priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2025-68-12-1056-1065pribor-441Research ArticleКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯCOMPUTER MODELING AND DESIGN AUTOMATIONРазработка библиотеки элементов мультисвязных бонд-графов для моделирования систем со множеством телDevelopment of a Library of Multibond Graphs for Modeling Multibody SystemsДмитриевВ. А.DmitrievV. A.

Валентин Алексеевич Дмитриев — аспирант; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербург

Valentin A. Dmitriev — Post-Graduate Student; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg

valentinswsu@mail.ruМарусинаМ. Я.MarusinaM. Ya.

Мария Яковлевна Марусина — д-р техн. наук, профессор; факультет систем управления и робототехники

Санкт-Петербург

Maria Ya. Marusina — Dr. Sci., Professor; Faculty of Control Systems and Robotics

St. Petersburg

myamarusina@itmo.ruУниверситет ИТМОITMO University202519012026681210561065Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20262026Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/441

Обсуждается представление динамических систем в виде бонд-графов, позволяющих унифицировать модульный подход к моделированию многодоменных физических систем, описываемых законами из различных областей физики, например механики и гидравлики. На основе мультисвязных или векторных бонд-графов разработана библиотека элементов мехатронной системы в среде MatLab/Simulink, обеспечивающая ускорение процесса построения моделей и уменьшение вероятности появления ошибок. Рассмотрены структура разработанной библиотеки и ее основные элементы, позволяющие описать системы из нескольких тел и моделировать их движение в различных системах отсчета. Приведен пример использования библиотеки для моделирования конкретной механической системы.

The representation of dynamical systems in the form of bond graphs, which make it possible to unify a modular approach to modeling multi-domain physical systems described by laws from various fields of physics, such as mechanics and hydraulics, is considered. Based on multiconnected or vector bond graphs, a library of mechatronic system elements, which accelerates the process of building models and reduces the likelihood of errors, is been developed in MatlabSimulink environment. The structure of the developed library and its main elements, which make it possible to describe systems of several bodies and simulate their motion in various reference frames, are discussed. An example of using the library for modeling a specific mechanical system is given.

бонд-графдинамикаанализэнергиямультисвязное представлениеbond graphdynamicsanalysisenergymulti-connected representationReferencesDas S. Mechatronic Modeling and Simulation Using Bond Graphs. Boca Raton: CRC Press, 2009.Das S. Mechatronic Modeling and Simulation Using Bond Graphs, Boca Raton, CRC Press, 2009.Lagrange J. Méchanique Analytique. Boston: Kluwer Academic Publishers, 1997.Lagrange J. Méchanique Analytique, 1997.Строгалев В. П., Толкачева И. О. Имитационное моделирование. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 737 с.Strogalev V.P., Tolkacheva I.O. Imitatsionnoye modelirovaniye (Simulation Modeling), Moscow, 2008, 737 р. (in Russ.)Rahmani A., Hasan M. N., Zak M. Modelling and Validation of Electric Vehicle Drive Line Architecture using Bond Graph // Test Eng. Manag. 2020. Vol. 82. Р. 15154–15167.Rahmani A., Hasan M.N., Zak M. Test Eng. Manag., 2020, vol. 82, рр. 15154–15167.Badoud A. E., Merahi F., Bouamama B. O., Mekhilef S. Bond Graph modeling, design and experimental validation of a photovoltaic/fuel cell/electrolyzer/battery hybrid power system // Intern. J. Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46. Р. 24011–24027.Badoud A.E., Merahi F., Bouamama B.O., Mekhilef S. Intern. J. Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, рр. 24011–24027.Mohammed A., Sirahbizu B., Lemu H. G. Optimal Rotary Wind Turbine Blade Modeling with Bond Graph Approach for Specific Local Sites // Energies. 2022. Vol. 15. Р. 6858.Mohammed A., Sirahbizu B., Lemu H.G. Energies, 2022, vol. 15, рр. 6858.Nuñez I., Breedveld P. C., Weustink P. B. T., Gonzalez G. Steady-State power flow analysis of electrical power systems modelled by 2-dimensional multibond graphs // Proc. of the Intern. Conf. on Integrated Modeling and Analysis in Applied Control and Automation. Bergeggi, Italy, 21–23 September 2015. P. 39–47.Nuñez I., Breedveld P.C., Weustink P.B.T., Gonzalez G. Proceedings of the International Conference on Integrated Modeling and Analysis in Applied Control and Automation, Bergeggi, Italy, September 21–23, 2015, pp. 39–47.Mishra N., Vaz A. Bond graph modeling of a 3-joint String-Tube Actuanted finger prosthesis // Mech. Mach. Theory. 2017. Vol. 117. Р. 1–20.Mishra N., Vaz A. Mech. Mach., 2017, vol. 117, рр. 1–20.Pathak A. K., Vaz A. A simplified model for contact mechanics of articular cartilage and mating bones using bond graph // Proc. of the 3rd Intern. and 18th National Conf. on Machines and Mechanisms. Mumbai, India, 13– 15 December 2017.Pathak A.K., Vaz A. Proceedings of the 3rd International and 18th National Conference on Machines and Mechanisms, Mumbai, India, December 13–15, 2017.Mishra N., Vaz A. Development of trajectory and force controllers for 3-joint stringtube actuated finger prosthesis based on bond graph modeling // Mech. Mach. Theory. 2020. Vol. 146. Р. 103719.Mishra N., Vaz A. Mech. Mach. Theory, 2020, vol. 146, рр. 103719.Gonzalez G., Barrera N., Ayala G., Padilla A. Modeling and Simulation in Multibond Graphs Applied to Three-Phase Electrical Systems // Appl. Sci. 2023. Vol. 13. Р. 5880.Gonzalez G., Barrera N., Ayala G., Padilla A. Appl. Sci., 2023, vol. 13, рр. 5880.Gonzalez G., Padilla A. Quasi-steady-state model of a class of nonlinear singularly perturbed system in bond graph approach // Electr. Eng. 2018. Vol. 100. Р. 293–302.Gonzalez G., Padilla A. Electr. Eng., 2018, vol. 100, рр. 293–302.Cellier F. Hierachical non-linear bond graph: A unified methodology for modelling complex physical systems // Simulation. 2005. Vol. 58, N 4. P. 230–248.Cellier F. Simulation, 2005, no. 4(58), pp. 230–248.Zhou X. and Cui Y. Dynamic characteristics of single-loop gear system based on bond graph method // Journal of Vibroengineering. 2022. Vol. 24, N 3. P. 604–614.Zhou X. and Cui Y. Journal of Vibroengineering, 2022, no. 3(24), pp. 604–614.Gonzalez-Avalos G., Gallegos N. B., Ayala-Jaimes G., Garcia A. P., Ferreyra García L. F., Rodríguez A. J. P. Modeling and Simulation of Physical Systems Formed by Bond Graphs and Multibond Graphs // Symmetry in Graph Algorithms and Graph Theory III. 2023. Vol. 15, N 12. Р. 2170.Gonzalez-Avalos G., Gallegos N.B., Ayala-Jaimes G., Garcia A.P., Ferreyra García L.F., Rodríguez A.J.P. Symmetry in Graph Algorithms and Graph Theory III, 2023, no. 12(15), pp. 2170.Дмитриев В. А., Марусина М. Я. Особенности построения бонд-графа шагающих роботов // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 2. С. 195–199. DOI: 10.17586/0021-3454-2024-67-2-195-199.Dmitriev V.А., Marusina M.Ya. Journal of Instrument Engineering, 2024, no. 2(67), pp. 195–199, DOI: 10.17586/0021-3454-2024-67-2-195-199. (in Russ.)Shojaei Barjuei E., Caldwell D. G., & Ortiz J. Bond Graph Modeling and Kalman Filter Observer Design for an Industrial Back-Support Exoskeleton // Designs. 2020. Vol. 4, N 4. P. 53.Shojaei Barjuei E., Caldwell D.G., & Ortiz J. Designs, 2020, no. 4(4), pp. 53.Umarikar A., Mishra T., & Umanand L. Bond graph simulation and symbolic extraction toolbox in MATLAB/ SIMULINK // Journal of the Indian Institute of Science. 2006. Vol. 86. P. 45–68.Umarikar A., Mishra T., & Umanand L. Journal of the Indian Institute of Science, 2006, vol. 86, рр. 45–68.Дмитриев В. А. Элементы моделирования контактного взаимодействия средствами программного пакета 20Sim // „Информационные технологии в управлении, автоматизации и мехатронике“: сб. науч. тр. 4-й Междунар. науч.-техн. конф. 2022. С. 83–86.Dmitriyev V.A. Informatsionnyye tekhnologii v upravlenii, avtomatizatsii i mekhatronike (Information Technologies in Control, Automation and Mechatronics), Collection of Scientific Papers of the 4th International Scientific and Technical Conference, 2022, рр. 83–86. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.