自动化制造系统的计算机仿真及优化PPT课件

精品课件 1 第9章自动化制造系统的计算机仿真及优化 本章内容包括 9 1计算机仿真概述9 2计算机仿真的基本理论及方法9 3自动化制造系统仿真研究的主要内容9 4面向制造系统的仿真软件及其应用实例9 5实例视频 精品课件 2 9 1计算机仿真概述 计算机仿真是一种省时 省力 省钱的系统分析研究工具 对分析研究自动化制造系统的设计和运行性能具有巨大的优势 所得到的结论对投资决策能够起到非常重要的支持作用 9 1 1仿真的基本概念9 1 2计算机仿真的发展历程 书中解释 9 1 3计算机仿真的特点9 1 4计算机仿真的意义9 1 5自动化制造系统计算机仿真的作用 精品课件 3 9 1 1仿真的基本概念 现代科学研究 生产开发 社会工程 经济运营中涉及的许多项目都有一定的规模和复杂度 在进行项目的设计和规划时往往需要对项目的合理性 经济性等品质加以评价 在项目实际运营前也希望对项目的实施结果加以预测以便选择正确 高效的运行策略或提前消除该项目设计中的缺陷 最大限度地提高实际系统的运行水平 采用仿真技术可以省时 省力 省钱地达到上述目的 精品课件 4 9 1 1仿真的基本概念 仿真对大家来说并不陌生 例如 在进行军事战役之前 进行沙盘推演和实地军事演习就是对该战役的一种仿真研究 设计飞机时 用风洞对机翼进行空气动力学特性研究 就是在飞机上天实际飞行前对其机翼在空中高速气体流场中受力状态和运行状态的一种仿真 精品课件 5 9 1 1仿真的基本概念 在制造系统的设计阶段 通过某一种模型来研究该系统在不同物理配置情况下 不同物流路径和不同运行控制策略的特性 从而预先对系统进行分析和评价 以获得较佳的配置和较优的控制策略 在制造系统建成后 通过仿真可以研究系统在不同作业计划输入下的运行情况 比较和选择较优的作业计划 以达到提高系统运行效率的目的 这些都是仿真的应用案例 如图9 1所示 精品课件 6 9 1 1仿真的基本概念 a 神舟飞船的海上回收仿真 图9 1仿真案例 精品课件 7 9 1 1仿真的基本概念 b 飞机机翼高速气流场中受力状态和运行状态仿真 图9 1仿真案例 精品课件 8 9 1 1仿真的基本概念 c 无人状态下的飞行仿真 图9 1仿真案例 精品课件 9 9 1 1仿真的基本概念 d 制造系统的物理配置仿真 图9 1仿真案例 精品课件 10 9 1 1仿真的基本概念 仿真 一词源于英文术语Simulation 早期也译为 模拟 仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个存在或设计中的系统 这里的系统是指由相互联系和相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体 简单地说 仿真就是一种基于模型的活动 根据仿真与实际系统配置的接近程度 可以将其分为全物理仿真 半物理仿真和计算机仿真 精品课件 11 9 1 1仿真的基本概念 采用与实际系统相同或等效的部件或子系统来实现对系统的试验研究 以分析系统的性能 称为全物理仿真 如图9 1 a 和如图9 1 b 所示 在计算机上建立实际系统的计算机模型 并对其进行试验研究的仿真称为计算机仿真 如图9 1 d 介于前两者之间并将其有机结合 用已研制出来的系统中的实际部件或子系统去代替部分计算机模型所构成的仿真称为半物理仿真 如图9 1 c 所示 精品课件 12 9 1 1仿真的基本概念 一般说来 计算机仿真较之半物理 全物理仿真在时间 费用和方便性等方面都具有明显的优点 而半物理仿真 全物理仿真具有较高的可信度 但费用昂贵且准备时间长 如图9 2所示给出了计算机仿真 半物理仿真和全物理仿真的关系及其在工程系统研究各阶段的应用 精品课件 13 9 1 1仿真的基本概念 精品课件 14 9 1 1仿真的基本概念 计算机仿真技术具有经济 安全 可重复和不受气候 场地 时间限制的优势 被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段 因此 除了必须采用半物理或全物理仿真才能满足系统研究的要求的情况外 一般来说都应尽量采用计算机仿真 计算机仿真也由此得到了越来越广泛的应用 精品课件 15 9 1 3计算机仿真的特点 计算机仿真有别于其它方法的显著特点之一是 它是一种在计算机上进行实验的方法 实验所依赖的是由实际系统抽象出来的仿真模型 由于这一特点 计算机仿真给出的是由实验选出的较优解 而不像数学分析方法那样给出问题的确定性的最优解 精品课件 16 9 1 3计算机仿真的特点 计算机仿真结果的价值和可信度 与仿真模型 仿真方法及仿真实验输入数据有关 如果仿真模型偏离真实系统 或者仿真方法选择不当 或者仿真实验输入的数据不充分 不典型 则将降低仿真结果的价值 但是 仿真模型对原系统描述得越细 越真实 仿真输入数据集越大 仿真建模的复杂度和仿真时间都会增加 因此 需要在可信度 真实度与复杂度之间加以权衡 精品课件 17 9 1 4计算机仿真的意义 采用计算机仿真技术具有以下几点十分重要的意义 l 可以替代许多难以开展或无法实现的实验 2 可以解决一般理论方法难以求解的大型系统问题 3 可以经济快速地比较不同方案以降低投资风险并节省研究开发费用 4 可以避免实际实验对生命和财产的危害 5 可以缩短实验时间 并不拘于时空限制 精品课件 18 9 1 5自动化制造系统计算机仿真的作用 根据计算机仿真在自动化制造系统中的作用 可以将其归结为 设计决策 和 运行决策 两种类型 设计决策 关注制造系统结构 参数和配置的分析 规划 设计与优化 它可以为下列问题的决策提供技术支持 在生产任务一定时 制造系统所需机床 设备 工具以及操作人员的类型和数量 在配置给定的前提下 制造系统的生产能力 生产效率和效益 精品课件 19 9 1 5自动化制造系统计算机仿真的作用 缓冲区及仓库容量的确定 企业及车间的最佳布局 生产线的平衡分析及优化 企业或车间的瓶颈工位分析与改进 设备故障 统计及维修对系统性能的影响 优化产品销售体系 如配送中心选址 数量与规模等 降低销售成本 精品课件 20 9 1 5自动化制造系统计算机仿真的作用 运行决策 关注制造系统运营过程中的生产计划 调度与控制 它可以为以下问题的决策提供技术支持 给定生产任务时 制定作业计划 安排作业班次 制定采购计划 使采购成本最低 优化车间生产控制及调度策略 企业制造资源的调度 以提高资源利用率和实现效益最大化 设备预防性维修周期的制定与优化 精品课件 21 9 1 5自动化制造系统计算机仿真的作用 对于自动化制造系统而言 计算机仿真具有很多的优点 主要包括 可以用仿真试验新的设计方案 结构参数 调度规则 操作流程以及控制方式等 而无需破坏实际系统或中断实际系统的运行 可以测试车间布局 物流系统等是否合理 而无需消耗大量资源 仿真时通过采用时间 压缩 或 延长 技术 可以加速或延缓制造系统中某些物理现象的发生频率及其持续时间 深层次地揭示制造系统本质特征 精品课件 22 9 1 5自动化制造系统计算机仿真的作用 有利于深入地观察不同配置 结构和参数之间的相互作用 以便从全局的角度认识系统 有利于分析和发现影响系统性能的关键参数 确定系统的敏感变量 有利于找到系统中的瓶颈工序 部位和设备 以便作有针对性地改进 利用仿真技术 可以逐步地分析和解决系统存在的问题 以实现自动化制造系统的最佳设计和运行过程的最优化 精品课件 23 9 2计算机仿真的基本理论及方法 9 2 1仿真建模的基本理论1 模型的基本概念及分类2 建模过程中的信息来源3 建模方法9 2 2计算机仿真的一般过程9 2 3离散事件系统仿真的基本技术 书中解释 精品课件 24 1 模型的基本概念及分类 如前所述 仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个真实系统 由此可见 模型是实现仿真的前提条件 所谓模型就是对真实系统中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象 简化与描述 模型在所研究的系统的某一侧面具有与系统相似的数学描述和物理描述 简而言之 模型是集中反映系统信息的整体 精品课件 25 1 模型的基本概念及分类 模型具有下述特点 它是客观事物的模仿或抽象 它由与分析问题有关的因素构成 它体现了有关因素之间的联系 从另一侧面来看 当我们把系统看成是行为数据源时 那么模型就是一组产生行为数据的指令的集合 精品课件 26 1 模型的基本概念及分类 根据模型与实际系统的一致程度 可以概略地把模型分为以下三类 l 物理模型 即实物模型 2 数学模型 3 物理 数学模型 即半物理模型 精品课件 27 l 物理模型 即实物模型 物理模型是采用特定的材料和工艺 根据相似性原则按一定比例制作的 以便通过试验对系统的模型方面性能作出评估 例如 研制新型飞机时 一般先要对比例缩小的飞机模型进行风洞试验 以验证飞机的空气动力学性能 开发新型轮船时 一般先要在水池中对比例缩小的轮船模型进行试验 以了解轮船的各种性能 飞机模型以及轮船模型都属于物理模型 精品课件 28 2 数学模型 采用符号 数学方程 数学函数或数据表格等方法定义系统各元素之间的关系和内在规律 再利用对数学模型的试验以获得现实系统的性能特征和规律 例如 国家或地区人口增长模型 经济增长预测模型 数控机床可靠性模型等 精品课件 29 3 物理 数学模型 即半物理模型 物理 数学模型是一种混合模型 它有机地结合了物理模型和数学模型的优点 例如航空 航天仿真训练器 发电厂调度仿真训练器等 精品课件 30 2 建模过程中的信息来源 建模就是对真实系统在不同程度上的抽象 这种抽象实际上是对真实系统的信息以某种适当的形式加以概括和描述 从而具体地定出模型的结构和参数 建模过程有三类主要信息来源 目标和目的 先验知识 试验数据 书中解释 精品课件 31 3 建模方法 仿真建模的一般方法有 1 数学规划 采用排队论 线性规划等理论方法建立系统模型 2 图与网络方法 采用方框图 信号流程图来描述控制系统模型 或者用逻辑流程图 活动循环图 Petri网等来描述离散事件系统模型 3 随机理论方法 对于随机系统 还必须采用随机理论方法来建立系统模型 精品课件 32 3 建模方法 4 通用仿真语言建模方法 通过某种通用仿真语言提供的过程或活动描述方法对系统动态过程进行描述 再将其转为仿真程序 5 图形建模方法 通过类似于CAD作业那样的方式直接在计算机屏幕上用图标给出某个系统 例如制造系统 的物理配置和布局 活动体的运动轨迹以及控制规则和运行计划 这是一种不必编程即可运行的建模方式 精品课件 33 9 2 2计算机仿真的一般过程 建模与仿真研究的目的是分析实际系统的性能特征 如图9 5所示给出了系统建模与仿真的应用步骤 总体上可分为系统分析 数学建模 仿真建模 仿真试验 仿真结果分析以及模型确认等步骤 各步骤的基本功能 书中解释 精品课件 34 9 2 2计算机仿真的一般过程 精品课件 35 9 3自动化制造系统仿真研究的主要内容 本节主要内容包括 9 3 1总体布局研究9 3 2动态调度策略的仿真研究9 3 3作业计划的仿真研究 精品课件 36 9 3 1总体布局研究 自动化制造系统在规划设计时 必须在明确制造对象和总体生产目标的基础上 首先确定系统的结构 这包括 确定各种设备的类型和数量 确定各种设备的相互位置关系即系统布局 研究系统布局对既定场地的利用情况 研究系统中最恰当的物流路径 研究系统在动态运行时是否会由于布局本身的不当而发生阻塞和干涉 系统瓶颈 精品课件 37 9 3 1总体布局研究 通常的方法是在按第8章中的原则确定出系统的配置和布局后 通过仿真系统 按比较严格的比例关系 在计算机屏幕上设计出系统的平面或立体的布局图像 然后通过不同方位或不同运行情况下的图形变换来观察布局是否合理 最后 通过系统的动态运行来研究是否存在动态干涉或阻塞问题 设计人员再根据仿真结果对设计方案进行修改完善 精品课件 38 9 3 1总体布局研究 值得指出的是 虽然在研究系统布局时涉及图形变换等动画处理 但从原理上来看仅仅是一种静态结构的仿真 不涉及制造系统本身的动态特性 只有研究系统在动态运行时发生干涉或阻塞问题时 才涉及系统的动态特性 此时系统的动态特性主要是着眼于移动设备和固定设备之间的关系 以及物料运输路径的合理性 精品课件 39 9 3 2动态调度策略的仿真研究 在一个自动化制造系统中通常有许多决策点 工件进入系统的决策点 工件选择加工设备的决策点 加工设备选择工件的决策点 小车运输方式的决策点 工件选择缓冲站的决策点 选择运输小车的决策点 加工设备选择刀具的决策点 刀具选择中央刀库中刀位的决策点等 精品课件 40 9 3 2动态调度策略的仿真研究 在不同的决策点具有相应的多个决策规则 因此 根据系统的具体情况在各个决策点采用某些决策规则 就构成了系统的不同调度方案 进行动态调度策略的仿真研究是为了研究或验证在实际的制造系统控制过程中的动态调度方案是否合理 高效 或通过实验提前消除原控制系统软件的潜在缺陷 属于对系统的比较详细 深入的仿真 精品课件 41 9 3 2动态调度策略的仿真研究 为此 在建立仿真模型时 必须使仿真系统中与原制造系统中有对应相同的决策点 每个对应的决策点均采用对应相同的决策方法 由决策规则和规则的适用优先顺序等方法来确定 每个对应的决策点在相同的条件下应产生对应相同的活动 换言之 仿真系统中的控制逻辑图应与原来的制造系统的控制逻辑图相同 精品课件 42 9 3 3作业计划的仿真研究 在制造系统建成后 设备配置及调度策略就已经确定了 这时 影响系统运行效率的主要因素就是生产作业计划 由于在生产过程中考虑到后续工序的需求和系统总体效率 零件往往是以混合批次的方式在系统中进行加工的 精品课件 43 9 3 3作业计划的仿真研究 例如 为了装配某一部件 需要A零件2件 B零件1件 C零件1件 如果我们采用先加工A零件2000件 再加工B零件1000件 然后加工C零件1000件的作业计划进行生产 则有可能在加工A零件时 由于加工2000件时间过长 造成后续装配工序无件可装而空闲 这显然会造成整个制造系统负荷不均 影响总体效率 精品课件 44 9 3 3作业计划的仿真研究 如果 按加工A零件2件 B零件1件 C零件1件的作业计划能够使后续工序不致空闲 但却未必是高效的 因为机床更换不同加工对象时 会涉及刀具的准备 甚至中途换刀 等问题 会显著地增加中间辅助时间 从而降低系统总的生产率 因此 系统作业计划应按A B C零件的比例关系2x x x的混合批次进行加工 但究竟x为多少最适宜 却是需要仔细研究的 精品课件 45 9 3 3作业计划的仿真研究 而通过仿真却可以相当准确地预测不同加工计划的优劣 确定出最佳的x值 通过对作业计划的仿真 还可以预测产品的交货期是多长 是否能够按期完成任务 还可以预测在某个时期制造系统的产品产量 对作业计划仿真的主要要素是根据实际作业计划抽象出零件类型和加工工艺路线以及在每道工序上的加工时间 精品课件 46 9 3 3作业计划的仿真研究 其中比较关键的数据是在同一工序上的加工时间 这一工序时间应是NC程序的运行时间以及装卸工件时间之和 一般在加工某一零件时 都对NC程序进行过试运行 对零件进行过预加工和调整 因此 在一个制造自动化系统建成后对作业计划进行仿真时 加工时间需要相当准确 从而也使加工计划仿真的结果具有更大的准确度 精品课件 47 9 4面向制造系统的仿真软件及其应用实例 本节主要内容包括 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述9 4 2通用仿真语言GPSS简介9 4 3主流制造系统仿真软件简介9 4 4ProModel仿真软件的模型元素及其使用 看书自学 9 4 5基于ProModel软件的仿真应用案例 看书自学 精品课件 48 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述 总体上 仿真建模软件系统大致可以分为3种类型 1 采用通用编程语言 如FORTRAN BASIC C等 编写仿真程序 建立仿真模型 在仿真技术发展的早期 这种方法应用最为普遍 目前 该方法在一些特定领域或特定对象的系统仿真中仍有广泛应用 2 采用面向仿真的程序语言 如GPSS GASP SIMSCRIPT等 编制仿真程序 精品课件 49 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述 3 采用商品化仿真软件包建立仿真模型 如AutoMod Extend Flexsim ProModel WITNESS Arena等 这类系统通常具有独立的仿真建模 运行及仿真结果分析环境 提供图形化用户界面 并内嵌仿真编程语言 是目前系统仿真的主要形式 精品课件 50 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述 20世纪80年代后期 PC机成为仿真建模软件的主要平台 目前 面向对象的编程技术 图形化用户界面 动画技术以及各种可视化工具等成为仿真软件的基本配置 另外 仿真建模软件还提供输入数据分析器 结果输出分析器等模块 以便简化建模过程 为用户提供高效的数据处理功能 使用户将主要精力用于系统模型的构建中 由南京理工大学和香港城市大学共同开发的FMS仿真器FMSSIM已经实现了这一技术 精品课件 51 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述 近年来 仿真软件开始由二维动画向三维动画转变 提供虚拟现实的仿真建模与运行环境 此外 智能化建模技术 基于Web的仿真 智能化结果分析与优化技术也成为仿真软件开发的重要趋势 精品课件 52 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述 人们在仿真建模的研究和应用中发现 开发面向特定应用领域的仿真软件或模块既是仿真软件开发的必然选择 也是促进仿真技术应用的有效途径 此外 为支持用户对特定类型系统或产品的仿真分析 不少仿真软件还提供二次开发及开放性程序接口 以增强软件的适应性 精品课件 53 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述 目前 市场上已有大量的商品化仿真软件 它们面向制造系统 物流系统或机械产品开发的某些特定领域 成为提高产品或系统性能 提高企业竞争力的有效工具 表9 4列出了国外用于制造系统建模与仿真的主要软件的基本情况 供研究和应用参考 精品课件 54 9 4 1制造系统仿真语言与支持软件概述 精品课件 55 9 4 2通用仿真语言GPSS简介 离散事件系统的通用仿真语言GPSS GeneralPurposeSimulationSystem 主要是由美国IBM公司开发 GPSS语言是为那些并不是计算机程序设计专家的分析人员而设计的 最早的文本发表于1961年 多年来 GPSS一直在发展和演变 到目前为止已有几种不同版本的GPSS 它是离散事件系统仿真方面应用得最广泛的语言之一 其模型描述看书解释 精品课件 56 9 4 3主流制造系统仿真软件简介 本节简要介绍以下几种常用仿真软件 1 Flexsim仿真软件2 Arena仿真软件3 Extend仿真软件4 Witness仿真软件5 AutoMod仿真软件6 ProModel仿真软件 精品课件 57 1 Flexsim仿真软件 Flexsim是美国FlexsimSoftwareProducts公司的产品 1993年投放市场 它采用C 语言开发 采用面向对象编程和OpenGL技术 可以以二维或三维方式提供虚拟现实的建模环境 它提供三维图形化建模环境 并集成 集成开发环境和编译 Flexsim利用对象建立仿真模型 对象代表实际系统中的活动和过程 它提供对象模版库 并利用鼠标的拖放操作来确定对象在模型窗口中的位置 精品课件 58 1 Flexsim仿真软件 Flexsim软件提供了众多的对象类型 如机床 操作员 传送带 叉车等 通过设置对象参数 可以快速高效地构建制造系统 物料系统等系统模型 对象的高度自定义性不仅提高了建模速度 节省了建模时间 也使仿真模型具有层次性 如图9 9所示为Flexsim仿真软件的界面 精品课件 59 1 Flexsim仿真软件 图9 9Flexsim仿真软件的界面 精品课件 60 1 Flexsim仿真软件 利用Flexsim软件可以快速构建系统模型 通过对系统动态运行过程的仿真 试验和优化 可以提高生产效率 降低运营成本 Flexsim软件可用于评估系统生产能力及生产流程 优化资源配置 确定合理的库存水平 缩短产品上市时间等 精品课件 61 2 Arena仿真软件 Arena是美国SystemModelingCorporation研发的仿真软件 1993年进入市场 现为美国RockwellSoftware公司的产品 Arena软件基于SIMAN CINEMA仿真语言 它提供可视化 通用性和交互式的集成仿真环境 兼具仿真程序语言的柔性和仿真软件的易用性 并可以与通用编程语言 如VisualBasic FORTRAN和C C 等 编写的程序连接运行 精品课件 62 2 Arena仿真软件 Arena软件在仿真领域具有较高声誉 IntroductiontoSimulationusingSIMAN 以及 SimulationwithArena 等以Arena仿真软件为基础的教材 成为美国制造类及工业工程类专业仿真课程的主要教材之一 如图9 10所示为Arena仿真软件的界面 Arena在制造系统中的应用主要包括 制造系统的工艺计划 设备布置 工件加工轨迹的可视化仿真与寻优 生产计划 制造系统的经济性和风险评价 制造系统改进等 精品课件 63 2 Arena仿真软件 图9 10Arena仿真软件的界面 精品课件 64 3 Extend仿真软件 Extend仿真软件由美国ImagineThat公司开发 1988年进入市场 它基于Windows操作系统 采用C语言开发 可以对离散事件系统和连续系统进行仿真 且具有较高的灵活性和可扩展性 Extend采用交互式建模方式 具有二维半动画仿真功能 利用可视化工具和可重用的模块组快速构建系统模型 精品课件 65 3 Extend仿真软件 Extend软件的应用涉及制造业 物流业 交通 军事等领域 具体应用包括半导体生产系统调度 钢铁企业物流系统规划 生产系统性能优化等 通过对系统绩效指标的仿真分析 可以直观地评价和改进影响系统性能的因素 以实现系统最佳的配置 运行模式或经营策略等 如图9 11所示为Extend仿真软件的界面 精品课件 66 3 Extend仿真软件 图9 11Extend仿真软件的界面 精品课件 67 4 Witness仿真软件 Witness是英国Lanner集团开发的仿真软件 它的应用领域包括汽车工业 化学工业 航空 运输业等 涵盖离散事件系统和连续流体系统Witness的主要特点有 采用面向对象的建模机制 交互式建模方法 提供了丰富的模型运行规则和灵活的仿真策略 可视化 直观的仿真显示和仿真结果输出 良好的开放性 如图9 12所示为Witness仿真软件的界面 精品课件 68 4 Witness仿真软件 图9 12Witness仿真软件的界面 精品课件 69 5 AutoMod仿真软件 AutoMod是美国BrooksAutomation公司的产品 它由仿真模块AutoMod 试验及分析模块AutoStat 三维动画模AutoView等部分组成 适合于大规模复杂系统的计划 决策及其控制试验 AutoMod