CONTROLLABILITY

OBSERVABILITY

FDI and FTC

MONITORING ABILITY

DEDUCTION OF ARRs (Fault indicators) FROM BG

ALARM FILTERING


THE EKOFISK JACKING OPERATIONTHE EKOFISK JACKING OPERATION


Raising of 6 decks and their interconnecting bridges simultaneously by 6,5 meters

Heaviest platforms deck 10.000 tons

Raising to take place in summer 1987

Expected shut down 28 days

A feasibility study in coordination with Phillips Petroleum Company. Norway, during the second half of 1985

The jacking operation


What is the Bond graphs contribution for What is the Bond graphs contribution for FDI design ?FDI design ?

What is the Bond graphs contribution for What is the Bond graphs contribution for FDI design ?FDI design ?

Technological process

P&ID

Generate a dynamic and formal models

Generate a formal residuals

• Fonctional analysis• BG• Physics

technical specifications

Online implementation Data from sensors

Sensors

Optimal sensor placement

Diagnosability analysis

residuals

Diagnosability results

New sensor architecture

• Structural analysis• Causal and structural propeerties of BG


TYPES OF INDUSTRIAL TYPES OF INDUSTRIAL APLICATIONSAPLICATIONS

TYPES OF INDUSTRIAL TYPES OF INDUSTRIAL APLICATIONSAPLICATIONS

Steam generator

FCC process : Refinery process that cracks high boiling points components into light components.


Types of Types of applicationsapplications

Types of Types of applicationsapplications

Nuclear power plant Fuel cell


Electrochemical integrated with Electrochemical integrated with transport sytemtransport sytem

Electrochemical integrated with Electrochemical integrated with transport sytemtransport sytem

Produce electrical energy from a chemical fuel

Traction

membrane

Bipolarplate

(a) Diffusion layer

(b) Activelayer Electrical

load

Chap.3/ 36Prof. Belkacem Ould Bouamama, Polytech’Lille, France

Chapter 5

APPLICATION OF BG MODELING TO STEAM

GENERATOR INSTALLATION


VIEW OF THE INSTALLATION OF STEAM GENERATOR


Schematic of the pilot installation to be modeled

Pro

cess

del

ay s

yste

m

FIR

10PR11

PIR

16

TR17

PC2

PR14

PR15

TR38PR

38

TR29PR

31

V1

V6

User

PR13

PR12

ZC1

V2

V11

BOILER

LIR

9LIR

8

LG1

TR5

PC1

PIR

7

TR6

Q4

Thermal resistor

LC1

V10

60kW

FIR

3

P2

P1

V9

STORAGE TANK

TIR2

LIR

1

LG3

STEAM FLOW

FEED WATER

CONDENSER HEAT-EXCHANGER

V8

Condensate

V4

V5

LG2

LC2

Aero-refrigerator

TIR26

EnvironmentFIR

23

FIR

24

TIR27

TIR21

Cooling water

P3

P4

TIR22

TC5

PR27

TIR20

LIR19

LIR18

V3

TIR25


1. WORD BOND GRAPH OF THE INSTALLATION

, H mSC SC

P hSC SC,

Dischargevalves

P hEB EB, , H mEB EB

Receiverfeedingcircuit

, H mSB SB

P hSB SB,

, H mAL AL

P hAL AL,

Steamgenerator

TTHQTH

, H mVG VG Steamexpansion

PGV, hGV

Heatingelement

Voltage source

iGT UGT

P hSE SE,

, m HSE SE

, m HEE EE P hEE EE,

Coolingcircuit

, H mEC EC

P hEC EC,

Exchangercondenser


2. BG MODEL OF EACH SUBSYSTEM

Constitutive equations of the electric heater

RS and MTF elements

THTH

GTTH Pb

R

ubQ 2

2

2

GVGVrefGV

GVGVrefGV

PPPsi

PPPsib

1

02

What is the RS element ?

Se

PGV

UGTRSMTF

:1/b2iGT QTH

TTH

(b)

PGV

TGVTTH

QTHiGT

UGT

b2

(a)

Electric Heater


Model bond graph of feed water supply system

Determination of mass flows of the feeding circuit

The hydraulic model allows to find the mass flow in the feeding circuit. The mass flow is delivered from the intersection of the pump and of the conduit , as shown on figure .

PP1 [pa]

PAL0

[ / ]m m sAL3mAL0

mAL1

mPA

mAL2


Bond graph model of feed water supply systemBond graph model of feed water supply system

mPA

mCA

NGV

R:RCP1

1 R

PPA

Se

,m HAL AL ,m HSB SB

P hAl AL,PhSB SB,PGV

GV

MTF : b1

PSB

hSB

m

H

TANK


Constitutive equations of feed water system

Element RCP, pump characteristics and series junction

),,( 1bSePm PARCPPA

/s)m(en10*722,910*4948,8 3410 PAPA PmTo illustrate, the pump characteristic is given by:

MTF element

PASBPA

PACA

PPP

mmm

.1

The transformer MTF is modulated by a Boolean variable bl coming from the relay with bl = 0 for high level and bl = 1 for low level of water in the steam accumulator. According to the selected causalities, we have the relations

R Multiport and series 1 junction

)( ALD

GVSBPAALAL zK

PPPm


The determination of the flow towards the steam generator comes from solving

the system of equations

CAAL mm

The output of the relay is:

GVGVrefGV

GVGVrefGV

NNNsi

NNNsib

1

01

The thermal energy transported by the flow is then ALALSBAL hmHH

The enthalpy of the water becomes hAl = cpe.TAL .

SBCAALCAAL hmhmH


Bond graph model of the accumulator

,m PVG GV

Feeding circuit

TTH

QPG

QMG

,H hVG VG

,

,

H h

m PGV GV

GV GV

,m PAL AL

QEX

,H hAL AL

To steamexpansionde la vapeur

Heatingelement

TMG

i

~uQTH TEX


BG Model of the boilerBG Model of the boiler

,H hV G G V

,m PV G G V

Q T HQ T H

0

V PG V G V

C : C G V

h G V

T h e r m a l lo s s e s

S f

T o s t e a me x p a n s io n

H e a t in ge le m e n t

F e e d in gc i r c u i td 'a l im e n ta t io n

, H mA L A L

,H hG V G V ,m PG V G V

0

1 0

f h G V( )

RT T H

h G V

T G V

Q P G

Q M G

Q M GC : C M G

R : K G M

T E X

T M G

Q P G0

1 0

f h G V( )

R

1

1

0

Q E X

R : K E X

S e : T E X


Constitutive equations of the boiler

Pseudo element R : Legendre transformation

GV

THGV

TH

GV

h

Qhf

Q

T 01

)(0

R-elements for the transfer of heat from the boiler to

the metal and from the metal to the environment

MGGVGMPG TTKQ

EXMGEXEX TTKQ

Parallel Junction (0 junction): energy conservation in the steam generator

VGALGV

GVGVVGPGALTHGVGV

GV

mmm

PVHQHQdt

mhdH

GVGVGVVGPGALALTHGV PVhmQhmPbH 2


Constitutive equations for heat lossesConstitutive equations for heat losses

C-element for storing energy in the metal of the steam generator

)0(1

MGEXPGMG

MG TdtQQC

T

The global heat capacity of the metal is CMG = VMG.MG. cmetal

GVGV mXN )1(

Water level in the steam generator since we know the mixture ratio X, we can calculate the water quantity NGV in the two phase mixture:

Equations of the two phase mixture

XPvXPvM

Vv

XPhXPhM

Hh

GVLGVvGV

GVGV

GVLGVvGV

GVGV

1)()(

1)()(We obtain

X (Steam quality)

PGV (Pressure in the boiler)


Bond graph model of the steam expansion sytem

PEC , hEC

zV

D0

PVG , hGV PEC

CondenserGV

uC2zV2

VM2

VMB

VM0

VM1

zVB

zV1

PC

, m HVG VG , m HEC EC

mV1

mVB

mV2

PGV PEC


Bond graph model of the steam expansion steam

P G V , h G V

, H mV V2 2 , H mV V1 1

ECEC Ph , , H mE C E C

, H mV B V B

, H mV G V G

z V Bz V 1

z V 2 RRR

0

0

T o c o n d e n s e r

F r o m G V

M T F : b b

S e


Constitutive equations for steam expansion systemConstitutive equations for steam expansion system

Parallel Junction (0-junction)

VBbVVGVVBVVVG

VBbVVVG

mbmmhHHHH

mbmmm

2121

21

closed isvalvebypassif0

opened isvalvebypassif1bb

GVECGV

ECECGVViiVi

GVECGV

GVViiVi

PPsiT

pPPzKm

PPsiT

PzKm

5.0).(

5.0).(

R Multiport

iii mhH .


Dynamics of valvesDynamics of valves

pV e

p

kpW )(

The transfer functions WV of the two valves have been identified on the pilot installation.

Their transfer function has been found as:

The flow at the input of the condenser equal the output of the boiler or steam generator GV:

ECBECECECEC

VGECBECECEC

mmmhH

mmmmm

21

21


Bond graph model of the condenser

Output ofwram water Entry of

cooling waterwaterde

Steamentry

Bâche

Condensate

Feeding circuit

Expansion

LC

P27


Word bond graph of the condenser

Q17T17

Steam+tubesentry

Q5 T5

TQ10

10

, H m1 1

Fromexpansionflow sytem

h1 ,P1 Condens--ation , H m3 3

h3 ,P3

, H m19 19

Liquidand

tubes

h19,P19

, H m13 13

Disch-arge

valves

h13,P13

, H m27 27

Tank

h27 ,P27

Steam and tubesgoing out

, H m15 15

, H m14 14

Exit warmwater

T15,P15

T14,P14Heat exchange coldwater-tube

, H m7 7

Entry ofcold water

T7 ,P7


BG Model of the condenserBG Model of the condenser

),(and),( uxCyuxfx

The state space equation is nonlinear by the coupled powers and has the form

., 27321771113133317105tt PbbbmHHmuHmHmQQQx

Physical means of the state variables ?

Warm fluid

Tin 1

RT1

(a)

0

Cm

Tm

1Tout

Cooling fuid

Wall

fT

Tout

Tm

Hexa-RCR fT

Tin

(b)

RT2


0Q

TC:CM

1TR:K1Q

4

1T

R:K2Q

5

2

C:CC

0Hm ,

TP, 1Fluide

Chaud

3Sf3

C:CF

7

6 80

TP,

Hm ,

Fluide

Chaud Sf7

0Q

TC:CM 0

Q

TC:CM

1TR:K1Q

4

1TR:K1Q

444

1T

R:K2Q

5

1T

R:K2Q

TR:K2

Q555

2

C:CC

22

C:CCC:CC

0Hm ,

TP, 1Fluide

Chaud

3Sf30

Hm ,

TP, 1

Hm ,

TP, 11Fluide

Chaud

Fluide

Chaud

3Sf3

33Sf3

C:CF

7

C:CFC:CF

77

6 80

TP,

Hm ,

Fluide

Chaud Sf7

66 880

TP,

Hm ,

Fluide

Chaud

Fluide

FROID Sf7Sf7

HexaHm ,

1 2

3

TP,Fluide

Chaud C:CC

Fluide

ChaudHexa

5 6C:CF

Hm ,

TP,

0T

C:CM Q4

3

HexaHm ,

1 2

3

TP,Fluide

Chaud C:CC

Fluide

ChaudHexa

5 6C:CF

Hm ,

TP,

0T

C:CM Q4

3

HexaHm ,

11 22

333

TP,Fluide

Chaud

Fluide

Chaud C:CC

Fluide

ChaudHexa

5 6C:CF

Hm ,

TP,Fluide

Chaud

Fluide

FroidHexa

55 66C:CF

Hm ,

TP,

0T

C:CM Q44

333

Hexa (Heat exchanger element)Hexa (Heat exchanger element)


BG modelBG model

Ph,

Ph,

E

E

V L

T T

,

,17 5

E

, mH

V P13 13

, mH

Sf

Sf

32

QTT

T

18419

20

175

1615148

10

11

b1

1

b2 b3

29 1312

212322

11

24 2526

27

0

R:Reco

C:CV

C:C17

C:CL

00

0

0

0

R RR

Hexa

HexaHexa

9

Exit warmwaterchaude

Entry coldwater

6

7Hexa

Steamexpan-sio n

Ph,

PT, PT,

, mH

, mH , mH

T

1

Receiver

E28

V P3 3

C:C5

C:C10

De

QDe

R:R12 1


Constitutive equations

Hydraulic and thermal. energy Multiport C:CV

dtQQPVHHH

dtmm

TV

TVmmm

TsatT

TsatT

184331913

1913

3

33

31913 .

.

1

The one ports C-elements called C5 , C17 and C10 represent

the thermal energy in the three sections of the serpentines

dtQQC

T

dtQQC

T

dtQQC

T

)(1

,)(1

)(1

91110

10

161817

17

645

5


R elements : The thermal conduction flow is given by the law of Fourier

.,,

,,,

8101191013111115171816

173181875465344

TTKQTTKQTTKQ

TTKQTTKQTTKQ

Multiport Reco for steam phase

TT

TTV

TT nDTTcLg

TTlgm

4/3

331313

13313

13

3131319 68,0

4

3

)( 1331919 hhmH

C:CL : Multiport C called C13 for thermal and hydraulic

accumulation of the condensate dtPVmhQmhH

dtmmm

131327131119313

271913


Hydraulic resistance R in the discharging valve

2713

13271327

13

3

127 27.

mm

HmhH

PPKbm DCi

i


Block diagram of BG model of the condenserBlock diagram of BG model of the condenser

T 1 7T 3 h 3

T an k

d R h o (T 3)

Q 4

Q1 8

H 3

H 1

H 1 9

m 1

m1 9

d

d t

T 3

T 3C ond en ser

H 3h 3h 3

3 m 3

P 3

V 3

V 3

fP (h 3)

fT(h 3 )

+ + - - -

- +

C :C V

R ecoS tea m co nd e nsa tio n (eq u .5 .4 5 ) m1 9

H 1 9

13= 1 0 0 0 kg /m 3

3

Q11

H 1 9

H 2 7

m 27

m1 9

d

d t

h

m c1 3

1 3 1 3

m1 3

1 3

m g

AP

C

1 33

.

P S B

T 3

P 3

P 1 3

H 1 3

m 1 3

m 1 3

h 13h 13

V 13

V 13

V C

+ - - -

+ -

V 3-

+

Q i

T 17

T 10

T 5

H 7

T 1 3

T 3

H ex aC alcu la tio n the rm a lflo w s (eq u . 5 .4 3 e t

5 .4 4 )

C 5 , C 10 , C 17C alcu la tio n te m p era tu -re s o f tub es (éq u . 5 .4 2 )

T 8

T 1 5

T 3

h 1 3


Bond graph model of the receiver

V PB B

, H m27 27

, H mSB SB

Sf

Dischargevalves

To Feeding circuit

27

0 C:CB

, H mB B

PSB ,hSB

The quantity of mass mB and enthalpy HB stored in the receiver are calculated

by the constitutive nonlinear equations of the multiport C.

dtPVHHH

dtmmm

BBSBB

SBB

27

27

B

BSB A

gmPP

.27


ADVANTAGES OF BOND-GRAPH TOOLADVANTAGES OF BOND-GRAPH TOOL

Modelling Unified representation language Shows up explicitly the power flows Makes possible the energetic study Structures the modeling procedure Makes easier the dialog between specialists of differents

physical domains Makes simpler the building of models for multi-disiplinary

systems Shows up explicitly the cause - to efect relations (causality) Leads to a systematic writing of mathematical models (linear or

non linear associated

Identification No “black box” model identification of unknown parameters, but knowledge of the

associated physical phenomena Physical meaning for the obtained model



Analysis Putting to the fore the causality problems, and therefore

the numerical problems Estimation of the dynamic of the model and identification of

the slow and fast variables Study of structural properties

• choice and positioning of sensors and actuators

• help for control system design Functioning in faulty mode

Control Physical meaning of the state variables, even if they are

not always measurable Possibility to build a state observer from the model Design of control laws from simplified models



monitoring Graphical determination of the “monitorability” conditions

and of the number and location of sensors to make the faults localisable and detectable

• Design of software monitoring systems

• Determination of “sensitive” parts of a system

Simulation Specific softwares (CAMAS, CAMP+ASCL, ARCHER, 20 SIM) A priori knowledge of the numerical problems which may

happen (algebraic-differential equation, implicit equation) by the means of causality

Physical meaning of the variables associated with the bon-graph model

can be done after a phase of structural and formal analysis


THANK YOU

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BibliographyBibliography

1. J. Thoma et B. Ould Bouamama « Modelling and simulation in thermal and chemical engineering » Bond graph Approach , Springer Verlag, 2000.

1. Ould Bouamama B. et Thoma J.U. (2001). Les Bond Graphs sous la direction de Geneviève Dauphin-Tanguy. Chap. 6 : Procédés thermodynamiques et chimiques. pp. 236-277, Collection IC2 Systèmes Automatisés Informatique Commande et Communication, Edition Hermes, 383 pages, Paris 2002.

2. Thoma, J. U., 1975, "Introduction to Bondgraphs and their Applications", Pergamon Press.

3. Karnopp D. and R. Rosenberg Systems dynamics. A unified Approach, Wileey Intersciences; New York, 1975

Documents

1 INTEGRATED DESIGN FOR INGENIERING SYSTEMS : Bond Graph Approach. Belkacem OULD BOUAMAMA Professeur : Ecole Polytechnique Universitaire de Lille (Polytechlille)