键合图

✍ dations ◷ 2025-07-30 12:41:51 #动力系统,机械工程,科学建模,图表,建模语言

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

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。由于键合图的发明人亨利·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、电感与电阻等模拟元件的名称。

键合图中除了定义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)等九种基本的元件。

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,使用线性或非线性的元件组成方程序,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,也可以将整个键合图当成另一键合图模式的基本元件,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)的模拟元件,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元件或子系统,都可以如硬件元件一样互通,也可以进一步让巨观物件模拟处理更大更复杂的系统。

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