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键合图

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键合图(Bond Graph),或称键图功率键合图,是一种可同时处理多种领域的动态系统模拟方法。

概述

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键合图是利用能量的观点,以宏观的方式,找出在许多能量系统间运作的共通处。利用能量键定义出“势”与“流”的观念。由于势与流的乘积可以得到所通过的能量,因此可以经由能量储存与转换的关系,定义出广义位能储存器件(Capacitor),广义动能储存器件(Inductor),广义阻抗器件(Resistor)等直接储存或转移能量的三大基本器件。由于键合图的发明人亨利·潘特英语Henry Paynter最早是使用电路器件的观念来模拟其他的物理系统,因此采用了如电容电感电阻等模拟器件的名称。

键合图中除了定义C,I,R等三大单闸器件外,也定义了转能结(TransFormer)与回能结(GYrator)等双闸器件。在机械系统中常见的转能结是齿轮减速器件,至于回能结则是陀螺仪

另外为了能配合各器件间的衔接,则定义了两种连结器件,分别有共流结(1-Junction)与共势结(0-Junction)等两种,能量来源的部分则定义了“势源”(Effort Source)与“流源”(Flow Source)等两类。 总结上述,键合图共定义了C(容性元),I(惯性元),R(阻性元),TF(转能结),GY(回能结),1(共流结),0(共势结),Se(势源),Sf(流源)等九种基本的器件。

由于键合图法可以依需求在推导系统的状态方程序过程中,依实际需求或假设,使用线性非线性的器件组成方程序,并且当系统器件确立后,就可以依据因果关系的设定,了解系统器件间的能量独立或相依的关系。

除了表示能量流动的能量键外,也可以将整个键合图当成另一键合图模式的基本器件,或经由信号键,传递控制线路的信号。因此键合图模拟法可以说是最早的面向对象模拟法,也因此能在1980年后,配合个人电脑的发展,以系统化的建构进行动态模拟,完成许多电脑辅助的系统。此一发展到了2000年,由瑞典创立的物件模拟法协会(Modelica Association),正式发表物件模拟语法(Modelica Modeling Language,Modelica),提出比键合图更适合发展大型复杂系统的架构,并且将键合图模拟法纳入其中。

尽管如此,以键合图模拟法为内涵的模拟系统,仍然不断发展中,并且加入许多机电光整合英语Optomechatronics的模拟器件,因此,目前无论是使用键合图法或物件模拟法所完成的模拟器件或子系统,都可以如硬件器件一样互通,也可以进一步让巨观物件模拟处理更大更复杂的系统。

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参考资料

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  • 王士刚; 田树军; 高艳明. 液压系统动态仿真模型可视化建模技术研究. 大连理工大学学报. 2001.02, 41 (2): 201–206.