自动化制造系统的计算机仿真及优化

1、第9章 自动化制造系统的计算机 仿真及优化,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,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。

2、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,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,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

3、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,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,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,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,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,9.1.1 仿真的基本

4、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,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

5、)。 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,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,9.1.1 仿真的基本概念,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

6、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,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,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

7、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,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,9.1.5 自动化制造系统计算机仿真的作

8、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,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,

9、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,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

10、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,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,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.

11、 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,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,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

12、。 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,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,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

13、以及轮船模型都属于物理模型,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,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,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

14、信息来源：目标和 目的，先验知识，试验数据。（书中解释,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,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

15、（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,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,9.2.2 计算机仿真的一般过程,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,9.3.1 总体布局研究,自动化制造系统在规

16、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,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

17、再根据仿真结果 对设计方案进行修改完善,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,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

18、选择刀 具的决策点；刀具选择中央刀库中刀位的决策 点等,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,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

19、 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,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,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

20、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,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,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

21、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,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,9.4 面向制造系统的仿真软件

22、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 9.4.4 ProModel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,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

23、仿真的程序语言（如GPSS、 GASP、SIMSCRIPT等）编制仿真程序,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,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

24、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,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,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

25、，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,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,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,离散事件系统的通用仿真语言GPSS （General Purpose Simulati

26、on System）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,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,1. Flexsim仿真软件,Flexsim是美国Fle

27、xsim Software Products 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,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、

28、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,1. Flexsim仿真软件,图9.9 Flexsim仿真软件的界面,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,2. Arena仿真软件,Arena是美国System Modeling Corporation 研发的仿真软件，1993年进入市场，现为美 国Rockwell Softwar

29、e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,2. Arena仿真软件,Arena软件在仿真领域具有较高声誉， Introduction to Simulation using SIMAN以及 Simulation with Arena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。 Aren

30、a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,2. Arena仿真软件,图9.10 Arena仿真软件的界面,3. Extend仿真软件,Extend仿真软件由美国Imagine That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,3. Extend仿真软件,Extend软件

31、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,3. Extend仿真软件,图9.11 Extend仿真软件的界面,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,4. Witness仿真软件,图9.12 Witness仿真软件的界面,5. AutoMod仿真软件,AutoMod是美国Brooks Automation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