键合图理论及其在系统动力学中的应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:哈尔滨工程大学出版社

作者:王中双

出品人:

页数:261 页

译者:

出版时间:2007年

价格:35.0

装帧:平装

isbn号码:9787810730204

丛书系列:

图书标签:

• 4文人4
• 图论
• 系统动力学
• 键合图
• 建模
• 仿真
• 控制
• 网络科学
• 复杂系统
• 工程应用
• 数学模型

《键合图理论及其在系统动力学中的应用》内容简介 引言 在复杂的工程、物理、生物及社会系统中，理解和预测系统的动态行为是至关重要的。传统的建模方法往往在处理跨领域、多尺度、非线性的复杂系统时显得力不从心。本书旨在系统地介绍键合图（Bond Graph）理论，这是一种强大的、基于能量和功率流动的统一建模语言。我们将深入探讨键合图如何提供一种直观、模块化且高度数学严谨的方式来描述和分析各种物理领域（如机械、电气、流体、热力系统）的动态特性，并重点阐述其在系统动力学（System Dynamics）建模与仿真中的独特优势与应用。 第一部分：键合图基础理论与原理 本部分将奠定读者对键合图建模范式的理解。 第一章：建模的挑战与统一语言的必要性 探讨传统建模方法的局限性，特别是在集成多领域系统时面临的挑战。 介绍物理建模的本质：关注能量的存储、转换和耗散。 提出键合图作为一种跨学科的、基于能量交换的统一描述语言的优势。 第二章：键合图的基本元素与功率流 功率（Power）与努力（Effort）/流动（Flow）： 定义物理系统中的基本变量对——努力（如电压、力、压力）与流动（如电流、速度、流量），以及功率作为它们的乘积。 一端口元件： 详细介绍基础元件的物理意义及其在键合图中的表示： 电阻（R）： 耗散元件，描述功率损失。 电容（C）/惯量（I）： 储能元件，描述能量的储存（势能或动能）。 零功率元件： 介绍连接点（Junction）和地面（Ground）的概念，它们代表了能量守恒的定律在系统中的体现。 双端口元件： 介绍能量转换和传递的元件： 变压器（Tf）/旋转变压器（Gy）： 描述比例或速度/力矩的转换关系。 无刷积分器（Integator）/导纳（Y）： 介绍用于构建状态空间模型的关键元件。 第三章：键合图的构造与拓扑结构 系统图到键合图的转换： 提供详尽的步骤，指导如何根据物理拓扑结构和能量交换路径构建初始的键合图。 拓扑约束与功率守恒： 强调键合图的本质——满足基尔霍夫定律（基尔霍夫电流定律KCL对应于0-结点，基尔霍夫电压定律KVL对应于1-结点）。 模态分析与代数约束： 探讨如何识别和处理键合图中的代数回路和代数状态，这对模型的简化至关重要。 第二部分：从键合图到状态空间模型 本部分聚焦于如何利用键合图的结构化信息，自动或半自动地推导出可用于数值求解的标准状态空间方程。 第四章：状态变量的选择与规范形 状态变量的识别： 讲解如何基于储能元件（电容和惯量）的“努力”或“流动”来唯一确定系统的独立状态变量。 最小表示： 讨论如何通过对键合图进行适当的变换（如共变变换），消除冗余的代数变量，获得最小阶的状态空间模型。 状态空间方程的推导： 系统地展示如何利用元件的本构方程和拓扑约束，联立求解$dot{mathbf{x}} = Amathbf{x} + Bmathbf{u}$和$mathbf{y} = Cmathbf{x} + Dmathbf{u}$。 第五章：仿真与分析 仿真接口： 讨论键合图模型与主流仿真软件（如MATLAB/Simulink、Dymola等）的集成方法。 动态性能分析： 如何利用导出的状态空间模型进行线性化分析、稳定性判断、特征值分析和能控/能观性评估。 逆向工程： 从已知的传递函数或状态矩阵，逆向构建直观的键合图模型。 第三部分：键合图在系统动力学中的应用深化 系统动力学（System Dynamics, SD）通常关注宏观层面的反馈环路和库存-流量关系。本部分探讨键合图如何桥接微观的物理机制与宏观的系统行为分析。 第六章：跨领域系统集成建模 机电耦合系统： 利用变压器元件建模电机驱动的机械负载，展示如何统一处理电磁学和力学之间的功率交换。 流体与机械耦合： 建模液压或气动系统，其中压力（努力）驱动活塞运动（流动），反之运动又影响管道中的压力变化。 热-机耦合： 纳入热元件（如热容、热阻），分析温度变化对材料属性（如粘度、弹性模量）的影响，并将其反馈到机械动力学方程中。 第七章：键合图与反馈结构在系统动力学中的融合 从物理元件到反馈回路： 阐释键合图中的能量路径如何直接映射到系统动力学中的存量（Stock）和流量（Flow）关系。例如，惯量可以被视为动能的“存量”，而驱动力矩则扮演“流量”的角色。 非线性处理： 键合图自然地包含了元件的非线性本构关系（如摩擦、阻尼非线性）。讨论如何将这些精确的物理非线性集成到宏观的系统动力学仿真中，以提升模型对极端工况的预测能力。 多尺度建模： 键合图特别适用于处理同一系统在不同尺度下的描述。系统动力学关注宏观反馈，而键合图可以提供驱动这些反馈的精确微观物理基础。 第八章：应用案例研究 能源系统建模： 以风力涡轮机或混合动力汽车的动力总成为例，展示如何利用键合图建立一个完整的、包含电、机、控一体化的高保真模型。 生物与环境系统： 探讨如何抽象生物体内的物质和能量交换过程（如血液循环、新陈代谢）为类机械或电路的键合图结构，进行量化分析。 结论 本书为读者提供了一套强大的、基于能量交换的建模工具箱。通过掌握键合图理论，工程师和研究人员不仅能够构建出精确描述物理细节的仿真模型，还能在一个统一的框架下理解和分析复杂的跨领域系统动力学行为。键合图的模块化和直观性极大地简化了大型复杂系统的构建过程，是现代多物理场仿真的基石。

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这本书的深度和广度都令人印象深刻，尤其是它在处理跨学科问题时的表现力。我注意到，作者在后续章节中，开始将键合图的概念延伸到一些非传统的领域，比如经济系统的建模，甚至是生态系统的交互分析。这种跨界应用的能力，充分展示了键合图理论作为一种通用建模范式的强大生命力。书中对不同类型“元件”之间的标准连接规则的讨论，细致入微，几乎每一个细节都考虑到了，这对于确保模型构建的正确性和一致性至关重要。我尤其喜欢它在论证过程中所展现出的那种严谨的逻辑推导，每一个结论都有坚实的理论基础支撑，没有丝毫的含糊其辞。阅读过程中，我发现自己不仅是在学习一种技术，更是在学习一种思考复杂世界的方法论，一种用最简洁的结构语言去描绘万物联系的哲学智慧。这使得这本书的价值远远超出了其作为一本技术手册的范畴。

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这本书的标题本身就带着一种难以言喻的吸引力，它不仅仅是简单地陈述了一个学科领域，更像是在预示着一场深度思维的探索之旅。我最初被它所吸引，是因为我对“键合图”这个概念感到好奇，它似乎在暗示一种将复杂系统结构以一种全新的、更具层次感的方式进行建模的潜力。当我翻开第一页时，发现作者并没有急于展示复杂的公式或抽象的理论，而是用了一种非常平易近人的语言，勾勒出了这个理论的起源和核心思想。这让我感到非常放松，就像是进入了一个精心布置的学术沙龙，而不是一个冰冷的实验室。作者巧妙地将看似枯燥的数学结构，转化为一种直观的、可视化的工具，这对于我这种更偏向于宏观理解的学习者来说，无疑是巨大的福音。书中对键合图在描述物理系统和信息流方面的应用进行了细致的阐述，通过大量的案例分析，我开始领悟到，原来复杂系统的“连接性”和“相互作用”可以用如此优雅的方式被捕捉和量化。这种全新的视角，让我对传统建模方法的局限性有了更深刻的认识，也激发了我进一步研究这种图形化建模语言的兴趣。

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这本书在排版和配图上也下足了功夫，这对于一本理论性如此强的著作来说，实属难得。清晰的图示，特别是那些展示节点和连线如何承载信息流和能量流的图形，极大地减轻了阅读理解的负担。我感觉作者对读者的处境抱有深切的理解，他知道如何通过视觉辅助手段来强化抽象概念的记忆。再者，书后附带的参考资料列表也相当详尽且具有指导性，为那些希望在特定应用方向上进行深耕的读者提供了宝贵的指引。总的来说，这本书不仅仅是一份理论的汇编，更像是一套系统构建和分析的“操作指南”。它教会了我如何用一种统一、高效的方式去审视和解决不同领域的复杂问题，真正实现了理论指导实践的价值。它将我从单纯的“问题解决者”提升为了“系统架构师”的思维模式。

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这本书的叙述节奏把握得相当到位，它像一位经验老到的导游，带领读者从基础概念稳步迈向高阶应用的殿堂。我特别欣赏作者在引入“系统动力学”这一领域时的处理方式。他并没有将键合图理论视为一个孤立的技术，而是将其精妙地嵌入到系统动力学的广阔框架之中，强调了如何利用这种结构化的视图来更好地理解反馈回路、储能单元以及耗散过程。书中关于如何从物理结构直接推导出状态空间模型的部分，简直是教科书级别的示范。我以前在处理非线性系统时常常感到无从下手，常常需要在不同学科的知识之间来回跳转，而这本书提供了一个统一的语言和一套系统化的方法论，让整个过程变得清晰、有条理。阅读过程中，我仿佛有了一种“茅塞顿开”的感觉，那些原本散落在不同角落的知识点，通过键合图的纽带被紧密地联系在了一起，形成了一个强大的分析工具箱。

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老实说，这本书的阅读体验是既挑战性又极具成就感的。它毫不回避地触及了高级抽象概念，要求读者具备一定的数学基础和对系统思维的敏感性。然而，作者的写作风格却出奇地富有启发性，他似乎总能在读者即将感到迷失的时候，提供一个绝佳的类比或一个精心设计的图示来重新定位方向。我特别欣赏书中对于“守恒律”在键合图框架下如何自然体现的详尽分析，这与我之前接触的许多只关注变量间因果关系的建模方法形成了鲜明的对比。这种注重“能量”和“流量”平衡的视角，为系统分析增添了一层更本质的物理意义。每次成功地将一个复杂的现实问题转化为一个简洁的键合图模型时，那种清晰感和掌控感，是其他许多教材难以给予的。这本书无疑是为那些渴望深入理解系统本质，而非仅仅停留在表面模仿的实践者和研究人员量身定做的。

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