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面向对象的多领域复杂机电系统键合图建模和仿真的研究

于涛  
【摘要】:复杂机电产品,通常涉及机械、控制、电子、液压、气动和软件等多学科领域,开发是一个多领域交叉的系统工程,需要进行多领域建模和仿真。本文针对这一工作,在山东省科委重点项目“复杂产品虚拟样机技术研究”的支持下,对基于键合图方法的面向对象的多领域复杂系统建模和仿真进行了深入研究。 第一章首先综述了多领域建模和仿真、多领域统一建模方法和语言、基于图形多领域建模、键合图建模等研究和应用的发展现状,讨论了存在的问题,论述了面向对象的多领域复杂系统键合图建模和仿真的研究意义和研究内容。 第二章概括地介绍了键合图建模的基础理论,包括键合图基本组成元素的符号定义及在不同的工程系统中其所表达的物理特性和所具有的数学描述、键合图的因果关系、由键合图模型建立状态方程的基本方法和步骤,为后续各章的研究做好理论基础。 第三章深入研究了键合图的面向对象的特性,键合图元件在Modelica语言中的描述机理,以及键合图模型在Modelica中的实现。在此基础上,深入研究基于组件的建模思想和方法,并给出基于组件的建模过程。 第四章针对键合图难于表达的多体动力学问题,系统地给出了基于牛顿力学的欧拉方程、第一类拉格朗日方程和第二类拉格朗日方程的复杂机械系统的键合图表达方法,给出了向量键合图的概念,并建立了多体动力学向量键合图的表达的详细方法和步骤,以解决多领域复杂系统的基于键合图的一体化建模问题。 第五章给出了物理模型降阶方法MORA的概念以及适当模型的生成过程,并对MORA算法的物理解释进行了深入研究,给出了各种简化情况下的物理解释。在此基础上,对MORA法进行了改进,即在活跃性比较中增加源元件、转换器、回转器,并通过曲柄滑块机构键合图的简化加以论证。最后,给出了基于结结构的局部活跃性的概念,详细说明了基于结结构局部活跃性的模型转化和降阶、分解过程,并通过曲柄滑块机构键合图基于局部活跃性的降阶、分解,验证了这种降阶、分解方法。 第六章采用前述的基于组件的键合图方法对一汽车进行了整体建模。 第七章对键合图在控制系统分析和综合方面的应用进行了研究,给出了系统基于键合图的平衡点不为零时的平衡点计算方法、李雅普诺夫第二法直接在键合图上用于稳定性分析的理论基础和方法步骤、键合图模型稳定性的直接表示以及拉塞尔时不变原理在键合图上的应用、基于键合图的稳定反馈控制律的综合方法和在键合图上直接综合反馈控制律的方法和步骤。 第八章总结了本文的研究成果,并给出了今后研究工作的方向。


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