第2章基础理论4.ppt

1 现代制造技术第2章基础理论与方法 4 清华大学制造工程研究所 2 Petri网建模方法 2 1 3 广义模型化方法 现代制造系统 第2章基础理论与方法 4 5 6 7 功能建模方法IDEF0 信息建模方法IDEF1x 过程建模方法IDEF3 排队论方法 信息建模的其他方法 ER entityrelationship 实体关系 ODL objectdefinitionlanguage 对象定义语言 UML 统一建模语言 unifiedmodelinglanguage 类图 3 4 第2章基础理论和方法 系统功能 IDEF0 系统信息 IDEF1X 系统过程 系统控制 系统调度 IDEF3 PetriNet 排队论 5 2 5过程建模方法IDEF3 IDEF3方法概述 过程流图 对象状态转换网图 1 2 3 案例 4 6 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 1IDEF3方法概述零件加工过程模型 零件到车间进行加工 加工过程完成后进行检测 达到尺寸要求 转下一工序 没达到尺寸要求 返回车间继续加工 7 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 1IDEF3方法概述 零件加工过程的 场景描述 简称 场景 以过程为中心的视图 process centeredview 注重过程的出现及次序 过程流图 8 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 1IDEF3方法概述 行为单元 UOB unitofbehavior 事件 决定 动作 过程 连接 过程之间的先后关系或约束 交汇点 过程流通路可分叉成几个通路或多个过程流通路合并成一个通路 9 2 5过程建模方法IDEF3 零件加工过程的 对象状态转换网图 OSTN Objectstatetransitionnetworkdiagram 以对象为中心的视图 object centeredview 注重参与活动的对象 10 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 1IDEF3方法概述IDEF3用场景描述和对象两个基本组织结构 场景描述 对象 11 2 5过程建模方法IDEF3 场景描述 简称 场景 1 在一个组织中 需要用文件记录下来的一种特殊的重复出现的情景2 描述由一个组织或关系阐明的一类典型问题的一组情况3 过程赖以发生的背景名称用动词 动名词或动词短语 零件加工过程 产品开发过程 检验质量 维修过程 软件开发过程 奖学金评定过程 12 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 1IDEF3方法概述对象 任何物理的或概念的事物 13 2 5过程建模方法IDEF3 IDEF3方法概述 过程流图 对象状态转换网图 1 2 3 案例 4 14 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 2过程流图用过程流网 ProcessFlowNetwork PFN 作为获取 管理和显示以过程为中心的知识的主要工具 显示的手段就是过程流图 15 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 2过程流图 16 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 2过程流图 17 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 2过程流图 18 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 2过程流图 参照物 在其他IDEF3图中描述 飞机飞行中发生故障 降落成功 并进入后面的活动 交汇点 19 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 2过程流图 20 2 5过程建模方法IDEF3 IDEF3方法概述 过程流图 对象状态转换网图 1 2 3 案例 4 21 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 3对象状态转换网图 ObjectStateTransitionNetworkDiagramOSTN 是IDEF3中用以获取 管理和显示以对象为中心的知识的基本工具 OSTN的显示就是OSTN图 表示一个对象在多种状态间的演进过程 22 2 5过程建模方法IDEF3 2 5 3对象状态转换网图 对象状态 入口条件 状态描述 出口条件 转换弧 集中于一个对象 1 物理的 报告 零件 机器2 概念的 决议 计划 设计思想3 两个或多个物理的或概念的对象的组合 转换弧 23 2 5过程建模方法IDEF3 5 2 3对象状态转换网图OSTN中的句法元素 对象状态1 转换弧 对象状态2 参照物指向场景 行为单元或另外一个OSTN图 24 2 5过程建模方法IDEF3 5 2 3对象状态转换网图对象状态转换网图的一般形式 对象状态1 对象状态2 对象状态3 对象状态4 25 2 5过程建模方法IDEF3 5 2 3对象状态转换网图申请采购表的OSTN 采购申请表 集中于一个对象 申请表草案 批准的申请表 26 2 5过程建模方法IDEF3 5 2 3对象状态转换网图飞机异常处理过程 27 2 5过程建模方法IDEF3 IDEF3方法概述 过程流图 对象状态转换网图 1 2 3 案例 4 28 2 5过程建模方法IDEF3 案例 建立产品开发过程模型 实现企业过程管理产品方案设计流程 产品设计流程 工艺设计流程 工装设计流程 零件审批流程 组件审批流程 更改流程等 每个流程包括了多个行为单元 并且包括了多个子流程 如工艺设计流程包括的行为单元 工艺路线分工设计 编制标准工艺装备技术条件 编制装配协调图表 编制装配顺序表 编制材料定额汇总表 发放至相关单位等 29 2 5过程建模方法IDEF3 案例 建立产品开发过程模型 实现企业过程管理工艺设计流程 30 2 5过程建模方法IDEF3 案例 建立产品开发过程模型 实现企业过程管理工艺设计流程 31 2 5过程建模方法IDEF3 案例 建立产品开发过程模型 实现企业过程管理设计模型对象状态转换图 设计模型 校核过的设计模型 工艺审核过的设计模型 提交的设计模型 2 6 8 32 2 5过程建模方法IDEF3 案例 基于Internet的产品快速原型制造过程模型企业通过Internet网络 实现与客户的交互以完成产品快速原型制造的一系列相关的活动或步骤的序列 包括订单接收 订单审核 流程配置 协商报价与合同 详细设计 原型制作等阶段 详细设计又可具体分解为CAD CAE CAPP DFA DFM和评审 其中 CAD工作完成后 其设计结果将同时发送给CAE CAPP DFA和DFM部门 以保证CAE CAPP DFA和DFM工作可以并行进行 33 2 5过程建模方法IDEF3 案例 基于Internet的产品快速原型制造过程模型 34 2 5过程建模方法IDEF3 案例 基于Internet的产品快速原型制造过程模型 过程建模的其他方法 ARIS过程视图 控制视图角色活动图 Roleactivitydiagram RAD 甘特图 35 甘特图 36 37 Petri网建模方法 2 1 3 广义模型化方法 现代制造系统 第2章基础理论与方法 4 5 6 7 功能建模方法IDEF0 信息建模方法IDEF1x 过程建模方法IDEF3 排队论方法 38 2 6Petri网建模方法 Petri网最早由CarlAPetri博士于1962年在他的博士论文中提出 采用网络描述计算机系统事件之间的因果关系 20世纪80年代 具有工程背景的研究人员发现 Petri网是事件驱动系统建模的十分有用的工具 20世纪90年代 将Petri网 PN 作为离散事件动态系统 DiscreteEventDynamicSystem DEDS 的建模工具 离散事件动态系统 DEDS 系统每一时刻的发展变化依赖于许多事件的相互作用和触发 且无法用微分方程或差分方程进行描述DEDS理论 描述 分析 评价和优化DEDS系统的方法和工具 39 方法分类 建模和应用 40 1 基于逻辑层次的DEDS方法 如 有限自动机及形式语言 PETRI网 有限递归过程及通讯顺序进程等 2 基于时序层次的DEDS方法 最广泛应用的是极大代数法 时序PETRI网 3 基于随机层次的DEDS方法 如经典的排队论 马氏链和仿真方法 以及近年发展起来的扰动分析方法 广义MARKOV过程 随机PETRI网和其它随机最优方法 DEDS理论在制造系统中的应用 41 系统描述特点 是一个复杂的时变离散非线性系统 它在每一时刻的发展变化依赖于管理 设计 制造加工全过程中许多事件和因素的相互作用和影响 系统不能用微分方程或差分方程进行完整的描述 是典型的离散事件动态系统 DEDS理论的应用 为制造系统全过程的活动建模提供了理论分析工具建立制造系统逻辑模型 采用有限自动机及形式语言 PETRI网 有限递归过程及通讯顺序进程等DEDS方法 描述制造系统内离散事件在逻辑上的触发与运行之间的相互联系 以及逻辑运行方式 但不考虑时间因素 建立制造系统动态模型 极大代数法和时序PETRI网两种方法用于分析制造系统在时域上的动态分析和实时控制问题 建立制造系统随机模型 在制造系统实际运行中 许多事件无法用确定时间描述 如顾客订货 机器故障和工件在机床前的等待时间等 这些问题属于不确定性随机事件 基于随机层次提出的排队论 马氏链 扰动分析方法 广义MARKOV过程 随机PETRI网和其它随机最优方法为描述这类问题提供了基本分析方法 思考题 哲学家用餐问题 5个哲学家坐在一个圆桌旁 圆桌上摆满了中餐食品 每两个哲学家之间摆了一根筷子 一个哲学家要吃食品时 必须同时拿起他左边和右边的筷子 这时坐在他旁边的两位哲学家就不可能吃食品 只能坐在那里思考问题 每位哲学家从 思考 状态进入 吃食品 状态的条件是他左 右两边的两根筷子未被使用 试建立一模型描述和分析该问题 43 思考题 哲学家用餐问题 续 44 FMSPN模型示例 45 46 47 2 6Petri网建模方法 H2O H O H t 2H O H2O 48 2 6 1Petri网的定义 位置点的有限集合 系统的状态 n 位置的个数 制造系统中机器的工作状态 被加工零件的状态 转换点的有限集合 改变系统状态的事件或行为 制造系统中的上 下工件 开始 结束加工 49 2 6 1Petri网的定义 输入函数 定义了从P到T的有向弧的重复数或权的集合 输出函数 定义了从T到P的有向弧的重复数或权的集合 50 2 6 1Petri网的定义 标记向量 各位置上的标记分布 当输入位置中都有标记时 转换才可能触发 转换后从输入位置各取一个标记 并在输出位置上产生一个新标记 Petri网的通用模型 51 2 6 1Petri网的定义 PN的图示定义 标记 位置和转换之间 转换 位置 当输入位置中都有标记时 转换才可触发 转换后从输入位置各取一个标记 并在各输出位置产生一个新标记 52 2 6 1Petri网的定义 例 加工中心交换工作台 不考虑标记 p1 外部工作台准备好p2 加工中心停机p3 内部工作台准备好t1 交换工作台t2 加工中心加工工件 53 2 6 1Petri网的定义 输入矩阵 输出矩阵 关联矩阵 54 2 6 1Petri网的定义 某一位置所表示的局部状态实现情况用位置中所包含的标记 托肯 Token 数目 p 表示 k 55 2 6 1Petri网的定义 例 加工中心交换工作台 考虑标记 p1 外部工作台准备好p2 加工中心停机p3 内部工作台准备好t1 交换工作台t2 加工中心加工工件 p1 p2 p3 t1 t2 56 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 1 缓冲区模型与PN的抑制弧缓冲区为2个工序间提供暂时的工件存储空间 以协调2个工序的生产能力的不平衡 机器1 机器2 缓冲区 可容纳k个托肯 工件 剩余k 3个托肯 工件 57 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 1 缓冲区模型与PN的抑制弧 M1 M2 t1 t2 Pb Pv Puf 转换t1 当M1提供1个托肯 加工完1个工件 且Pv中k 1 t1使能 转换t2 当Pb提供1个以上托肯 1个以上工件 且Puf中有1托肯 M2是空闲的 可以接收工件 t2使能 转换t2 当Pb提供1个以上托肯 1个以上工件 且Puf中无1托肯 M2在加工 暂时不能接收工件 t2不使能 工件只能滞留在缓冲区 Pv 缓冲区尚可容纳工件数Pb 缓冲区已容纳工件数Pv Pb k Puf M2空闲 58 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 1 缓冲区模型与PN的抑制弧 M1 M2 t1 t2 Pb Puf 缓冲区满时 Pb中容纳k个托肯 缓冲区有k个工件 Pv中无托肯 不可容纳工件 t1被抑制 M1堵塞 一旦抑制弧连接的输入位置中拥有的托肯的数量大于或等于抑制弧的权 则该抑制弧将抑制该转换的激发 即 若Pb中的工件大于或等于k 则t1被抑制 k 59 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 1 缓冲区模型与PN的抑制弧 M2 t1 t2 Pb Pv Puf P1 溢出指示 缓冲区满时 存储容量已耗尽 存储区溢出 转换toi的激发将输出溢出指示 Pv中包含1个及以上托肯 存储区仍有存储空间 则toi被抑制激发 不产生溢出指示 当P1中包含1个托肯 1个工件被加工M1完毕 等待从M1溢出 且Pv中无托肯 缓冲区满 Toi立即激发 输出溢出指示 将P1中的托肯送入其他路径 60 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 1 缓冲区模型与PN的抑制弧 M1 M2 t1 t2 Pb Puf k 3 设 抑制弧k 3 当Pb中有小于3个托肯 工件 t1可使能当Pb中3个托肯 工件 t1不可使能 61 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 1 缓冲区模型与PN的抑制弧 M1 M2 t1 t2 Pb Puf k 3 当Pb中有一个以上托肯 工件 且Puf中有一个托肯 M2空闲 t2使能当Pb中无托肯 工件 或Puf中没有一个托肯 M2忙 t2不使能 M1 M2 t1 t2 Pb Puf k 3 62 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 2 FCFS的工件队列Petri网模型 First Come First Serve 传送带 工件在传送带上传输的过程可看作暂时储存在传送带上 工件在传送之中 工件放在传送带上 工件从传送带取下 请求将1个托肯 工件 从传送带上移走 传送带上允许的工件数 63 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 3 描述制造系统的并行与同步特征Petri网模型某一部件由2个零件装配而成 2个零件分别由2条独立生产线加工 加工完进行装配 工件加工过程并行 设备4 设备5 设备1 设备2 设备3 加工 装配 工件装配过程同步 64 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 3 描述制造系统的并行与同步特征Petri网模型 t1 p4 p1 t2 t3 t4 t5 p2 p3 p5 p6 p7 1托盘上的2个工件到达 工件1的加工路线 工件2的加工路线 装配 65 2 6 2制造系统的若干基本Petri模型 4 描述制造系统资源竞争的模型两个以上的操作共享同一资源 将导致资源竞争 如 关键机床 66 2 6 3一个生产单元的Petri网建模 例 一个生产单元的Petri网建模由2台机器 M1与M2 组成 共用1个机器人R上下工件 一输入传输带输送载有工件的托盘 1个托盘仅载1个工件 机器人R从其上抓取工件并装载到机器M1上 将成品从M2卸下到输出传输带 M1与M2之间有一个缓冲区 可存放中间工件 共有3个托盘 工件安装在其上 先后经过M1 M2加工 加工完毕后 托盘成品自动脱离 转载新的工件 重新回到输入传输带上 托盘上的工件 成品 缓冲区 机器M2 机器M1 机器人R 输入传输带 输出传输带 67 2 6 3一个生产单元的Petri网建模 例 一个生产单元的Petri网建模装卸工件托盘经历以下状态和活动 托盘上的工件 成品 缓冲区 机器M2 机器M1 机器人R 输入传输带 输出传输带 68 2 6 3一个生产单元的Petri网建模 例 一个生产单元的Petri网建模p1 载有工件的托盘可使用p2 机器M1在加工工件之中 机器M1占用 p3 载有中间工件的托盘存放在缓冲区p4 机器M2在加工工件之中 机器M2占用 t1 机器人将载有工件的托盘装载到M1上t2 机器人将载有工件的托盘从M1上卸载并送入缓冲区并释放机器人t3 机器人将载有工件的托盘装载到M2上t4 机器人将载有工件的托盘从M2上卸载并送入传输带并释放机器人 t1 t2 t3 p1 p2 p3 p4 t4 载有工件的托盘经历活动 69 2 6 3一个生产单元的Petri网建模 例 一个生产单元的Petri网建模装卸工件托盘经历以下状态和活动 托盘上的工件 成品 缓冲