[发明专利]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

摘要

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。

主权项

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，动力学方程的形式为：对于电子元件，动力学方程有：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形式为：其中电路系统电量格式的朗格朗日方程为：式中，E_k是对应广义电荷坐标q_k的广义电压；得到电路系统磁通格式的拉格朗日方程为：由此得到机电耦合系统位移‑电量格式的拉格朗日方程为：同理得到位移‑磁通量格式的拉格朗日方程为：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，本发明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e_i和f_i，通过统计方法，得到e_i和f_i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x_i，通过机电的键合图模型，得到耦合变量的动力学表达式：x_i＝φ(e_i,f_i)   (13)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；x_i＝sim(e_i,f_i)   (14)其中sim为变量的多项式表达式，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t_i上有一个阈值λ_i，则根据节点的不确定程度和变迁上的阈值λ_i来定义变迁t_i触发规则：If R(x_i)≥λ_i则变迁是使能的，其中R(x_i)为耦合变量在耦合过程中的可靠度，利用蒙特卡罗仿真方法求解；变迁t_i使能后，此时有：x_i(p_i)＝x_i(p_i+1)即功率流P_f从p_i节点流到p_i+1节点；否则，变迁是不使能的，功率流P_f无法从p_i节点流到p_i+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递；一旦EFUN中变迁集T都是处于使能得状态，则机电系统中的功率流能够在机电系统中进行传递；并得到各个节点的可靠度为R(p_i)；步骤八：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；根据网络模型的逻辑结构，按照如下公式，完成信息不确定性传递过程R_S＝Φ(R(p_i))   (15)其中Φ算子根据具体的结构连接模型选择；通过以上步骤，对复杂机电系统在多物理过程耦合下建立不确定性网络模型；该不确定性网络模型基于能量流和信息流特点，将复杂机电系统的物理过程的动力学特性和信息属性的不确定性进行结合，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。