基于键合图的多能域耦合系统自动化建模与仿真

基于键合图的多能域耦合系统自动化建模与仿真*

王中双刘德刚

（齐齐哈尔大学机械工程学院，齐齐哈尔161006）

The automatic modelling and simulation for the systems with the coupling of multi-energy

domains based on bond graph

WANG Zhong-shuang ，LIU De-gang

（School of Mechanical Engineering ，Qiqihar University ，Qiqihar 161006，China ）

文章编号：1001-3997（2010）08-0085-03

【摘要】为提高多能域并存线性系统动力学建模与分析的效率及可靠性，提出了键合图法。在考虑

到独立储能场、

非独立储能场能量变量和共能量变量间存在耦合关系的情况下，推导出了便于计算机自动生成的线性系统状态方程的统一公式，基于MATLAB 实现了该类问题的计算机自动建模与仿真。通过对连续墙抓斗Y 方向纠偏系统的动态分析，

说明了所述方法的有效性。关键词：键合图；因果关系；多能域耦合；建模与仿真

【Abstract 】In order to increase the efficiency and reliability of modelling and simulation for the lin －ear systems with the coupling of multi-energy domains ，a method based on bond graph is introduced.In consideration of the coupling of energy variables and coenergy variables in independent energy storage field and dependent energy storage field ，The unified formulae of system state space equations which are easily generated on a computer is derived.As a result ，the automatic modeling and simulation on a comput －er are realized Based on MATLAB .By the dynamic analysis for diaphragm wall grab y axis direction con －trol system ，the validity of the procedure is illustrated.

Key words ：Bond graph ；Causality ；Coupling of multi-energy domains ；Modelling and simulation

中图分类号：TH16

文献标识码：A

＊来稿日期：2009-10-22

＊基金项目：黑龙江省自然科学基金资助项目（E200523），黑龙江省教育厅海外学人基金项目（1151hz020），

齐齐哈尔大学研究生创新科研项目（YJSCX-06X ）

1引言

科学技术和工业生产的飞速发展，使得工程系统的功能不断强化和完善，传统离散式设计方式的局限性日益凸显。因此，综合考虑不同能域子系统相互作用、影响的集成式设计方法的研究及应用意义重大。随着系统向着高速度、高精度、轻质量的方向发展，其动态性能的分析、研究及预测对系统功能的提高及改善至关重要。现有的系统动力学建模与仿真方法往往仅限于单一能量形式系统（例如，机械系统）的局部动力学性能分析，对于复杂的多能域耦合系统（如机、电、液耦合系统）全局动力学的自动建模与仿真问题具有局限性。上述问题已成为多能域耦合系统的分析

研究及开发应用的根本障碍。键合图理论[1，

2]（Bond Graph ）为上述问题的解决提供了颇具潜力及特色的途径。具有如下特点：

（1）用简明统一的仿真语言描述组成工程系统各元件的物理特性、能量传递关系、输入输出关系及系统的工作原理与状态；

（2）图形描述与数学描述的统一性；

（3）动力学建模过程规则化，便于计算机自动生成，可以将不同能域子系统的参数有机地结合起来。尽管基于键合图的线性系统自动建模与仿真问题已经得到较好的解决[1-3]，但是现有的方法尚存在如下缺陷：未有考虑到独立储能场、非独立储能场能量变量和共能量变量间存在耦合关系的情况。本文的研究工作较好地解决了上述问题。

2多通口系统的基本场

由文献[1，2]

知：系统的键合图模型是由一些最基本的元件构

成。

因此可以将任意系统的键合图模型根据构成它的基本元件的作用划分为不同形式的能量场。如图1所示，是一个既含有独立贮能场（积分因果关系）又含有非独立贮能场（微分因果关系）系

统的基本场[1，

2]

。图1具有混合因果关系键合图场和结型结构

在图1中，独立贮能场是由含积分因果关系的惯性元件和容性元件所组成，耗散场是由阻性元件所组成，源场是指外界对系统的输入。设Xi 表示含积分因果关系独立贮能场的能量变量向量，Zi 表示含积分因果关系独立贮能场的共能量变量向量，Xd 表示含微分因果关系非独立贮能场的能量变量向量，Zd 表示含微分因果关系非独立贮能场的共能量变量向量，Dout 表示耗散场的输出向量，Din 表示耗散场的输入向量，U 表示源场对结型结构的输入向量，V 表示结型结构对源场的输入向量。

源场（Se ，Sf ）

耗散场（R ）

独立储能场

（C ，I ）

非独立储能

场（C ，I ）

结型结构

（0，1，TF ，GY ）U

V

Din

Dout X

觶i X 觶d Z i

Z d

Machinery Design ＆Manufacture

机械设计与制造

第8期

2010年8月

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