Bond Graph Methodology

Bond Graph Methodology pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

出版者:
作者:Borutzky, Wolfgang
出品人:
頁數:686
译者:
出版時間:
價格:1823.00元
裝幀:
isbn號碼:9781848828810
叢書系列:
圖書標籤:
  • Graph
  • Bond
  • Bond Graph
  • 係統建模
  • 物理建模
  • 控製係統
  • 仿真
  • 工程圖解
  • 能量建模
  • 動態係統
  • 建模方法
  • 係統分析
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具體描述

機械係統建模與分析:麵嚮多領域集成的範式演進 圖書簡介 本書深入探討瞭麵嚮復雜機電係統、能源係統及流體動力係統的建模、仿真與分析方法,重點聚焦於一種結構化、信息透明的係統級建模範式——多領域物理建模框架。我們旨在超越傳統的學科壁壘,提供一套統一的數學語言和圖形化工具集,用以精確描述和預測跨越不同物理領域(如機械、電氣、熱力、流體)的係統行為。 第一部分:係統建模的理論基礎與核心範式(約400字) 本書首先迴顧瞭經典係統動力學建模的演進曆程,從早期的基於微分方程的集中參數模型,到狀態空間描述,再到麵嚮仿真的模塊化建模方法。隨後,我們引入基於守恒律的物理建模作為核心理論基礎。這強調瞭能量、動量和質量在係統邊界內外的交換與轉換過程,而非僅僅關注輸入輸齣關係。 1.1 物理領域分離與抽象: 係統被解構為相互作用的物理元件(如電阻、電容、質量、彈簧、閥門等)。我們詳細闡述瞭如何將這些元件映射到統一的數學對象上,確保模型的可移植性和可擴展性。 1.2 功和流的統一描述: 區彆於僅關注特定變量的方法,本書的核心在於建立一個能夠通用描述不同物理領域“功”與“流”的抽象概念體係。我們探討瞭如何利用這些基本物理量在不同領域間的等效關係,例如電學中的電壓/電流與機械中的力/速度的對應,為跨領域集成打下堅實基礎。 1.3 拓撲結構的顯式化: 模型的結構(即元件如何連接)被提升到與元件本身參數同等重要的地位。我們引入圖論的概念,用以描述係統的拓撲連接性,這對於自動推導係統的最小狀態方程組至關重要。這種對連接性的顯式錶達,使得模型具有高度的可視化和可解釋性。 第二部分:多領域模型構建的實踐技術(約550字) 本部分側重於將理論轉化為實際可操作的建模技術,尤其是在處理復雜的、包含反饋和耦閤的係統時所麵臨的挑戰和解決方案。 2.1 變量的選擇與約束的建立: 在物理建模中,選擇恰當的“端口變量”(如力/速度,電壓/電流,壓力/流量)是構建約束方程的關鍵。本書詳細分析瞭選擇不同變量集對模型代數指數的影響,並介紹瞭如何利用基變量分析(如使用基迴路和基割集)來保證方程集的獨立性和完備性,從而避免代數迴路和多餘變量的引入。 2.2 信號流與物理流的融閤: 現實世界的復雜係統通常需要通過轉換元件(如電機、液壓泵)將一種物理流轉換為另一種。我們深入探討瞭如何精確地建模這些轉換元件的非綫性特性,並將其無縫集成到物理模型框架中。重點關注能量守恒在轉換過程中的體現,確保模型在不同物理域接口處的一緻性。 2.3 狀態空間錶示與方程自動推導: 盡管原始模型是基於微分代數方程(DAE)的形式,但為瞭高效仿真,需要將其轉化為標準的狀態空間形式。本書介紹瞭幾種先進的數值算法,用於自動識彆係統的自由度,並根據係統的拓撲結構自動推導齣最小階的狀態方程組。這極大地減輕瞭工程師手動推導復雜係統方程的負擔。 2.4 模塊化與可重用性: 強調構建標準化的、可重用的物理元件庫。通過實例展示,如何封裝復雜的物理行為(例如,一個完整的內燃機模型或一個伺服執行器),使其可以在不同的係統級仿真場景中被快速調用和配置,而無需暴露其內部的復雜細節。 第三部分:係統分析、仿真與驗證(約550字) 建模的最終目的是分析係統的動態行為並進行設計優化。本部分關注如何利用構建的模型進行深入的仿真和驗證工作。 3.1 瞬態響應與穩態分析: 詳細介紹瞭利用數值求解器對DAE係統進行瞬態時間域仿真的方法,包括求解器的選擇標準和步長控製策略。此外,對於包含大量非綫性元件的係統,我們提供瞭穩態點的求解技術,這對於預設工作點和控製係統設計至關重要。 3.2 靈敏度分析與參數不確定性: 在實際工程中,元件參數往往存在不確定性。本書介紹瞭如何高效地計算係統輸齣對輸入參數變化的敏感度,並討論瞭濛特卡洛模擬等方法,用於評估設計裕度及係統性能對參數波動的魯棒性。 3.3 控製係統集成與閉環仿真: 復雜的機械係統往往是受控的。我們探討瞭如何將傳統的控製算法(如PID、LQR)與底層的物理模型集成。關鍵在於確保控製器的信號接口與物理模型的端口變量正確匹配,並討論瞭在閉環仿真中可能齣現的剛度(Stiffness)問題及應對措施。 3.4 模型驗證與對比: 強調瞭模型與實際硬件或簡化分析之間的對比驗證過程。介紹瞭基於實驗數據對模型進行校準和修正的技術,以確保仿真結果的工程可靠性。這包括時間響應的匹配、頻率響應的分析以及極端工況下的行為對比。 總結: 本書提供瞭一套係統、嚴謹且麵嚮工程實踐的物理建模方法論,它旨在幫助讀者掌握構建能夠真實反映物理世界相互作用的復雜係統模型的能力,從而在設計、分析和優化階段做齣更快速、更可靠的決策。它不僅僅是關於特定領域的工具手冊,而是關於如何用統一的物理語言理解和駕馭多領域係統的思維框架。

作者簡介

目錄資訊

讀後感

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用戶評價

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這本書對於我來說,不僅僅是一本學習資料,更像是一位循循善誘的導師。作者在書中展現齣的深厚學識和豐富的實踐經驗,令人肅然起敬。他不僅對理論有深刻的理解,更懂得如何將復雜的理論以最清晰、最易於理解的方式傳達給讀者。我尤其欣賞作者在書中對“建模的藝術”的強調。他指齣,建模並非一成不變的套路,而是需要根據具體的工程問題,靈活運用鍵圖方法論的各種技巧。書中提供瞭大量關於如何進行模型簡化、如何選擇閤適的建模粒度、以及如何處理模型的不確定性等方麵的指導。這些寶貴的經驗,是書本理論之外,作者多年實踐積纍的精華。讀完這本書,我感覺自己不僅僅學會瞭一種工具,更重要的是,我學會瞭一種分析和解決問題的科學方法。

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我必須承認,在閱讀這本書之前,我對於如何係統地建模復雜的工程係統感到有些力不從心。但這本書的齣現,徹底改變瞭我的認知。作者以一種極其耐心的姿態,從最基礎的物理原理齣發,逐步構建起鍵圖方法論的完整體係。令人贊嘆的是,書中對於每一個概念的引入,都伴隨著清晰的物理意義的闡釋。例如,作者在介紹“1-junction”和“0-junction”時,並沒有簡單地給齣它們的數學定義,而是詳細解釋瞭它們在物理係統中代錶的能量流的匯聚或分配關係,以及它們是如何維持能量守恒定律的。這種由淺入深的講解方式,極大地降低瞭理解的門檻。我特彆欣賞作者在講解如何將實際係統轉化為鍵圖模型時,所提供的一係列實用技巧和注意事項。這些經驗性的指導,對於初學者來說是無價的,能夠幫助我們避免常見的建模錯誤,提高建模的效率和準確性。讀完這本書,我感覺自己仿佛獲得瞭一套強大的分析工具,能夠自信地麵對各種復雜的工程建模挑戰。

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這本書的深度和廣度都令人驚嘆。作者在鍵圖方法論的基礎上,還探討瞭其與其他建模方法,如傳遞函數、狀態空間模型等的聯係和區彆。他清晰地闡述瞭鍵圖模型如何能夠方便地轉換為這些傳統的模型形式,並且反過來,如何利用其他模型的分析結果來指導鍵圖的構建和優化。這種不同建模方法之間的融會貫通,極大地拓展瞭鍵圖方法的應用範圍。我印象最深刻的是,作者在書中討論瞭如何利用鍵圖進行係統辨識和參數估計。通過對實際係統進行實驗測量,並將其與鍵圖模型進行對比,我們可以有效地辨識齣係統的未知參數,從而建立起更精確的係統模型。這對於實際工程應用,例如設備故障診斷和性能優化,具有重要的指導意義。

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對於任何想要深入理解物理係統動態行為的工程師或研究者來說,這本書都是一本不可或缺的參考書。作者在書中並沒有迴避復雜的數學推導,但所有這些推導都服務於清晰的物理概念的闡釋。我特彆贊賞作者在講解過程中,不斷強調物理直觀性的重要性。雖然鍵圖涉及到一些數學模型,但它最終的目標是幫助我們更好地理解物理係統的內在規律。例如,在分析係統的穩定性時,作者通過鍵圖的結構,能夠直觀地揭示齣能量存儲單元和耗散單元之間的關係,從而判斷係統的穩定性。這種直觀的理解,比單純的數學計算更能幫助我們抓住問題的本質。書中還穿插瞭許多曆史性的介紹,例如鍵圖方法論的起源和發展,以及它在不同領域中的應用案例,這為本書增添瞭更多的人文色彩和曆史厚重感。

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這本書不僅僅是一本技術手冊,更像是一次思維的啓濛。在閱讀過程中,我逐漸意識到,鍵圖方法論提供瞭一種超越具體物理領域限製的通用建模語言。它將不同物理係統的動態行為抽象為能量流動的相互作用,這種抽象能力是極其強大的。作者在書中反復強調,理解能量的存儲、耗散和傳遞是分析任何物理係統的關鍵。通過鍵圖,我們可以直觀地看到係統內部的能量流嚮,識彆齣關鍵的能量存儲單元和能量耗散環節,從而更容易地診斷係統的問題,並進行針對性的優化設計。我特彆喜歡書中關於“功率流”的概念,它清晰地揭示瞭係統各個組成部分之間的相互作用是基於能量的交換,而不是簡單的信號傳遞。這種對能量的關注,使得我們能夠更深刻地理解係統的動態特性,例如,為何某些參數的變化會引起係統的不穩定,或者如何通過調整能量存儲和耗散單元來改善係統的響應速度和魯棒性。這本書的價值在於,它不僅教授瞭一種建模方法,更培養瞭一種係統性的、基於能量的工程分析思維。

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這本書的結構設計非常閤理,循序漸進,邏輯清晰。作者首先花瞭相當大的篇幅,詳細介紹瞭鍵圖的基本構成要素,包括各種元器件的符號、數學模型以及它們在物理係統中的具體含義。接著,作者逐步深入到更復雜的建模技術,例如如何處理反饋迴路、如何構建多端口係統、以及如何進行係統的模態分析。我尤其喜歡書中關於“信號流圖”與“鍵圖”之間聯係的講解。雖然兩者是不同的建模工具,但作者通過鍵圖的分析,可以方便地導齣係統的信號流圖,從而利用成熟的信號流圖分析方法進行進一步的係統分析。這種跨工具的連接,進一步增強瞭鍵圖方法的實用性和通用性。此外,書中還涉及瞭如何利用計算機軟件輔助鍵圖建模和仿真,這對於現代工程實踐而言,無疑是錦上添花。總而言之,這本書提供瞭一個全麵而深入的學習路徑,讓讀者能夠從零基礎逐步掌握鍵圖方法論。

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這本書最吸引我的地方,在於它能夠將看似不相關的物理現象,用一種統一的框架進行描述和分析。作者通過鍵圖方法論,將機械、電氣、液壓、熱力學等不同領域的係統,都能夠用同一種語言——能量流動的語言——來錶達。我記得書中有一個關於機電耦閤係統的例子,作者如何巧妙地利用鍵圖,將機械部分的力和位移,與電氣部分的電壓和電流聯係起來,並且清晰地展示瞭能量在兩者之間的相互轉換過程。這種跨領域建模的能力,在現代工程設計中尤為重要,因為越來越多的係統集成瞭多種物理原理。通過鍵圖,我們可以輕鬆地理解和分析這些復雜係統的整體行為,預測不同子係統之間的相互影響,並且在設計過程中進行全局優化。這本書為我打開瞭一個新的視野,讓我認識到,物理世界的本質聯係,往往隱藏在能量流動的規律之中,而鍵圖正是揭示這些規律的有力工具。

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總的來說,這是一本非常優秀的技術書籍。其內容充實,邏輯嚴謹,語言流暢,圖文並茂。作者以一種嚴謹而不失生動的筆觸,將鍵圖方法論這一復雜而強大的工具,展現在讀者麵前。書中對理論的深入闡述,以及對實際應用的廣泛覆蓋,使其成為任何一個從事係統建模、分析和設計領域專業人士的必備讀物。我強烈推薦這本書給所有對物理係統動力學感興趣的讀者。它不僅僅能幫助你掌握一種建模方法,更能幫助你培養一種深刻的係統思維能力,從而更好地理解和改造我們身邊的復雜世界。這本書的閱讀體驗,可以說是非常愉悅且收獲頗豐的。

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這本書的封麵設計簡潔而有力,封麵上“Bond Graph Methodology”幾個字在深邃的背景下散發齣一種沉靜而專業的氣息。初次翻閱,我便被其嚴謹的邏輯和係統性的講解所吸引。作者以一種非常清晰的方式,層層遞進地介紹瞭鍵圖方法論的核心概念。從最基礎的能量守恒原理,到各種基本元器件(電阻R,電容C,電感L,理想變壓器TF,阻尼器GD,積分器I,以及功率源Se, P,能量源Es, B)的定義和鍵圖錶示,再到如何將復雜的物理係統分解成相互連接的鍵圖,整個過程都讓人感覺豁然開朗。作者並沒有停留在理論層麵,而是通過大量的實例,比如機械係統、電路係統、流體係統甚至熱力學係統,生動地展示瞭鍵圖方法的強大之處。這些實例的解析詳盡入微,每一個步驟都經過精心的推敲,使得讀者能夠深刻理解鍵圖的構建邏輯和分析方法。尤其令我印象深刻的是,作者在講解如何處理非綫性係統時,提齣的巧妙建模策略,這對於研究實際工程問題中的復雜係統至關重要。這本書並非僅僅是介紹一種建模工具,更重要的是,它提供瞭一種全新的視角來理解和分析物理係統的動態行為,這種思維方式的轉變,對於任何一個從事工程技術領域的研究者或工程師來說,都是寶貴的財富。

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我之所以對這本書如此著迷,很大程度上是因為它所展現齣的數學嚴謹性和工程實用性的完美結閤。作者在本書中,對於每一種鍵圖元器件的數學模型,都進行瞭詳盡的推導,並且清晰地闡述瞭這些模型是如何源自物理定律的。例如,在介紹電容元器件時,作者不僅給齣瞭其在鍵圖中的符號和連接方式,還詳細解釋瞭其對應的數學方程,以及這個方程如何反映瞭能量存儲的物理過程。更讓我感到驚喜的是,作者並沒有止步於靜態的數學描述,而是深入探討瞭如何利用鍵圖進行動態係統的分析,包括穩定性分析、頻率響應分析等。書中關於狀態空間方程推導的部分,邏輯清晰,步驟嚴謹,為讀者提供瞭一條通往係統辨識和控製設計的有效途徑。此外,作者還引入瞭許多先進的建模技術,例如如何處理多域耦閤係統,將不同物理領域的能量流以統一的鍵圖形式進行描述。這對於處理現代工程中常見的機電一體化、熱流固耦閤等復雜係統提供瞭強大的工具。讀完這部分內容,我仿佛掌握瞭一把鑰匙,能夠更深入地理解那些看似復雜晦澀的物理現象背後的本質聯係。

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