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

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 建模和仿真发展现状
• 1.1.1 多领域建模综述
• 1.1.2 多领域统一建模方法和建模语言
• 1.2 选题的意义和背景
• 1.2.1 基于图形建模的优点
• 1.2.2 图形建模和数字建模的关系
• 1.2.3 键合图建模的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 键合图建模
• 2.1 键合图理论概述
• 2.2 键合图建模的基本概念
• 2.2.1 常用术语
• 2.2.2 基本键图元
• 2.2.3 键合图的增广
• 2.3 键合图模型向状态方程的转化
• 2.3.1 键合图的因果关系
• 2.3.2 由键合图模型列写状态方程
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于键合图的面向对象的多领域系统建模
• 3.1 面向对象的建模
• 3.1.1 面向对象的建模
• 3.1.2 面向对象的多领域仿真语言Modelica
• 3.2 基于键合图的面向对象的建模
• 3.2.1 键合图建模的面向对象特性
• 3.2.2 键合图模型的Modelica语言表达
• 3.2.3 基于Modelica的键合图模型库在Dymola中的实现
• 3.2.4 应用实例
• 3.3 系统设计的基于组件的建模方法
• 3.3.1 基于组件的建模方法
• 3.3.2 层次化建模
• 3.3.3 基于组件的建模方法的实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 复杂机械系统的键合图表达
• 4.1 自由刚体的动力学特性的键合图表达
• 4.1.1 欧拉方程
• 4.1.2 自由刚体的动力学特性的键合图表达
• 4.1.3 基于键合图的坐标变换
• 4.2 基于拉格朗日动力学的键合图模拟
• 4.2.1 多体系统基于第一类拉格朗日方程的键合图表达
• 4.2.2 多体系统基于第二类拉格朗日方程的键合图表达
• 4.3 多体系统基于向量键合图的表达
• 4.3.1 向量键合图
• 4.3.2 自由刚体的向量键合图表达
• 4.3.3 多体系统的键合图表达
• 4.3.4 向量键合图的因果问题
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于键合图的物理模型降阶和分解方法
• 5.1 概述
• 5.1.1 模型降阶方法概述
• 5.1.2 基于功率的物理模型降阶方法概述
• 5.2 物理模型降阶算法MORA及改进
• 5.2.1 MORA原理
• 5.2.2 MORA的物理解释
• 5.2.3 MORA应用实例
• 5.2.4 对MORA算法的改进
• 5.3 基于结结构活跃性比较的键合图降阶和分解
• 5.3.1 局部活跃性比较
• 5.3.2 模型转化和降阶、分解过程
• 5.3.3 键合图模型降阶和分解举例
• 5.4 本章小结
• 第六章 多领域复杂系统键合图建模实例
• 6.1 各分系统模型的开发
• 6.1.1 车体模型
• 6.1.2 制动系模型
• 6.1.3 转向系模型
• 6.1.4 行驶系模型
• 6.1.5 轮胎侧向力模型
• 6.2 整车系统模型的综合、降阶和仿真
• 6.3 本章小结
• 第七章 基于键合图的控制系统分析和综合
• 7.1 概述
• 7.2 李雅普诺夫第二法 （Lvapunov's Second Method）在键合图上的直接应用
• 7.2.1 李雅普诺夫第二法的基本概念
• 7.2.2 平衡点不为零时的平衡点计算和增量键合图
• 7.2.3 李雅普诺夫第二法在键合图上的直接用于稳定性分析
• 7.2.4 键合图模型稳定性的直接表示
• 7.3 基于键合图的反馈控制律综合
• 7.3.1 基于键合图的稳定反馈控制律的综合
• 7.3.2 基于键合图的反馈控制律综合
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 进一步的研究和展望
• 参考文献
• 附录1: 攻读博士学位期间发表的论文和著作
• 附录2: 攻读博士学位期间参与的课题
• 致谢