鍵結圖

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鍵結圖(Bond Graph),或稱鍵圖,是一種可同時處理多種領域的動態系統模擬方法。

概述[编辑]

鍵結圖是利用能量的觀點,以宏觀的方式,找出在許多能量系統間運作的共通處。利用能量鍵定義出「勢」與「流」的觀念。由於勢與流的乘積可以得到所通過的能量,因此可以經由能量儲存與轉換的關係,定義出廣義位能儲存元件(Capacitor),廣義動能儲存元件(Inductor),廣義阻抗元件(Resistor)等直接儲存或轉移能量的三大基本元件。由於鍵結圖的發明人亨利·潘特最早是使用電路元件的觀念來模擬其他的物理系統,因此採用了如電容電感電阻等模擬元件的名稱。

鍵結圖中除了定義C,I,R等三大單閘元件外,也定義了轉能結(TransFormer)與迴能結(GYrator)等雙閘元件。在機械系統中常見的轉能結是齒輪減速元件,至於迴能結則是陀螺儀

另外為了能配合各元件間的銜接,則定義了兩種連結元件,分別有共流結(1-Junction)與共勢結(0-Junction)等兩種,能量來源的部分則定義了「勢源」(Effort Source)與「流源」(Flow Source)等兩類。 總結上述,鍵結圖共定義了C(儲位能元件),I(儲動能元件),R(阻尼元件),TF(轉能結),GY(迴能結),1(共流結),0(共勢結),Se(勢源),Sf(流源)等九種基本的元件。

由於鍵結圖法可以依需求在推導系統的狀態方程式過程中,依實際需求或假設,使用線性非線性的元件組成方程式,並且當系統元件確立後,就可以依據因果關係的設定,了解系統元件間的能量獨立或相依的關係。

除了表示能量流動的能量鍵外,也可以將整個鍵結圖當成另一鍵結圖模式的基本元件,或經由訊號鍵,傳遞控制線路的訊號。因此鍵結圖模擬法可以說是最早的物件導向模擬法,也因此能在1980年後,配合個人電腦的發展,將動態模擬以系統化的建構,完成許多電腦輔助的系統。此一發展到了2000年,由瑞典創立的物件模擬法協會(Modelica Association),正式發表物件模擬語法(Modelica Modeling Language),提出比鍵結圖更適合發展大型複雜系統的架構,並且將鍵結圖模擬法納入其中。

儘管如此,以鍵結圖模擬法為內涵的模擬系統,仍然不斷發展中,並且加入許多機電光整合的模擬元件,因此,目前無論是使用鍵結圖法或物件模擬法所完成的模擬元件或子系統,都可以如硬體元件一樣互通,也可以進一步讓巨觀物件模擬處理更大更複雜的系統。