（机械设计及理论专业论文）基于键合图的复杂机电系统模块化自动建模及仿真研究.pdf

中南大学碾士学僮碴文 摘要 摘要 复杂机电系统分析和设计的关键是建立描述箕动态性能的数学模型。目前 莆遍采用的建模方法不仅器求建模人员对研究对豫有深刻的理解，而且要能熟练 的应用数学、物瑗、力学、及电予筹基础知识，圜丽是非常困难懿。在这荦孛情提 下，怎撵方便、抉速赘霉裂_ 令复杂系绫款数学摸墼裁或必一矮裔意义赘疆变杰 枣。 本文对模块化建模方法的概念、特点、模块划分原则、关键技术、模块模 蘩的建立和连接方法等方黼进行了研究，并将模块化方法与键合黼疆论和岛动符 号建攘技术裰结合，提赉了一耱避舍多麓域藕台豹复杂大蓉统豹戆摸方法；提基 r 模块功能描述和结构描述的标溅他方法，并对e 程实际中的一毖常用模块做了 功能和结构的标准化研究，建立了一个开放式的机电系统模块库，并在此基础j 1 建立了一个典型黧杂梳毫系统离速辜l 杭的全简藕合动力学模麓；该穰遥由番 摸嫒豹数攀模型遴过拓羚终衷键及霆栗线疆会集成，在建摸过疆审采强了爨动符 号建模技术，模块数学模型的生成和系统动力学模型的集成均由计算机 动完 成；系统渤力学模型可由模块数学模型分立联合运行求解，大大降低0 模型 彷粪时闻，有媛圭黩提赢了数字计算雏精度：所建立的全局精舍动力学模墅仿真维 襞与安测数据一致；摸块爵爨秘、撼装以透露予不霆类型懿乾捉。 以 研究结粜，为辍杂机电系统建模提供了一种新的方法。该方法1 j 仪埏 商重要的实际应用价值，而阻具商重爱的推f 。价值。 燕键词；功率键台阁模块化自动符譬建模动态仿粪 圭塞查兰至兰兰篷兰茎一垒竺二曼苎竺 a b s 帮魏c l t h e 磅o i 甜划y 西n ga 瓣dd e s 追嫩珏go o 翔p l e xe l 嚣。拄o m h a n i c 采s y 或e mi s t o e 髓a b l i 睡t h em a t h e m a t i c 8 lm o ( 1 e lw h c hd e s c f i b e si t sd y n 疆m i cp 嚣勤r m a n e e ，t h e m o d e l 轴g 础o dc u r 矗t yu s e df e q u i r e s 攮a tt h e 撺辩鑫辩h e r s0 f 粥o d 文i n gn o t 拧癌y h a v eap r o f o u n du n d o r s t a n d i n go ft h eo b j e c t sb e i n gs t t 王d i e d ，b u ta l s ot h ea b i l i t yt o p r 。曩c i e n t y8 p p l y 穗a t h e m 越i c s ，秘y s i c s ，m e o h 强i c 是e c ：吣癌e s ，a n d 氆e b 8 s 记 l c f l o w l e d g el i k e 硒s e 朝l e r e f o 慨i ti si n e v i t a b l yd i 鞭c u l t m d e fs u c hac i f c u m s t a n c e ，i t i s 鑫s i g n 撼c 引谴c o 撤e n tw o n h o f s l 喇ya b o 拣h o wt ob u i l dam a t h e m a t i c 怠差m o d 尊lo f c o m p l e x s y s t e mc o n v e 而e n t l ya 瞄q u ；c l c l f 髓i s h e 蛾sh 毒se s t 曲 i 她d 飘o p e n e l e 。t 静撙【e e 融晾潮s y s t e mm 。d u l e 强萎a 搿b y u n 狂l n gt b e 司潮o o 矗e so b o n d 鬈疆p ha n dm o 如l 程矗z a t i o 挂。a n db 氇s e do ni t at y p i c a l 瀚精争l e x e l e e t 搬嚣o h 鑫n i 龆l s y 髓e 搬一ag l o b a le 渊争l i n gd y 持鑫m i e 黼。鑫e lo f 矗 瓤i 翡一即e e d | e m p e rm i ls y 髓e m ，溶e 敏痨l i 蠢o d 彳h e y 辩蝴a 重i cf n a t h e m a t i cm o d e li s i 默e g 糟l l 珏t o 醣t 娩擞熬泌瓣撤i c 辩。纛e l so 量撼。氐l # st 蜘h 痨协斧岛瓠撼蠖 h e 扫 e 铋s 毳lb 馘a 辜瓢t o 糙越i c 璐o d e l i 裙t e e 羲撕遥驻ei 耋蛙s 醴d 醛瓣n g 攮ep r o e e s so f m o d e l i n & t 摊g e 掰鹫a t i o n o f 搬em o d u l e s 黻越h e 掰戢i e 搬o d 罄la 琏d h e i n t 妫辩鼓。珏o fl h e s y s t e 搬鑫圭i c 蜒l yd 捧鑫m i e 瑶o d e lw e 羚鑫i 猿l l e db yc 0 翔p u t e r 曩h 韬戮瓤i c l 尊譬h e s o l u t i o no f g l o b a lf n 敏h e m 默i c a lm o d e lo ft h ew h 。l es y s t e 嫩i s 勤h n d 掰lt h eb 8 s i so f 螽n 魏壤攮e b t i 蝴醴齄出s y s t e m 弧e r 芒两辩，h es i 撒u l a 毫i n g i m ei sg 瓣越l y 凇k e e d a n dt h ea e f a c yo fm a t h e m a t ec a l c u l a l i n gi s m p r o v e de 蕊e i e n t l yt h es i m u l a t 沿珏 f e s l 王l t so f t 鹣g o b 鑫| m 黼艟黼a t i c 鑫lm o d 棋c l 娜e l yv e 错：o ne 碲赫m e n a | 糟s u l 姆轴e m o d u l e sc a nb ot o o kd o w no rs p | i c e dc o n v 酬e n t l yf o fd 碱毽f e “tr o l l i n g 芏n 主l ls y s t e m s + t h ef 粼8 f c 纛r e s u l l 摹痨o v e p v i d 搴 an 黼，m e 魄o d岛ft h e m 1 l e x e 1 0 c t r 。m e c h a 嫡c a l s y s t e mm o d e l i n g 。下h i sm e t h o dd o e sn o to n l yh a v eai m p o r a n t v 磋u et op t 娃i 撼op r # i c t i c 采a p l i c 簌t i o n ，基t 髓蠢s oa s i g f 蠢翥e 鑫n lv a u ew o n ho f e x e n 矗i n g k yw 。硝s ： b o n d g 黼p 耋l t搬爵d 珏l 建r i 赫t i o 霾h t o m 建6 cm o d e l i n 函 硅y 珏簌| 鞋i s l | 珏毽l 蠢l i o 魏+ 珏 生塑查堂堡圭堂堡垒塞釜二童! ! 堡 第一章绪论 复杂机电系统分析和设计的关键悬建立描述其动态性能的数学模型。该粪 系统是一种复合纯系统，由多学科( 机械、电予、液压、控制簿) 技术稽渗透、 融会嚣戏。由予方法嚣技零上戆簇霆，聪这些系绫熬动力学特热豹臻究郝| 夏是都 为主即各局部按所属的学科门类的建模方法建立各自的数学模型，礁以获得 系统的全局动力学模型。针对这个问题，近年来豳内外的学者发聪了一些新方法， 繇骞囊豹饶患秘届限镶，其孛簸吴代涤往静育键台鎏璞论帮模涣诧理论。键合 阁法具稍敬模规范、适用于多能域系统筹优点，但不宜用于大系统；模块化理论 以功能分析为基础，根据系统的拓扑结构来处理艟个系统的状态空间，十分有利 予大系统翡模登建立，毽是模块纯建模方法在理论耱实际中静应瘸尚处谯探索除 段，据关研究残卷极少煦理论钵惹还有德完善。零文将上述方法媚结合，提出了 一种适合于复杂机电系统建模的方法，在理论和实践上获得了新的进展。 1 1 键合图理论简介及其在机械工程中的应用进展 功率键台圈( b o n dg r a p h ) 楚美国的p a y n e t e rh 教授于1 9 5 9 年提融f l 】，继 碰由k a r p pd f 2 】 3 嘲r o s e n b e r grs 翻【3 1 等终了大量工僚嚣发震怒来熬一秽工程 系统动淼仿真的新方法。已成为系统动力学分析的有力工具。 1 1 1 键合图理论简介 键合图理论掇出的背景是基于工程系统的复杂性和多样性。一个系统不仅涉 及单一憝囊范酶，往往楚橇、亳、液等多释靛鬓蒗跨懿缀合。蕊蠢静各魏系统动 态分析方法，从建立模型到列出数学方程，大都仪透用予某一种黪量范畴或特定 类型的系统。键合图理论提供一种统一的模化和处理多种能量范畴的复杂工程系 统豹动态分析方法。对予播述枫械的、电静、液聪静、热静、磁的、和流体的等 皇堕查兰堡主茎垡笙塞 一一一翌= 墨! ! 堡 镩动态系豌所涉及的基本物理过程，只用四种形式的广义变量二势e ( t ) 、流 f ( t 、交位q ( t ) 萃譬动量p ( t ) 来袭示。阂对采丽了表征纂本裙毽往能和搽述功率 受换和守攫麴基本连接方式的十穗振臻元咎( 疆蛀元馋r ，蠼性元牛，容性 元件c ，势变量s e ，流变量s f ，变换器t f ，回转器g y ，调制变换器m t f ，调制 髓转器m g y ，0 节点，l 节点) 。然后，根据系统中功率流的方向，按照舰定步骤 鹱哥班裁定基系绞熬键合錾模型。薯曼逶过畜援剿兹延毽键舍嚣模型裁# 褥基标 准的状态方程。潮形和数学描述的统一格式使这种方法具有十分有效的功能。配 以适当的计算机程序，只要制定个完龛增广定向的键含图模型作为输入，就可 疆得虱纛绘定激精下豹系统动态嚷应懿傍英结暴。对手含有不丽形式簸羹流静复 杂系统，从建立各种元 牛、器件及其连续方式的熬本物瑷模型，剥得出数值计算 和仿真的结果，键合图方法都提供了最为统一而且易懂的途径。 福较予传统鹩解振动微分方程的方潦，建舍鬻可良方便、灵活遣进行狭态方 穰、传递函数、方块固之闺的转换；能巍复域、频域、时域中进程动态特性豹数 串仿真。而微分方程方法进行转换比较复杂，尤其是多囱由度系统，要逃行复杂 的降阶处理后才能迸行计算机数字仿真；在分析系统射袋对阻尼矩阵做些假 设，避移大量复杂懿诗冀，瑟量攒痉不蒜，蒡萎爱羧子鬻一缝鬓范畴。 键含图是描述动态系统的一种通用图形，由予这种图形包含了系统动态行为 的全部倍怠，并缀过一些标准的步骤可以求出系统的状态空间方程，因此，是动 态系统，特羯是冀骞不嚣秘类裁爨藕合系统建接熬毒力王莛。箕程祝毫镶域弱应 用已发表犬薰文献，这些文献涉及杼机构、凸轮机构、转子、机床、机嚣人、液 聪与气动系统、汽车、工程机械等f 4 】( 5 】【6 i 【7 1 。 随着键图毽论静成熟鸯完善，英分帮芋辩蒙氇瓣趋复杂他。对予个复杂菲线 性的极电缀台系统嚣言，出于系统复杂，务局部熬异龚鬻丈，蹇接采用镳含罄理 论建立系统的全局动力学模型十分困难，麒将得到个病态严重的高维数的状态 2 中南大学硕士学位论寓 第一章绪论 亟间方獠，对此方程的数字求解存在计冀时间长、求穗糟度差等问题。鼢此，国 两舞静一些学者钟对这个淹蘧提蠢了一楚簿凌办法。 在这些研究中包括引进予系统的概念来建立复杂系统的数学模型，过程如 下：首先按相对独立的原则将系统拆分为几个子系统；每个子系统单独建模：最 稿根据予系统阕静联接关系褥到整个系统的动力学模型f 8 】鞠。这穗方法後建模过 程层次 芑，城小了建摸工终妻勺难发，但是没能解决数学模型病悫对数字求肄毂影 响。 中南大学王艾伦教授在论文中提国了适用于大系统的功率拓扑键合图法 ( p o w e r o o b o n d 秽印h ) 。在将系统划分蔻数令子系绕势分别建立各予系绫戆 数学模型后，将予系统与其相邻子系统间的联系看成该子系统的输入输蹬，相 邻予系统间的参数耦合通过输入输出关系得到确定。在对系统进行仿真时，首 次提塞r 分立联合运行隶薅浚：各予系统分步长求赫，各子系绞褥耩合参数 棚互调用，成功的降低了模型的瘸态程发和仿真时间，有效的提蒜了解的计算精 度 1 0 l 。 1 1 2 镳合圈理论在机械工程中的应耀进展 ， 键舍凿方法穗在多令王程矮域( 梳械、电子、热能、燕锈、流体、经济) 季孽到了广泛约应燃，机擞芏程是其中最爨簧鹃应用领域之一。 一、基于键合图的概念设计 机械设计是机械工獠的重要分支，一般来说设计进程包括阐明任务、概念 囊计( 方案设计) 、技术设计、详绷设计( 施工设计) 四个阶段。其中概念设计是至 关重要戆一个蓼节。 将功攀键合凰用于机械设计中的概：拳设计开始于8 0 年代后期1 1 1 】 1 2 】 1 3 】，进 入9 0 年代有了定的发展。这些研究可分为两类，即简单系统的概念设计与一 3 堕查堂堡主兰堡兰苎兰三童l 。! ! 鱼 般系统的概念设计。前者针对某些简单系统所希望的性能指标，应用功率键合图 方法确定在物理上能实现的解及解的变形，即问题的多个设计方案。后一种方法 根据设计要求首先建立待设计系统的功能模型，然后由该模型产生原理解及解的 变形，再由每个解建立描述其性能的功率键合图及数学模型并进行评价：或由功 能模型建立功率键合图，由功率键合图产生多个解的变形，即多个设计方案，最 后经过评价选定解或设计方案。 第一类研究以r e d f i e l d ( t e x a s a & m u n j v e r s 畸，u s a ) 等的研究为代表。他们 所研究的待设计系统为单输入输出系统，性能指标由频率特性给定。研究中采 用系统综合的方法，即对于给定的输入输出信号及频率特性，通过功率键合图 及解析的方法确定一种满足要求的解即设计方案。为了产生多个设计方案， r e d f i e l d 提出了改变系统的频率特性、改变系统输出、改变系统中元件之间的 连结方式三种方法【1 4 1 。r e 曲e l d 等人完成了机械式测倾表m h m e t e r ) 及速度传感器 的概念设计【14 】【1 5 】【1 6 1 。该类方法因以系统综合为手段，比较适用于简单系统或部 件的设计，而不适用于较复杂系统的设计。 第二类研究以r d s e n b e r g ( m i c h i g a i is t a _ c ei n i v e r s 时，u s a ) 及s l a r p ( l a n c a s t e r u n i v e r s 时，u k ) 两个研究小组的工作为代表。 待设计系统的功能表示及多方案的产生是概念设计中的重要内容， r o s e n b e r g 小组采用f m 口u n c d o 舱im o d e l i n g ) 方法，即功能建模方法来建立待设 计系统的功能模型【1 7 】。f m 是在s 锄b u 卸o t h y 等研究元件功能表达方法的基础 上发展起来的1 1 8 1 ，目的是分解总功能为分功能，分功能分解为子功能，并建立总 功能、分功能及子功能之间的因果网络。上述的功能分解是一个自顶向下的过程， 某一功能一直分解到其功能载体即解已知为止。这些最底层的解与实际的零部件 库相对应，一种功能的解可能对应不同领域中的多个零部件。因此，根据所得到 的功能因果网络及零部件库可以确定多个设计方案。功能模型与功率键合图集成 4 皇堕查兰堡主兰竺堡塞二生兰童l ! ! 坠 楚通过零部件库殿功能因果网络朱进行的。根据选定的零部件及融确定的因果网 络，可戳瘩底商疆的建立待设计系统的功率键合潜获赢滋行评价。该，j 、缀采用上 述方法宠藏了火攀刹车系统的概念设计。这秘方法适用予机械、液压、气动、电 力、电予、电磁及热能系统和耦合系统盼概念设计。并对本文所研究的课题在思 路上有一定的指等意义。 二、键辫理论在模态分析孛的寂耀 键嚣毽论每方法一蠹被谈梵楚一转耪遴系绞建模与谤囊嚣窍效工其，毽建箕 在动力系统分析与设计的个重嫠领域结构模态分析的应用完全是空白。 中南大学王艾伦教授提出了种将键图用予获得机械系统模态( 振型) 参数 的薪方浚【潮，袋绞静模拳分析方注是建立在孛鞭拉格裙鑫方程基穑之上的， 只能直接得到一祧摸态( 摄型) 参数，磷基于键圈的模态分析方法则能一次直接 得到一对偶模态，且便予处理存在大量零频率模恣的系娩及多能域耦舍系统，借 韵键图方法，穰态方法和概念可淘非杌械系统撼震。 l 。2 基乎键合鬻静摸黧童动嫩成酶基本嚣理及研究瑗状 键会隧搀为一静建攥芝具，英最大鲍特点在予宅可以鼓应媛予计算枫蹇魂建 模。近二十年来泓有许多基于键含图建模的计算机软件闷世。从总体上鬻，这些 软件可分为两类：第一类( 2 0 1 群僻，已知待建模系统的备种参数，然后建模，这 炎软 孛慰基存在系统懿建搂冼较穷便，爨是在诲多情嚣下，系绞妻孽参数怒寒絮豹 戏被希望是可调的，这时第一类软件的成用受到了限制，为此，从1 9 8 7 年起， 肖建立系统符号数学模烈的计算机软件问世瞄】瞄1 旺5 】【2 6 l ，般称该类软件为第二 类软箨e 本节籍奔缓基予键圈熬建貘较侮瓣基本灏瑾j 瑶第一、第二类软僻静蒋熹。 皇堡查兰堡生兰竺堕塞 一 苎二差! ! 堡 建模软件的潺本原璁 对于绝大多数建模软件而言，它们都拥有如图1 1 所示的程序结构。该类软 锋需要解决尼个关键往静闻题：( 1 ) 键圈麓数字捺述对于输入在诗冀税屏幕 上的键躁模型，黉用矩降藏数组黪形式攒述其键及键联接的元件、因果关系、标 圈卜l 自动建横软件的稷序结构圈 警、联接头系、键篪元俘弱坐标等踅形特往罄霹：( 2 ) 键圈模墼懿螽韵检鸯依 掇键图规则，捡纛所输入的键图模型是否正确口8 】；( 3 ) 状泰空间方程的是动生成 作为输入的键图模型可根据标准规则得到由元件方程和节点方程组成的初 始方程组，该方稷组无法整接应闻于系统的计算税仿真，需要通过一定的箨法将 翅始方程鳃归莠熬理荧可瘸子待冀疑状态空趣方疆组p 】。 jlt o p 提出了胬在开发系统分析自动化软件的所谓进化魏模法 ( e v o l u t i o n a r ym o d e 王l i n ga p p r o a c h ) 【3 m 。该建模方法分为如下四个屡次： ( 1 ) 凌能嫠绛( n c t i o 建c o o n e 贰s ) ：穰箨功戆攘嚣猿妻戆暴巅，确谈 系统中的部件，建立它们之间及嗣外部环境的联系。 ( 2 ) 物理过稽( p h y s i c a lp r o c e s s e s ) ：根据功能部件建立系统的功率键含 6 中臻大学硕士学位论文 第一蕈绪论 图模型。 。 ( 3 ) 数学关系( m a t h e 丌】a t i c a lr e l a t i o n s ) ：由功率键合图横型建立系统的 数学模型。 ( 4 ) 模型数摄( m 。d e ld a 掘) ：通过数字傍粪褥到系统憨魂态特性。 上述每个层次叉分为舰格说明( s p e c i f i c a t i o n ) 、建造( c o n s t r u c t i o n ) 及 评价( a s s e s s m e n t ) 三个艨次。因j 玩，进化建模法是一系统化、规定化、鼷次化 黪建摸与分粝过程。 二、第一类款待甓介 第一类软件很多，其中最具宥代表性的是e n p o r t 。该软件是由美豳密西 根州立大学r c r o s e n b e r g 教授歼发的。第一个版本发袭于1 9 6 9 年1 2 月，第 五个叛本( e 鞠r 一5 ) 发表鼍：1 9 8 1 年，第六个舨本( n p o 黼一8 ) 发寝于1 9 8 5 年。 从收集的资料看，e n p o r t 的翦五个版本仅能处理线性问题，第六个版本增加了 处理非线性的功能。 在应掰e n 科获箨辩，用户鬻首先邋过入视对话方式读入一个未标明功率 流魄及因暴关系鲍劝搴键含霉，软终叁动确定功搴滤自及毅暴关系；然屠遴过人 机对话方式读入系统的参数值，状态变量初值等数据；软件识别各向量及结型结 构瓶阵，通过矩阵运算得出系统的数学模羹。e n p o r t 软件臼带数警仿真包，可 以逡嚣傣囊，绘出傻囊缕暴。 三、第二类软件楚介 这类软件的特点是要建立用符号表示的数学模型。因这类软件要处璞大量 的符号，而几乎没脊数据( 或数值) ，用过程式计算机语言( 如b a s i c ，f o r t r a n ) 覆戆露瑰，掰要经麓袤薤理语言，逻辑程序设诗语嵩，或嚣l 訇客体翡程序设计语 言，- 并采用人工智能原理设计。曩前这类软传的数鲞很少，餐p c 麟【2 3 1 、a s d s e 【2 4 】、 7 中南大学硕：b 学位论文 第一章绪论 肋n d y n 幽、c a m p g 3 2 1 。 p c a m 是基于功率键合图建立符号数学模型的第一个计算机软件。该软件采 用p r o l o g 语言编制，实现了功率流向、因果关系的自动确定，且能生成符号型 数学模型。 a s d s e 是由美国l a w r e n c el i v e r m o r e 实验室与m i n n e s o t a 大学机械系合作 开发的。该软件以c 。m m o nl i s p 语言编制并采用了面向客体的设计思想。 b o n d y n 是由西班牙亚拉冈工学院开发的，该软件为多体系统的建模与仿真 而设计，也可以用于其他系统。b o n d y n 未公开是用什么语言编写的。该软件输 入形式简便，其输出自动生成两个子程序即方程子程序和参数子程序，由g e a r 算法编制的仿真软件可以调用该两个子程序对系统进行仿真。 c a m p g 是最具有代表性的自动符号建模软件，该软件目前的版本是基于 w i n d 0 w s 环境开发的，其人机界面为一功率键合图图形编辑器。应用该软件时， 用户只需输入已知的未确定因果关系及功率流向的功率键合图模型，软件自动确 定功率流向及因果关系并建立符号型状态方程。该软件不带仿真包，对于已确定 的数学模型，可应用通用仿真软件，如m a t l a b s i 姗l i n k 进行仿真。 上面提到的这些软件对简单的线性、非线性系统可以基本完成自动生成数 学模型及仿真，而对于非线性的、具有多重耦合的复杂系统，都几乎不可能实现 模型的自动生成和仿真。这是因为键图理论虽然具有取模规范、适用于非线性系 统且二次模型化简单等优点，但不宜用于大系统，尤其是结构复杂、数学模型阶 数很高的超大系统。在复杂系统的动态研究中，随着独立储能元件( 即状态变量) 的增加，直接利用键图法取模已不适用。因此，本文将基于键合图的自动建模技 术和模块化理论相结合，该方法能有效、方便的对复杂、非线性系统进行建模和 仿真。 8 史堕查兰堡主堂垡丝塞一二苎二堡! ! 鱼 1 3 模块化理论及应用进展 1 3 1 模块化理论简介 模块化理论( 3 3 l 是以髹统工稷原理和方法、标准化原理和方法为基础的一种 爨成体系漪理论，其膏它鸯邑特有的概念稻蕊襻。下面褥介绍模块模块亿、模块 揍翻的定义及模块他理论的特点。 一、模块的定义 近举来，在强外诸如h l o d u l e ( 模块) 或m 。d u l a r ( 模块的、模数的) 之类 的词，在工业产晶中已得到广泛的应用，并作为产品的特征标志之而加以强调。 凌诲多文献资糕中，娆不凌豹角发、在不嚣戆辍竣，怼模块豹定义不尽褪弱，其 中较有代表性的论述如下： 在攀故监测仪器和核电站领域，对模块的意义是：“构成一个可以辨认的装 爨、佼嚣或设备豹若干纛连元终豹组会。模浃霹淤俸兔一个单元雾摹开、敬毽、势 用备件替孙。它舆有可确定的性越特性。锼其可以作为一个单元来进行试验及较 验。”【3 4 】 。 在藏子衣字靛学颚城，模块被解释为：一系辫在一起使用熊标准纯萃元中 的任一个；通常由许多电乎元件缀装残的功能郝传，供与冀她这类部锌一起使用； 强宇航学领域，横块被解释为组成宇宙飞船或运载火箭的几个整漱的分单元的任 一个，其中每一个都有一个或几个特定的任务器懿。 童黠孛教授较系绞瓣绘出了模块麴定义：模块裁是组合戏系统瓣、具有 袋种确定功能和接口结构的、典烈的通用独立单煎。这个定义搦示了模块的如 下特征：“) 是系统的缀成部分模块蹙系统的组成部分，同时也是系统分解 兹产耪。耀模袭霹錾缝合凝系统，毽曩专：旋系统串分簧、器窝霸甏换。( 2 ) 模块 聱 生堕奎兰堕j ：堂竺堡塞 ：墨= 要! i 垒 是具有确定功能的单元& h 模块不是对系统任意分割的产物，它具有明确的特 定功能，这一功麓不依附于其他渤能而赣稆对独立的存程，并不受其绝功能豁予 撬。( 3 ) 是一葶孛拣准单元摸块结麴基寿典型瞧、逶躅性或兼骞瞧，势往往可 构成系列。从这个意义上说，模块带有标准化的属性。( 4 ) 模块具有能够成系统 的接口一模块成具有能传递功雒、能组成系统的接口( 输入输出) 络构。设 诗帮秘遮摸块筑嚣魏是必了霸它象缀合簸系统，蒙统是一个套彦鹣整俸，各模块 既有相对独立的功能，又置有联系，模块问这种熬享的界面就是接口，接口的作 用就是传递功能( 如功率、信号铸) 。具有独立功能、但无接口结构的单元不能 舞是模块，因秀它不髓梅藏系统。 二、攘块纯定义 模块诧( 蜘d u l 嵇i z a t i 锄) 崔不同靛学斟领域具有誉同麴勰释：用标准化 的模块组成一个系统p 6 】；采用彼此易于遗接和组装的分巍部件装配成系统，因而 鼹有功黥茇活的特点罄7 】；“模块化是组合纯的商缀阶段，模块亿流是将綦准部件 秘功戆部 串通过备耱形式魏攒会，或者邋过增热、减少采实瑰多弹键”l 嘲。 在郑春瑞教授的论文中多处提到模块化；在介绍机电系统设计思想时，强调 “希望以功能模块( 功熊子系统) 为单位构成系统”f 3 硝。该文献还介绍了一种 裘为“搂块结稳”( 蘩。d u l 牡e o n s t r u e t i 。n ) 熬赫援念，蒺特煮楚：按不瓣功能 制造模块，其独立性很强，模块化的功能单元可独立运转，整个控制系统是由上 述模块组成的多级系统。 麓模块倪鞍为系统戆定义先：模袭健就是麸系统静麓点密发，研究系统既 构成形式，用分缝合组合的方法，建立模块体系，井运用模块组余残系统豹全过 瑕【3 ”。 i o 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 三、模块接口的定义及其应用 模块化设计包括模块创建和模块综合两大过程。模块综合主要体现在模块 的选择与模块的组合。要保证模块综合的柔性和多样性，就必须提高模块的通用 性和互换性，达到使用尽可能少的模块组合出尽可能多的变型产品的目的。而采 用系列化的模块接口是提高模块通用性和互换性的重要途径，因此模块接口系列 化是模块综合的前提，是模块化设计的基础。 在机床领域的研究中，通过对机床模块接口系列化的科研，经过抽象和归纳， 提出了模块接口的定义如下【4 0 】： 模块接口是有着相互结合关系的模块在结合部位存在的具有一定几何形状、 尺寸和精度的边界结合表面。应当注意，模块之间的边界结合表面是成对出现的。 这种性质称为模块接口的对偶性。成对的边界结合表面就称为接口副。 在这一定义下，每一模块的结合表面和结合要素均须采用模块接口中集合 的联接要素来描述，并通过这种描述测评模块综合的互换性程度和精确度。另一 方面，模块接口作为模块之间结合部位的边界，反映了模块内聚与耦和的程度， 表征了具有相互结合关系的模块之间的功能分界。这些恰是模块划分的重要测评 指标。 四、模块化的目的及任务 用模块化理论对复杂系统进行分析的目的在于：( 1 ) 简化系统通过部件 及模块的标准化来简化复杂系统的构成模式，从而达到简化设计，缩短工程系统 开发周期的目的a ( 2 ) 结构的规范化与柔性化以规范化的、组合式的构成模式， 实现整体结构构成的柔性化，使系统结构具有灵活的可变性。( 3 ) 促进生产的社 会化和专业化根据当前技术和产业结构既高度分化又高度综合的特点，促进生 产的社会化和专业化，并可通过信息网络，实现资源共享，减少重复劳动，加快 1 l 主妻奎兰堡圭兰堡笙塞二一星二重苎鱼 新技术的应用。 模块化的主要任务就是要通过最少的模块组合出最多的系统，下图描述了 模块化理论下，元件、模块和系统之间的组合关系 图卜2 系统层次结构图 依据模块化原理，系统的结构模式可由下式描述： 系统 模块 零件、元器件、 材料 系统= 通用模块( 不变部分) 十专用模块( 变动部分) 这个式子表明，一个指定的系统是由通用模块( 占多数) 和专用模块( 占 少数) 组成，那么，对此系统的研究就转化为主要对少量专用模块的设计和分析。 五、模块化理论的特点 模块化理论具有三个重要的概念，即：典型化、通用化和系列化4 ”。 l 、典型化是模块化的前提 模块化的对象是一个系统，而模块化的产物也是一个( 模块) 系统，模块系统 的构成单元是模块。模块本身是一种具有典型结构的部件，它是将对象按技术特 征，经简化和统一化而形成的。典型化的目的在于使模块具有典型性，使之“具 有概括和代表同类事物的基本恃征的性质”，典型化的意义在于消除模块在功能 上的不必要的重复性和多样性。 模块化系统的统一化和简化工作是从系统功能的分解开始的，把相似系统 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 中技术特征( 形式、功能) 相似的要素抽取出来，进行统一，并把其一致性( 包括兼 容性) 以典型模式的方式确定下来，即从个性中提炼出共性。然后将其品种及规 格进行简化，形成一些具有典型性的通用单元模型，这就是由统一、简化而得到 的模块模型。需要指出的是，在通常的标准化过程中，简化和统一化一般是事后 进行的，在事物的多样化已发展列一定规模后，爿一对事物的类型数目加以统一和 缩减；而在模块化过程中，统一化和简化是超前进行的，它是在系统方案论证阶 段进行的。因为模块化设计是系统地、“由上而下”地、有计划、有目的地展开 纳，它在方案阶段就对系统的构成单元的类型、品种、规格作了深思熟虑的规划。 对一般的机电产品模块化系统来说，典型化包括二个内容：一是确定产品 系统的典型模式( 功能及结构) ，即具体的结构型式、组装方式、功能、接口方式、 构成系列产品的模式等：二是有一个合理的、形成系列的参数( 性能参数及结构 尺寸) 。 典型化( 包括统一化和简化) 的过程本身亦是一个优化过程，而对模块化系 统来说，典型化是模块化过程的第一步，典型化过程的质量将直接影响到系统的 质量r 其典型结构及尺寸系列是否合理将影响到它的通用范围和生命力。 2 、通用化是模块化的基本特征 通用化以互换性为前提，是指在不同时间、不同地点制作出来的模块，在装 配时不必经过修整，就能任意替换使用。而这正是对模块化的基本要求，或者说 模块化具有通用化的特征。 在模块化产品系统中，产品主要是由一些通用模块( 加少量专用零部件) 组 成，这些通用模块，有的是具有功能互换性的功能块，有的是具有尺寸互换性的 结构块。事实上，模块本身就是部件级的通用件，正是部件级的通用互换才体现 出模块化的优越性。系统越复杂，其优越性体现碍越充分。 1 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 模块是“熏箱”型的通用件，其互换性主要体现为组合互换性，由于是通 过接口进行组合，因而接口的互换性，其着眼点是输入、输出接口的互换，而不 管其它因素。因而它为技术及产品的改进、发展留下了充分的余地。 模块( 尤其是电子功能模块和软件模块) 的互换性概念中，还包含有广义的 “兼容性”概念。兼容性是指“在规定条件下一起使用的多个产品、过程或服务， 不会起不可接受的相互作用，而能满足所需求事项的适合性”。兼容是多个对象 互不影响地并存并分别发挥功能作用，兼容性则意味着对应的适应性或适合性。 兼容性扩大了通常的互换性范畴，为各种不同类型模块的组合提供了可能性，可 扩大模块的通用范围。兼容性也可有效地解决模块的继承性与技术更新之间的矛 盾，当采用新技术来构成新产品时，在原有模块上增加新接口，即可实现兼容。 兼容性在电子技术与信息技术中得到普遍应用。 3 、系列化是形成模块化系统的必要条件 系列化是将产品的主要参数、型式、尺寸、基本结构等做出合理的安排与规 划，以协调同类产品和配套产品之间的关系。因而可以说，系列化是使某一类产 品系统的结构优化、功能最佳的标准化形式。在模块化产品系统中，模块应用的 范围越广或者说它可应用的系统的面越宽，其生命力就越强，所以系列化的水平 是衡量一个模块化系统优劣、评价一个模块化系统水平的一个重要标志。 模块化系统的系列化与一般产品的系列化的区别首先在于，在模块化系统 中有两个系列化问题：其一是模块化产品的系列型谱，这与一股产品的系列化相 类似，其二是模块系统及各个模块的系列化问题。所以，模块化系统中的系列化 问题远较产品系列化要复杂。其次，模块的系列化不仅是面向同一类系统，而且 是面向各类系统中同类功能。例如，各类机电一体化产品中的信息处理模块、各 种电机或步进电机及其驱动电路和控制电路模块系列，就不是面向某一类系统。 1 4 生塑查堂璧生兰壁堡塞 一j 堂皇已! ! 堡 因而在模块化系统设计时，既要制订系统系剜型谱，还需制订各种模块的系列型 落。 l 。3 。2 横块栊理论应耀遴袋 一、模块纯理论在设诗磷繁土戆波矮 模块化理论在壤魄领域豹威耀主要髂瑰在系统设计环节上 4 2 l 4 3 删。2 0 世纪 5 0 年代，瑞士肖稚林( s c h a u b l i n ) 公司正式提出了“模块化设计”概念，并推 出了模块化的仪袭机床1 4 辩。自此，模块化设计愈来愈受到重视，并成为产晶设计 懿一秘戆势。 二、模块化建模方法熬弓i 赶及在童程系统建摸孛豹应用 随潞科学技术的发展，人们对所建系统性能的要求的提高，使系统向大型、 复杂的方向发展，大型系统的仿真日益成为研究的主要对象。由于系统建模难度 粒王律蠢翡显著罐藤，建模在傍粪串弱鬟妥经霜薤凸瑰溅来。大墼系统酶建模 楚一件十分困难的工作，涉及到缀多迥题，其中乏一便魑媲摸太火，不易协调处 理。一般的建模方法存农以下几个主要缺点： 。 1 ) 对建模入瑟要求德嵩。要求建模歼发者不仅对于系统结擒、过程特瞧十分 了鼹，恧怠具备较好豹荚予建摸毽论、饶囊技术穷嚣豹熟识瓠及提应的缝验。 2 ) 模型结构缺乏统一规范，w 靠性不易保证。由于模型中的备个子模型缺乏 致的划分标准和明确的边界，榴互之间独立性较差丽且有些难以进行分剐的 羧校验、献嚣给警摸墼溜貔逶最馘及整个系统模攒戆校骏繁寒嚣难。 3 ) 模型的修敬比较麻烦。许多程序是根据某特定型斌的传动系统以及特定 的动态特性而编胥的：要把它们嶷成适用于其它传动系统和不同特性的仿真程 黪，登须镑窭鞫蠢繁耋的劳动。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ：解决这些问题的有效途径是将大系统分解，对于子系统或功能部件t 我们 可以用模块对其进行描述，分别建立各模块的数学模型，然后通过模块间的联接 关系确定耦合参数，从而得到整个系统的数学模型，这就是模块化建模方法。尽 管实际系统非常复杂，但它是由有眼数量的模块组成，因此，少量的模块便可描 述包含许多零部件的大系统。 c 1 1 r i s r c i e s l a 在论文中首次明确的提出“模块化建模方法”，并将该方法应 用于机车系统的建模中【4 6 1 。 北京理工大学的刘辉在论文中对模块化建模方法的概念、特点、模块划分 原则、关键技术、模块模型的建立和连接方法等方面进行了论述，并举例说明了 其在车辆传动系中的应用【4 7 1 。 但是在这些研究中也存在一些不足之处：首先，模块间采用信号流作为连 接工具，模块连接需要两个接口才能描述其连接时的因果关系，这样的连接方式 直接导致了模块接口数量多、接口方式组合复杂等问题，进而使接口标准化工作 难度加大；其次，未对模块模型的结构标准化进行研究，这使模块的通用性大为 降低。在键合图理论中采用键进行元件间的连接，键从功率( 能量) 的观点来反映 系统中信息的流向和相互关系，每根键上有一对共扼变量( 势变量和流变量) 并以 因果线标明变量的因果关系，键上以半键指明功率的流动方向。因此，本文将键 合图理论结合运用于模块化建模方法中，使用拓扑约束键作为模块间的连接工 具，只需要一个接口就可以描述相邻模块的全部连接信息，这样有效的减少了模 块的接口数量，极大的方便了模块接口标准化的研究。另外，运用键合图方法建 立模块的数学模型，由于键合图法具有形式统一，取模规范等特点，十分有利于 模块模型的标准化和系列化研究，强有力的保证了模块的通用性。 t 6 中南大学硕士学位论文 第一爨绪论 l 。4 本课题的采源、研究重点及研究意义 复杂机电系统是一种“复合化系统”，由多学辩( 机械、电予、液压簿) 技 术相渗透、融合而成。使用一般方法建立描述其动态性能的数学模型，不仅要 求建模人员对建穰系统膏深帮觞缓解，雨曩要能熟练的应用数学、物理、力学、 及敷子等基础知识，因藤是j 豢爨难豹。 本课题是在国家自然科学基金重点项目：“复杂机电系统耦台与解耦设计理 论与方法”等国家灌点项胬的基础上选出的一研究子课题：基于键含图的复杂机 惫蘩绞模块睨壹动建搂及钫真磅究。 通过对本课题的研究，将结合模蛱化理论和自动建模技术，实现对复杂机电 系统的模型自动生成。 本课熬将在鳐下且个宠嚣震嚣燕豪臻究： l 、模块化理论在大系统建模中螅嘘用 1 ) 、物理模型与数学模型模块化方法研究： 2 ) 、标准数学模鹜穰块串举溺能域模块闻接口的迄接关系； 2 、自幼符号建模技术 7 1 ) 、模块的符号数学模型的自动建立； 2 ) 、模块闻接口藕合参数豹自动确定； 孛糍大学碾t ：攀整论文 燕二章镬袭裁建静瑾论氍究每窭鼗 第二牵模块纯建摸方法研究 模块他建摸方法炎大系统傍翼提供了一穆瑟戆愚路，它豹特盎是系绞模整是 建立在系统物理元件的基础上，根据该系统的拓扑结构来观察和处理整个系统的 状态空闯，从丽建立系统敬模型。模块他建模的过程如匿2 一l 鼹暴： 圈2 一l 模块化建横的基本过程 2 1 模块翔分酶疆论硪究 模块划分可以纛不霆懿分法穰层次，毽一般主蘩苁臻熬豹悫度滋毒亍分攒秘讨 论模块的划分问题。在功能分析的旗础上，避行合瑕的功能分解，实现合理的模 块划分，创建出满足特定功姥斡模块。 ( 1 ) 从本质来讲，可以觏产品从任意层次上进行划分，形成该缀别的模块。 模块的层次期级别愈低，模块愈简举，通用化程度愈容易撼离，但产品摹逡、装 配的管理也愈复杂。因诧，在目前阶段，通常在功能分析的基础上，把产品分为 若干单元，使这些单元成为功能模块，軎由功能模块系统实现产品的总功戆。模 块豹总功能必须满鬣产晶全部功能的要求。 ( 2 ) 模块的合理功能分级：在一个含有志功能和分功能的分级缭构中，一定 要撼动韪分解蔻分秘靛，童热陀：是鼹够篱苇，戳便于蔫摹个模块来满足。 2 。l 。l 系统的分鬃 一、系统分熬瓣步骤 复杂大窳统黪分怨，一般按照如下几个步骤进行： l 、系统分析 系统分解的前期准备工作是对曝内夕 的现季亍系绞进纾调查、班究，分掇技 术发展方向。在诧基础上，确定待建立的模块化系统的轮廓、规模、适用范嗣( 对 象系统) 、与相关领域的兼容性和并存性等。 2 、遥瑟要素静提取帮分离 系统中梅部件分别由若干功能肇素组成。这些功能要紧有些是不搪网的， 这形成了各个静释鹃特缝；麓氇有骜要素静髓能是穗瀚或襁儆的，把这些稻闷或 1 8 中南大学硕士学位论文 第二章模块创建的理论研究与实践 相似的要素提取和分离出来就形成通用模块雏型。要素提取和分离是系统分解的 基本方法。 3 、接口系统模式分析 模块通过接口组合成产品，接口系统模式分析，是进行系统综合的前期工 作，即在对系统进行上述分解后，研究重新组合成多种对象系统的接口方式、接 口要素及接口设置部位等问题。 4 、系统组合 运用已设定的模块及接口模式，研究将这些模块重新组合成多种部件或系 统的可行性。综合验证是否能达到最初预期的目的及系统分解的正确性。 5 、绘制模块化系统图 是系统分解的最后成果：绘制出分层次的模块系统图( 或框图) ，绘制若干 由模块组合成的各种预期的对象系统框图( 或分层次的系统构成图) 。 二、分解点的选择 在把系统分解成若干模块时，其基本原则是：使模块内的聚集度最大而模 块间的结合度最小。模块内的各构成要素都是为实现模块功能服务的，其间聚集 度高，才可能形成一个模块。事实上，系统分解的第一步是从分析关系最密切的 变量、要素及其作用开始的。各模块间又具有某种结合性，正因为有这种结合性 才能构成一个完整的系统，然而模块间的这种结合强度则希望能弱些，以便使接 口、结构能简易些，即系统既容易组合、又容易拆散。 在分解过程中，宜将模块视为“黑箱”，即使不知道模块内部构成情况，也 可通过交换数据、电量、运动或力等物理量实现系统的功能。这种“黑箱”状态 的模块的基本特点就是内部聚集度高而外部结合度低。 对于由多要素构成的系统，如主要功能要素凭经验或直觉一时难于确定， 则可在罗列出许多要素及其联接关系后，根据其结合的松紧程度归纳成为一些子 群，以这些子群为基础，作进一步的分析和研究。 综上所述，分解点应选在系统中比较薄弱的结合部，即结合枝数( 相互干涉1 尽可能少的地点。 三、模块的层次、规模与数量的确定 模块的层次、规模与数量( 指构成系统的模块种类数) 与对象系统的具体情 况、规模及复杂程度有关。欲将系统分解为模块，主要应考虑，在把模块组合成 系统时，组装和调试的难易程度。从模块的规模大小来看，则希望模块越小越好， 因为越小越易于处理( 设计、修改) ，但模块划分得越小，数量就越多，在组合成 系统时，由于条理层次不清，欲得到最佳综合是很困难的；从系统着眼，分解的 1 9 申辩大学硕士学位论文 第二章横块创建舶理论研究与实