基于能量流和信息流的机电系统不确定网络模型建模方法技术方案

一种基于能量流和信息流的机电系统不确定网络模型建模方法，步骤如下：一：进行机电系统的自身物理结构分析；二：按照系统结构定义网络的拓扑结构和数学结构；三：定义网络的节点，将基本元件的动力学过程作为系统网络模型的节点的载体；四：给机电系统网络模型拓扑结构赋予信息的不确定属性，即根据实际情况考虑系统中的各个输入变量的不确定性；五：网络节点输出的不确定化和信息流建立；六：定义网络中变迁的触发规则；七：进行机电系统基于功率流的信息不确定性传递；八：对机电系统进行统一的建模仿真，得到系统的最终动力学相应和不确定性量化值；本方法解决了复杂机电系统在环境作用下基于动力学过程的不确定性建模和传递分析的实际问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种基于能量流和信息流的机电系统不确定网络模型的建模方法，它是具体针对复杂机电系统的基于动力学过程和环境因素作用，多物理过程耦合的不确定性动态传递网络模型的建模方法，属于可靠性

技术介绍
随着科学技术迅猛发展，复杂机电系统变成由机、电、控、液、光等多物理过程、多单元技术集成于机械载体而形成整体功能的复杂装备，其工作环境严酷，维修维护困难，精度要求更高，寿命要求更长，导致可靠性问题越来越突出，如何进行复杂机电系统高可靠设计分析是目前面临的核心问题，也是复杂机电系统的关键质量设计理论与共性技术问题。复杂机电系统大多在复杂服役环境下运行，系统行为与物理背景紧密相关。在进行复杂机电系统行为可靠性建模分析中，除了机电系统本身机电耦合动力学建模分析外，还要考虑机-环的相互作用，信息不确定属性的传递。针对复杂机电系统建模的方法都是针对机电系统本身的机电一体化建模技术，将复杂机电系统按照功能模块分类进行建模。考虑多物理过程耦合的键合图理论也是机电耦合系统建模的一种理论方法。上述方法都是考虑机电系统自身物理过程耦合，没有考虑信息不确定性，无法描述机电系统不确定传递属性。而传统的系统可靠性建模方法如Petri网、贝叶斯网等，主要描述离散事件系统的图形工具和信息流网络模型，主要分析的是网络系统的不确定动态传递过程，但是没有结合具体的物理背景，对于复杂机电系统的不确定属性的描述带来很大的局限性。键合图理论(bond graph theory)键合图法是美国麻省理工学院的H.M.Paynter教授在1959年创建的，是在功率流概念的基础上，描述系统功率的传输、转化、贮存、耗散的图形。键合图通过功率流把机电系统中不同领域的能量参数与原件参数统一起来。因此，它最明显的优势是适合于描述复杂机电系统多领域多能域系统，如“机、电、液、磁”等多能量范畴共存的系统。键合图中功率用Pf表示，是“流(f)”和“势(e)”的乘积。不同的物理系统中，“流”和“势”定义如下表所示。表1不同物理系统中的流变量和势变量键合图中用相应的符号表示不同部件的动力学特性，其中，基本元件如表2所示。表2键合图中基本元件确定了系统的状态变量和基本元件后，系统的键合图模型可以根据系统内的功率流向(用半箭头表示)及变量的因果关系(用短直线表示)用规则化的图形来建立。在建立机电复杂机电系统的键合图模型后，可以根据模型规则列出系统的状态方程，在系统的输入已知的条件下可以求得系统的响应。简单的键合图模型如附图1所示。Petri网理论Petri网的概念最早在1962年Carl Adam Petri的博士论文中提出来，并且不断发展和完善起来的一种离散系统建模的方法。一个PN的结构元素包括：位置(Place)、变迁(transition)和弧(arc)。位置用于描述可能的系统局部状态(条件或状况)。变迁用于描述修改系统状态的事件。弧适用两种方法规定局部状态和事件之间的关系：他们引述事件能够发生的局部状态；由事件所引发的局部状态的转换。在PN模型中，标记(token)包含在位置中，他们在位置中的动态变化表示系统的不同状态。如果一个位置描述一个条件，它能包含一个标记或者不包含标记，当一个标记表现在这个位置中，条件为真；否则，为假。Petri网模型的动态行为是由它的实施规则(firing rule)规定的。如果一个变迁的所有输入位置至少包含一个标记，那么这个变迁是可能实施。PN的数学表达为：一个三元组N＝(S,T；F)是一个PN当且仅当：(1)(网非空)(2)(二元性)(3)(流关系仅在于S与T的元素之间)(4)dom(F)∪cod(F)＝S∪T(没有孤立的元素)在网中，F的元素叫弧；集合X＝S∪T是网的元素集合。在图形上，S元素用一个圆圈表示，T元素用一个四方形或者长方形表示，也可以用一段黑线表示。在X元素之间的流关系由带箭头的弧表示，其表示如附图2所示。
技术实现思路
本专利技术从基本物理过程和复杂系统理论的角度分析、认识复杂机电系统不确定性基本规律，提出开放式的复杂机电系统耦合系统。从能量流和信息流的角度，建立复杂机电系统的不确定传递模型。利用系统动力学响应的演变规律、系统分层思想和不确定性的传递推理方法，定义复杂机电系统的网络拓扑结构，并且结合物理背景定义模型的节点，定义信息传递的数学机制，实现机电系统模型动力学和信息不确定性的传递过程。以电机飞轮连杆典型机电系统为例，来实现这一方法。本专利技术适用于复杂机电系统可靠性建模分析。为实现以上目的，本专利技术一种基于能量流和信息流的机电系统不确定网络模型的建模方法，其实施步骤如下：步骤一：进行机电系统的自身物理结构分析；分析复杂机电系统的物理组成，所受的环境剖面以及针对特定任务的动力学过程，动力学过程包括系统各个零部件的动力学过程；根据机电系统结构组成部分，进行系统分层，对每一层次进行细分，列出机械元件和电子元件的动力学方程。对于机械元件，动力学方程的一般形式为： F = m d v d t - - - ( 1 ) ]]> T = J d ω d t - - - ( 2 ) ]]>对于电子元件，动力学方程有： u = L d i d t - - - ( 3 ) ]]> i = C d u d t - - - ( 4 ) ]]>根据机电元件的动力学方程，建立系统的耦合动力学模型；机械系统的拉格朗日方程的一般形式为： d d t ( ∂ L ∂ q · i ) - ∂ L ∂ q i 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量流和信息流的机电系统不确定网络模型的建模方法，其特征在于：其实施步骤如下：步骤一：进行机电系统的自身物理结构分析；分析复杂机电系统的物理组成，所受的环境剖面以及针对特定任务的动力学过程，动力学过程包括系统各个零部件的动力学过程；根据机电系统结构组成部分，进行系统分层，对每一层次进行细分，列出机械元件和电子元件的动力学方程；对于机械元件，动力学方程的一般形式为：F=mdvdt---(1)]]>T=Jdωdt---(2)]]>对于电子元件，动力学方程有：u=Ldidt---(3)]]>i=Cdudt---(4)]]>根据机电元件的动力学方程，建立系统的耦合动力学模型；机械系统的拉格朗日方程的一般形式为：ddt(∂L∂q·i)-∂L∂qi=Qi---(5)]]>其中Qi=ΣiFi∂xi∂qi---(6)]]>电路系统电量格式的朗格朗日方程为：ddt(∂L∂q·k)-∂L∂qk=Ek---(7)]]>式中，Ek是对应广义电荷坐标qk的广义电压；得到电路系统磁通格式的拉格朗日方程为：ddt(∂L∂λ·k)-∂L∂λk=Ik,k=1,2,...,n---(8)]]>由此得到机电耦合系统位移‑电量格式的拉格朗日方程为：ddt(∂L∂z·i)-∂L∂zi=Qi,i=1,...,m---(9)]]>ddt(∂L∂q·k)-∂L∂qk=Ek,k=1,...,n---(10)]]>同理可以得到位移‑磁通量格式的拉格朗日方程为：ddt(∂L∂z·i)-∂L∂zi=Qi,i=1,...,m---(11)]]>ddt(∂L∂λ·k)-∂L∂λk=Ik,k=1,...,n---(12)]]>；步骤二：按照系统结构定义网络的拓扑结构和数学结构；为了描述复杂机电系统的能量流信息流模型，并且实现系统的不确定性传递过程，本专利技术定义了一个基于能量流的不确定网络模型即Energy flow based uncertainty network，简称EFUN并且定义如下的四元组的来描述EFUN：<P，U，T，Q>其中P由机电系统中各个耦合变量形成的功率键组成的集合，在EFUN中也表示网络的节点集合；U表示不确定信息集，由P中的不确定信息组成的集合；T表示的变迁集，定义能量在网络系统中传递的条件；Q表示的是一个混合模型结构，Q又由要素(V，H，X，G，A)组成：V：表示的广义能量变量，包括广义势变量e和广义流变量f；H：元素集合，包括R，I，C，Se，Sf，0结，1结，变换器TF，旋转器GY；X：模型所有变量的实数集；G：布尔条件非空集合；A：有向弧的集合；步骤三：定义网络的节点，将机电系统的基本元件的动力学过程作为系统网络模型的节点的载体；根据元件内部的功率流关系和图元建立元件的键合图模型，作为网络模型的节点；并且完成该元件的基于键合图模型的动力学方程的建立；典型的键合图模型作为节点；步骤四：给机电系统网络模型拓扑结构赋予信息的不确定属性，即根据实际情况考虑系统中的各个输入变量的不确定性；令机电系统各个输入变量为ei和fi，通过统计方法，得到ei和fi的随机特性，包括分布类型和分布特性；步骤五：网络节点输出的不确定化和信息流建立；节点之间的耦合变量为xi，通过机电的键合图模型，得到耦合变量的动力学表达式：xi＝φ(ei,fi)    (13)一般来说，φ()为微分方程，所以在进行节点的不确定化过程中，采用数值拟合的方法；基于各个元件中的基本参数进行不确定化，然后根据响应面方法，拟合得到各个节点输出的不确定属性；xi＝sim(ei,fi)    (14)其中sim为变量的多项式表达式，一般为二次多项式；步骤六：定义网络中变迁的触发规则令每个变迁ti上有一个阈值λi，则根据节点的不确定程度和变迁上的阈值λi来定义变迁ti触发规则：If R(xi)≥λi则变迁是使能的，其中R(xi)为耦合变量在耦合过程中的可靠度，可以利用蒙特卡罗仿真方法求解；变迁ti使能后，此时有：xi(pi)＝xi(pi+1)即功率流Pf从pi节点流到pi+1节点；否则，变迁是不使能的，功率流Pf无法从pi节点流到pi+1节点；步骤七：进行机电系统基于功率流的信息不确定性传...

【技术特征摘要】
1.一种基于能量流和信息流的机电系统不确定网络模型的建模方法，其特征在于：其实施步骤如下：步骤一：进行机电系统的自身物理结构分析；分析复杂机电系统的物理组成，所受的环境剖面以及针对特定任务的动力学过程，动力学过程包括系统各个零部件的动力学过程；根据机电系统结构组成部分，进行系统分层，对每一层次进行细分，列出机械元件和电子元件的动力学方程；对于机械元件，动力学方程的一般形式为： F = m d v d t - - - ( 1 ) ]]> T = J d ω d t - - - ( 2 ) ]]>对于电子元件，动力学方程有： u = L d i d t - - - ( 3 ) ]]> i = C d u d t - - - ( 4 ) ]]>根据机电元件的动力学方程，建立系统的耦合动力学模型；机械系统的拉格朗日方程的一般形式为： d d t ( ∂ L ∂ q · i ) - ∂ L ∂ q i = Q i - - - ( 5 ) ]]>其中 Q i = Σ i F i ∂ x i ∂ q i - - - ( 6 ) ]]>电路系统电量格式的朗格朗日方程为： d d t ( ∂ L ∂ q · k ) - ∂ L ∂ q k = E k - - - ( 7 ) ]]>式中，Ek是对应广义电荷坐标qk的广义电压；得到电路系统磁通格式的拉格朗日方程为： d d t ( ∂ L ∂ λ · k ) - ∂ L ∂ λ k = I k , k = 1 , 2 , ... , n - - - ( 8 ) ]]>由此得到机电耦合系统位移-电量格式的拉格朗日方程为： d d t ( ∂ L ∂ z · i ) - ∂ L ∂ z i = Q i , i = 1 , ... , m - - - ( 9 ) ]]> d d t ( ∂ L ∂ q · k ) - ∂ L ∂ q k = E k , k = 1 , ... , n - - - ( 10 ) ]]>同理可以得到位移-磁通量格式的拉格朗日方程为： d d t ...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭文胜，张建国，张金洋，黄威翔，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11