INTEGRATED DESIGN FOR INGENIERING SYSTEMS : Bond Graph Approach. Belkacem OULD BOUAMAMA Professeur : Ecole Polytechnique Universitaire de Lille (Polytech’lille) Recherche : Laboratoire d'Automatique, Génie Informatique et Signal LAGIS - UMR CNRS 8021 Mèl : Belkacem.bouamama@univ-lille1.fr Tél. : (33) (0) 3 28 76 73 87 , mobile : (33) (0) 6 67 12 30 20 Bureau : FO14 Polytech’Lille

INTRODUCTION

SOMMAIRE 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

Préambule 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 cours 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 et organisation du cours 2/4 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).

Objectifs et organisation du cours 3/4 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.

Objectifs et organisation du cours 4/4 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

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

PARTIE 1 : 1. MOTIVATIONS

Finalité de l’approche Gestion d’un projet multidisciplinaire Objectif Modéliser pour : Concevoir Analyser décider Structurée Unifiée intégrée générique Une méthode

Conception intégrée Conception ? APPROCHE SYSTÉMIQUE : 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 L’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 complexité EN 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 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 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.

2. Les outils de la modélisation pour la conception intégrée

NIVEAUX DE MODELISATION What to do ? 1. Technological 2. Physical Storage, dissipation, …. 3. Mathematical 4. Algorithmic

FONCTIONS ET TYPES DE MODÈLES Cognitive Predictive Normative TYPES Fonctionnel Qualitatif Quantitatif Forte Moyenne Faible Fonctionnel Type de modèles Valeur des fonctionnalité des modèles Qualitatif quantitatif Forte - Faible - Cognitive Prédictive Normative fonctionnel Stocker S E Support Contrôle qualitatif quantitatif

Analyse des différents modèles 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 MODELLING ? What is modeling ? Why modeling ? Conception Decision Control

Definition of modeling The 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 x1 SYSTEM Y xK Model

IMPORTANCE OF MODELLING It is interesting to note that in automation projects, the modeling requires 80% of the total time. Even more, if the classical design tools of control engineering (P, PI, PID) are still much used in industry, it is because the control engineer is incapable to produce the precise models required for modern theories. The quest for optimal solutions, helped by powerful computers needs a mathematical model for all types of simulation. This is the reason for the importance of modeling. From simple control of ovens until artificial satellites, all ambitious enterprises need simulation one way or the other. Independent service enterprises for modeling exist today within the framework of research and development

LEVELS OF MODELING 1. Technological 3. Mathematical 4. Algorithmic What to do ? 1. Technological 2. Physical Storage, dissipation, …. 3. Mathematical 4. Algorithmic

3. Why Bond graph for integrated conception ?

Bond Graphs and levels in BG WORD BG S1 S2 e1 f1 e2 f2 1. Technological BG MODEL 1 C:C1 R:R1 Sf1 2 3 Se1 2. Physical Constitutive EQUATIONS 3. Mathematical CAUSALITY 4. Algorithmic

The BG power full tool for modeling ….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 MODELING 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.

WHAT WE CAN DO WITH BOND GRAPH ?

TYPES OF INDUSTRIAL PROJECTS REALISED BY 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 OPERATION

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

What is the Bond graphs contribution for FDI design ? Optimal sensor placement Diagnosability results New sensor architecture Diagnosability analysis technical specifications Generate a dynamic and formal models Generate a formal residuals residuals Technological process P&ID Structural analysis Causal and structural propeerties of BG Fonctional analysis BG Physics Online implementation Sensors Data from sensors

TYPES OF INDUSTRIAL APLICATIONS FCC process : Refinery process that cracks high boiling points components into light components. Steam generator

Types of applications Nuclear power plant Fuel cell

Electrochemical integrated with transport sytem membrane Bipolar plate (a) Diffusion layer (b) Active Electrical load Produce electrical energy from a chemical fuel Traction

APPLICATION OF BG MODELING TO STEAM GENERATOR INSTALLATION 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 CONDENSER HEAT-EXCHANGER V8 Condensate V4 V5 LG 2 LC Aero-refrigerator TIR 26 Environment FIR 23 24 27 21 Cooling water P3 P4 22 TC 5 PR 20 LIR 19 18 V3 25 Process delay system FIR 10 PR 11 PIR 16 TR 17 PC 2 14 15 38 29 31 V1 V6 User 13 12 ZC 1 V2 V11 STEAM FLOW FIR 3 P2 P1 V9 STORAGE TANK TIR 2 LIR 1 LG LIR 9 8 LG 1 TR 5 PC PIR 7 6 Q 4 Thermal resistor LC V10 60kW BOILER FEED WATER

1. WORD BOND GRAPH OF THE INSTALLATION Heating element Voltage source i GT U P h SE , & m H EE Cooling circuit Steam generator T TH & Q & , H m VG Steam expansion P GV h & , H m EC P h Exchanger condenser & , H m SC P h Discharge valves & , H m AL P h P h EB , & H m Receiver feeding circuit & , H m SB P h

2. BG MODEL OF EACH SUBSYSTEM What is the RS element ? Electric Heater Constitutive equations of the electric heater RS and MTF elements

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 .

Bond graph model of feed water supply system

Constitutive equations of feed water system Element RCP, pump characteristics and series junction To illustrate, the pump characteristic is given by: MTF element 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

The output of the relay is: The determination of the flow towards the steam generator comes from solving the system of equations The output of the relay is: The thermal energy transported by the flow is then The enthalpy of the water becomes hAl = cpe.TAL .

Bond graph model of the accumulator

BG Model of the boiler

Constitutive equations of the boiler Pseudo element R : Legendre transformation Parallel Junction (0 junction): energy conservation in the steam generator R-elements for the transfer of heat from the boiler to the metal and from the metal to the environment

Constitutive equations for heat losses C-element for storing energy in the metal of the steam generator The global heat capacity of the metal is CMG = VMG.MG. cmetal Equations of the two phase mixture X (Steam quality) PGV (Pressure in the boiler) 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:

Bond graph model of the steam expansion sytem

Bond graph model of the steam expansion steam

Constitutive equations for steam expansion system Parallel Junction (0-junction) R Multiport

Dynamics of valves 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:

Bond graph model of the condenser

Word bond graph of the condenser Steam and tubes going out & , H m 15 14 Exit warm water T ,P Heat exchange cold water-tube 7 Entry of cold water Steam +tubes entry & Q 5 T & Q 17 T & , H m 1 From expansion flow sytem h ,P Condens- -ation & , H m 3 h ,P & , H m 19 L i quid and tubes h ,P & , H m 13 Disch- arge valves h ,P T & Q 10 & , H m 27 Tank h ,P

BG Model of the condenser The state space equation is nonlinear by the coupled powers and has the form Physical means of the state variables ? Warm fluid Tin 1 RT1 (a) Cm Tm Tout Cooling fuid Wall fT Hexa-RCR (b) RT2

Hexa (Heat exchanger element) Q & T C:C M 1 R:K 4 2 5 C H m , P Fluide Chaud 3 Sf F 7 6 8 FROID Hexa H m & , 1 2 3 T P Fluide Chaud C:C C 5 6 F M Q 4 Froid

BG model

Constitutive equations Hydraulic and thermal. energy Multiport C:CV The one ports C-elements called C5 , C17 and C10 represent the thermal energy in the three sections of the serpentines

Multiport Reco for steam phase R elements : The thermal conduction flow is given by the law of Fourier Multiport Reco for steam phase C:CL : Multiport C called C13 for thermal and hydraulic accumulation of the condensate

Hydraulic resistance R in the discharging valve

Block diagram of BG model of the condenser

Bond graph model of the receiver The quantity of mass mB and enthalpy HB stored in the receiver are calculated by the constitutive nonlinear equations of the multiport C.

ADVANTAGES 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

ADVANTAGES OF BOND-GRAPH TOOL 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

ADVANTAGES OF BOND-GRAPH TOOL 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

It's ALL THANK YOU

Bibliography J. Thoma et B. Ould Bouamama « Modelling and simulation in thermal and chemical engineering » Bond graph Approach , Springer Verlag, 2000. 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. Thoma, J. U., 1975, "Introduction to Bondgraphs and their Applications", Pergamon Press. Karnopp D. and R. Rosenberg Systems dynamics. A unified Approach, Wileey Intersciences; New York, 1975