In this research, an internal model based method is proposed to estimate the structural displacements and velocities under ambient excitation using only acceleration measurements. The structural response is assumed to be within the linear range. The excitation is assumed to be with zero mean and relatively broad bandwidth such that at least one of the fundamental modes of the structure is excited and dominates in the response. Using the structural modal parameters and partial knowledge of the bandwidth of the excitation, the internal models of the structure and the excitation can be respectively established, which can be used to form an autonomous state-space representation of the system. It is shown that structural displacements, velocities, and accelerations are the states of such a system, and it is fully observable when the measured output contains structural accelerations only. Reliable estimates of structural displacements and velocities are obtained using the standard Kalman filtering technique. The effectiveness and robustness of the proposed method has been demonstrated and evaluated via numerical simulations on an eight-story lumped mass model and experimental data of a three-story frame excited by the ground accelerations of actual earthquake records.
In this paper, a reconfigurable controller consisting of a normal controller and a standby controller is designed to control the thermoelectric (TE) power in the SP-100 space reactor. The normal controller uses a model predictive control (MPC) method where the future TE power is predicted by using support vector regression. A genetic algorithm that can effectively accomplish multiple objectives is used to optimize the normal controller. The performance of the normal controller depends on the capability of predicting the future TE power. Therefore, if the prediction performance is degraded, the proportional-integral (PI) controller of the standby controller begins to work instead of the normal controller. Performance deterioration is detected by a sequential probability ratio test (SPRT). A lumped parameter simulation model of the SP-100 nuclear space reactor is used to verify the proposed reconfigurable controller. The results of numerical simulations to assess the performance of the proposed controller show that the TE generator power level controlled by the proposed reconfigurable controller could track the target power level effectively, satisfying all control constraints. Furthermore, the normal controller is automatically switched to the standby controller when the performance of the normal controller degrades.
With the recent issuance of a dynamic side impact test regulation in the Federal Motor Vehicle Safety Standard in the United States of America, many aspects of occupant protection in side impact crashes have been under investigation. Many investigations of real world accidents, crash test results and simulation studies have established that in side impact crashes of passenger cars, thoracic and pelvic injuries of occupant are, large part, caused by occupants' impact against the interior side of the vehicle, primarily the door. This paper is concerned with the development of a lumped mass computer model, which simulates the interaction of a struck car door and an adjacent seated occupant in side impacr, based CTP code which has been successfully used in vehicle and occupant simulation. New model developments include elimination of influence of vehicle side structure stiffness in the occupant injury responses. The model was used to investigated the effect of various door padding characteristics on occupant responses to improve vehicle safety performance. The evaluation of different crush properties of door padding have also focused to understand of behavior of impacted occupant. Results from simulations, The effects of both material coefficients $C_{f}$ and p were illustrated in terms of occupant injury criteria TTI and pelvis.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.10
no.12
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pp.1164-1171
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2004
A new multi-scale simulation model is proposed to analyze heart mechanics. Electrophysiology of a cardiac cell is numerically approximated using the previous model of human ventricular myocyte. The ion transports across cell membrane initiated by action potential induce an excitation-contraction mechanism in the cell via cross bridge dynamics. Negroni and Lascano model (NL model) is employed to calculate the tension of cross bridge which is closely related to the ion dynamics in cytoplasm. To convert the tension on cell level into contraction force of cardiac muscle, we introduce a simple geometric model of ventricle with a thin-walled hemispheric shape. It is assumed that cardiac tissue is composed of a set of cardiac myocytes and its orientation on the hemispheric surface of ventricle remains constant everywhere in the domain. Application of Laplace law to the ventricle model enables us to determine the ventricular pressure that induces blood circulation in a body. A lumped parameter model with 7 compartments is utilized to describe the systemic circulation interacting with the cardiac cell mechanism via NL model and Laplace law. Numerical simulation shows that the ion transports in cell level eventually generate blood hemodynamics on system level via cross bridge dynamics and Laplace law. Computational results using the present multi-scale model are well compared with the existing ones. Especially it is shown that the typical characteristics of heart mechanics, such as pressure volume relation, stroke volume and ejection fraction, can be generated by the present multi-scale cardiovascular model, covering from cardiac cells to circulation system.
The completely mixed flow and plug flow (CAP) water quality model was developed for streams with discontinuous flows, a condition that often occurs in low base flow streams with in-stream hydraulic structures, especially during dry seasons. To consider the distinct physical properties of each reach effectively, the CAP model stream network can include both plug flow (PF) segments and completely mixed flow (CMF) segments. Many existing water quality models are capable of simulating various constituents and their interactions in surface water bodies. More complicated models do not necessarily produce more accurate results because of problems in data availability and uncertainties. Due to the complicated and even random nature of environmental forcing functions, it is not possible to construct an ideal model for every situation. Therefore, at present, many governmental level water quality standards and decisions are still based on lumped constituents, such as the carbonaceous biochemical oxygen demand (CBOD), the total nitrogen (TN) or the total phosphorus (TP). In these cases, a model dedicated to predicting the target concentration based on available data may provide as equally accurate results as a general purpose model. The CAP model assumes that its water quality constituents are independent of each other and thus can be applied for any constituent in waters that follow first order reaction kinetics. The CAP model was applied to the Geum River in Korea and tested for CBOD, TN, and TP concentrations. A trial and error method was used for parameter calibration using the field data. The results agreed well with QUAL2EU model predictions.
Park, Noma;Shin, Jeong Seob;Chung, Baik Young;Kim, Byung Soon
Transactions of the KSME C: Technology and Education
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v.3
no.1
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pp.1-13
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2015
In this study, a new dynamic VRF-type heat pump simulation model is proposed which incorporates frosting and defrosting models. Toward this end, a simple frosting model based on the perfect analogy, and lumped system based defrost model, are proposed. Then, frosting and defrosting models are incorporated into a dynamic heat pump model which adopts segment-by-segment local heat exchanger model and map-based variable speed compressor model. Thus, the model can naturally represent locally uneven frosting and defrosting on the heat exchanger surface. Developed simulation model is validated against available experimental data to show good agreement within 10% error for capacity and COP. Finally, developed dynamic heat pump model is applied to annual heating season simulation to show that seasonal COP of heat pump is degraded by 7% due to frosting and defrosting.
In this study, as part of the development of an autonomous flying personal aircraft, an equivalent model of the main wing assembly of an Optionally Piloted Personal Air Vehicle (OPPAV) was developed. Reliability of the developed equivalent model was verified by eigenvalue analysis. The main wing assembly consisted of a main wing, an inboard pod, and an outboard pod. First, for developing an equivalent model of each component, components to produce the equivalent model were divided into several sections. Nodes were then created on the axis of the equivalent model at both ends of each section. In addition, static analysis with unit force and unit moment was performed to calculate the deformation or the amount of rotation at the node to be used in the equivalent model. Equivalent axial, bending, and torsional stiffness of each section were calculated by applying the beam theory. Once the equivalent stiffness of each section was calculated, information of a mass and moment of inertia for each section was entered by creating a lumped mass in the center of each section. An equivalent model was developed using beam element. Finally, the reliability of the developed equivalent model was verified by comparison with results of mode analysis of the fine model.
Journal of electromagnetic engineering and science
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v.16
no.3
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pp.169-181
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2016
This work presents a new method for enhancing the performance of a dual band Planer Inverted-F Antenna (PIFA) and its lumped equivalent circuit formulation. The performance of a PIFA in terms of return loss, bandwidth, gain, and efficiency is improved with the addition of the proposed open stub in the radiating element of the PIFA without disturbing the operating resonance frequencies of the antenna. In specific cases, various simulated and fabricated PIFA models illustrate that the return loss, bandwidth, gain, and efficiency values of antennas with longer optimum open stub lengths can be enhanced up to 4.6 dB, 17%, 1.8 dBi, and 12.4% respectively, when compared with models that do not have open stubs. The proposed open stub is small and does not interfere with the surrounding active modules; therefore, this method is extremely attractive from a practical implementation point of view. The second presented work is a simple procedure for the development of a lumped equivalent circuit model of a dual band PIFA using the rational approximation of its frequency domain response. In this method, the PIFA's measured frequency response is approximated to a rational function using a vector fitting technique and then electrical circuit parameters are extracted from it. The measured results show good agreement with the electrical circuit results. A correlation study between circuit elements and physical open stub lengths in various antenna models is also discussed in detail; this information could be useful for the enhancement of the performance of a PIFA as well as for its systematic design. The computed radiated power obtained using the electrical model is in agreement with the radiated power results obtained through the full wave electromagnetic simulations of the antenna models. The presented approach offers the advantage of saving computation time for full wave EM simulations. In addition, the electrical circuit depicting almost perfect characteristics for return loss and radiated power can be shared with antenna users without sharing the actual antenna structure in cases involving confidentiality limitations.
The objective of this study is to evaluate the applicability and simulation capability of PRMS, developed by U.S. Geological Survey, over the seven multi-purpose dam watersheds in Korea. The basic concepts of model components and their parameters are investigated for the evaluation of model applicability and the possibility of model parameter estimation is suggested based on the data availibility. For model parameter estimation, some parameters are directly estimated from measurable basin characteristics, but the others are estimated by Rosenbrock's automatic optimization scheme. The results show that the simulated flows from the model were very close to the observed ones. Although the default values for snowmelt model parameter are used, the results from snowmelt simulation is also acceptable. The model shows that the simulation capability is not sensitive to the basin size, however, according to increasing basin area, simulation characteristics are close to those for lumped model rather than semi-distributed model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.1
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pp.24-30
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2004
Analysis model for the two-phase catalytic reactor is presented. With the progress in development of micro thermofluidic devices, needs fur understanding of the phenomena in two phase reaction in cm scale has been arisen. To investigate thermal and reactive performance of down scaled two phase reactor simple analysis model that is a kind of lumped flow model is proposed. Analysis model presented is based on the experiment on mm scale model reactor. Target experiment is catalytic decomposition of 70wt% hydrogen peroxide with existence of perovskite L $a_{0.8}$S $r_{0.2}$Co $O_3$ catalyst. It is composed of balance equations of mass and energy. Each phase is considered to be a species fur the simplicity. Axial diffusion and transversal distribution of properties are neglected. Two phase catalytic reaction is modeled as successive gasification of liquid lump around catalyst and reaction in gas phase. Heat transfer is modeled by model function ofNu number. Modeled Nu is expressed as Nu=N $u_{0}$ (1+ $a_1$( $a_2$$T^{-}$$a_3$)exp( $a_4$$T^{-1}$)exp( $a_{5}$ z). Transfer coefficients are determined by the comparison of experimental results. With the model, heat transfer characteristics are investigated. Also by the mass transfer coefficient, characteristics in mass transfer is investigated. With the result basic understanding on design and analysis of mm scale two-phase reactive device is obtained. Also it can be further applied to micro scale reactive device fabricated by micromachining.ing..
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[게시일 2004년 10월 1일]
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