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键合图

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键结图(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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键结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元件(Capacitor),广义动能储存元件(Inductor),广义阻抗元件(Resistor)等直接储存或转移能量的三大基本元件。由于键结图的发明人亨利·潘特英语Henry Paynter最早是使用电路元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元件的名称。

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

另外为了能配合各元件间的衔接,则定义了两种连结元件,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,键结图共定义了C(储位能元件),I(储动能元件),R(阻尼元件),TF(转能结),GY(回能结),1(共流结),0(共势结),Se(势源),Sf(流源)等九种基本的元件。

由于键结图法可以依需求在推导系统的状态方程式过程中,依实际需求或假设,使用线性非线性的元件组成方程式,并且当系统元件确立后,就可以依据因果关系的设定,了解系统元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,也可以将整个键结图当成另一键结图模式的基本元件,或经由讯号键,传递控制线路的讯号。因此键结图模拟法可以说是最早的物件导向模拟法,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),提出比键结图更适合发展大型复杂系统的架构,并且将键结图模拟法纳入其中。

尽管如此,以键结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的模拟元件,因此,目前无论是使用键结图法或物件模拟法所完成的模拟元件或子系统,都可以如硬体元件一样互通,也可以进一步让巨观物件模拟处理更大更复杂的系统。

相关条目

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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.