第9章自动化制造系统的计算机仿真及汇总

1、第9章自动化制造系统的计算机仿真及优化主讲 李倩云2014年9月9.1 计算机仿真的概述9.1 计算机仿真的概念9.1.1 仿真的基本概念9.1.2 计算机仿真的发展历程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仿真对大家并不陌生，那大家来举例说说，你所知道的仿真有哪些？沙盘推演军事演习气象模拟预测制造系统的设计9.1.1 仿真的基本概念仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个存在或设计的系统。根据仿真与实际系统配置的接近程度：全物理仿真 半物理仿真 计算机仿真全物理仿真采用与实际系统相同配置的部件或子系统来实现对系统的试验研究以分析系统的

2、性能计算机仿真根据已有的信息和知识（如数学/物理规律），在计算机上建立实际系统的计算机模型，并对其进行实验研究的仿真。半物理仿真介于全物理仿真与计算机仿真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者子系统去部分代替计算机所构成的仿真。计算机仿真（对象：计算机模型）满足要求半物理仿真（对象：计算机模型/物理模型/实务）满足要求满足要求全物理仿真(对象：物理模型/实物)结果分析修正修正修正NYNNYY分析设计阶段（软件级）部件及子系统研制阶段（软件硬件级）实时仿真系统研制阶段（硬件级)实时仿真“”计算机仿真除理论推导和科学实验外的人类认识自然和改造自然的第三种方法具有经济、安全、可重复和

3、不受气候、场地、时间限制的优势9.1.2 计算机仿真的发展历程1. 1947年第一台通用电子模拟计算机的研制成功,计算机仿真开始崭露头角。 20世纪40年末期和50年代的主要是利用电子模拟计算机对连续系统进行仿真，涉及到自动控制，航天等领域。冯诺依曼ENIAC9.1.2 计算机仿真的发展历程2.20世纪60-70年代是仿真理论发展最快的时期，仿真建模理论，仿真方法，仿真通用语言及仿真工具的研究都有很大进展。20世纪70年代以来,广泛用于连续系统和离散系统的仿真。3.近20年，仿真技术已经从传统的工程领域扩展到了非工程领域，如社会经济系统，环境生态系统，生物医学系统，教学训练系统。9.1.3 计

4、算机仿真的特点仿真模型是从实际系统中抽象出来的计算机仿真给出的是由实验选出的较优解计算机仿真结果的可信度与仿真模型、仿真方法和仿真实验输入数据有关问题的提出是否可用数学分析方法解决？是否可用仿真方法解决？是否可用物理实验方法解决？直观决策数学分析方法物理实验方法仿真方法NYYYNN研究方法的流程选择9.1.4 计算机仿真的意义（）可以替代许多难以开展或无法实现的实验（）可以解决一般理论方法难以求解的大型系统问题（）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（）可以避免实际实验对生命和财产的危害（）可以缩短实验时间，并不拘于时空的限制9.1.5 自动化制造系统计算机仿真的作用设计

5、决策 关注制造系统结构，参数和配置的分析，规划，设计与优化选择系统的最佳结构和配置方案运行决策 关注系统过程中的生产计划，调度和控制选择较好的调度方和选择合理高效的作业计划设计决策在生产一定时，制造系统所需机床，设备，工具以及操作人员的类型数量；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；缓冲区及仓库容量的确定；加工车间的最佳布局；企业及车间的最佳布局；生产线的平衡分析及优化；设计决策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；运行策略给定生产任务时，制定作业计划，安排作业班次；制定采购计划，是采购成本最低；优化车间生产控制及调度策略；企业

6、制造资源的调度，提高资源的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自动化制造系统计算机仿真优点采用仿真实验新的设计方案，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，物流系统是否合理无需消耗大量资源；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延续时间，深层次地揭示制造系统本质特征；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；自动化制造系统计算机仿真优点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

7、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。9.2 计算机仿真的基本理论及方法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9.2.2 计算机仿真的一般过程9.2.3 离散时间系统仿真的基本技术9.2.1 仿真建模的基本理论1.模型就是对真实系统中那些游泳的和令人感兴趣的特性的抽象、简化与描述。分类: 物理模型 数学模型 物理-数学模型2.建模过程的信息来源建模是对真实系统在不同程度的抽象。（1）目标和目的（2）先验知识（3）试验数据28 建 模 模 型 应 用 目 的 达 到 否 ？ 数 据 目 标

8、先 验 知 识 图2.1 数学建模的信息源 1目标和目的 2先验知识 3试验数据 9.2.1 仿真建模的基本理论3.建模方法（1）数学规划（2）图与网络方法（3）随机理论方法（4）通用仿真语言建模方法（5）图形建模方法9.2.1 仿真建模的基本理论3.建模方法模型的可信度 对真实系统描述的吻合程度一个模型的可信性可以根据获得它的困难程度分为：（1）在行为水平上的可信性，即模型是否能复现真实系统的行为；（2）在状态结构水平上的可信性，即模型能否与真实系统在状态上互相对应。通过这样的模型可以对未来的行为作唯一的预测；（3）在分解结构水平上的可信性，即模型能否表示出真实系统内部的工作情况，而且是唯一

9、的表示出来9.2.1 仿真建模的基本理论建模的一般过程 模 型 构 造 演 绎 分 析 可 信 度 分 析 目标协调 归纳程序 先 验 知 识 最 终 模 型 目 的 数 据 9.2.2 计算机仿真的一般过程建模与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问题描述与需求分析定研究目标和计划建立系统的数学模型模型的校核、验证及确认数据采集1.数学模型与仿真模型的转换9.2.2 计算机仿真的一般过程建模与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仿真实验设计仿真实验仿真数据处理及结果分析7.优化和决策 实实 际际 系系 统统 建建模模与与形形式式形形 式式 建建 模

10、模 可可 信信 否否 ？ 仿仿 真真 建建 模模 程程 序序 设设 计计 仿仿 真真 模模 型型 校校 验验 正正 确确 否否 ？ 仿仿 真真 运运 行行 仿仿 真真 结结 果果 分分 析析 正正 确确否否 ？ 结结 束束 开开 始始 Y N Y N Y N 9.2.3 离散事件系统仿真的基本技术1.离散事件系统及其模型分类离散事件系统是指系统状态在某些随机时间点随机时间点上发生离散变化的系统。它与连续系统的主要区别在于：状态变化发生在随机时间点上。这种引起状态变化的行为称为“事件”，因而这类系统是由事件驱动事件驱动的；而且，“事件”往往发生在随机时间点上，亦称为随机事件随机事件，因而离散事件

11、系统一般都具有随机特性；系统的状态变量往往是离散变化的。9.2.3 离散事件系统仿真的基本技术2.离散事件系统建模的基本要素实体属性状态事件事件点活动进程仿真时钟规则（1）实体（Entity）实体是描述系统的三个基本要素之一。连续系统一样，离散事件也是由实体组成的。在离散事件系统中的实体可以分为两大类：临时实体和永久实体。临时实体:在系统中只存在一段时间的实体称为临时实体。这类实体是由系统的外部到达并进人系统的，然后通过系统，并最终离开系统。（2）事件（Event）引起系统状态变化的行为称为事件。它是在某一时间点的瞬时行为，从某种意义上来说，系统是由事件来驱动的。事件不仅用来协调两个实体之间的

12、同步活动，还用于各个实体之间传递信息。（3）活动（activity）离散事件中的活动，通常用于表示两个可以区分的事件之间的过程，它标志着系统状态之间的转移。把实体所做的、或对实体施加的事件称为活动，它是实体在两个事件之间保持某一个状态的持续过程。（4）进程（process）进程由若干个事件及若干个活动组成，它描述了事件及活动之间的相互逻辑关系及时序关系。（5）仿真钟(simulation clock)仿真钟用于表示仿真时间的变化，在连续系统中，仿真时间的变化基于仿真步长的确定，可以是定步长，也可以是变步长。仿真钟可以跨过这些“不活动”周期，从一个事件发生时刻直接推进到下一个事件发生时刻，仿真钟

13、的推进呈现跳跃性，推进的速度具有随机性可见，仿真模型中时间控制部件是必不可少的，以便按一定的规律来控制仿真钟的推进。9.2.3 离散事件系统仿真的基本技术2.离散事件仿真程序的基本结构变量/实体属性和系统状态初始化子程序仿真时钟事件列表定时子程序事件子程序仿真数据处理与分析子程序43排队论（queuing theory） 离散事件系统建模方法之一离散事件系统建模方法之一 排队论（排队论（queuing theoryqueuing theory） 1918年，丹麦工程师Erlang提出用概率方法研究电话的通话 过程，既而形成排队论理论。 排队论是研究排队现象的理论，也称随机服务系统理论。 目前，

14、排队理论已经在运输、城市交通、货物装卸、仓储、 生产任务分配、服务系统设置、医疗等领域得到应用。44排队论（queuing theory） 排队论在制造系统的建模始于70年代末。1977年，Solberg 首次提出FMS系统的闭排队网络模型，之后排队论在制造系 统中得到较多地研究及应用。 以柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）为例： 排 队 论 可 考 虑 F M S 中 不 同 工 件 竞 争 同 一 台 机 床 时 的 相 互 作用 和 阻 塞 现 象 ， 分 析 系 统 的 不 确 定 性 和 动 态 性 ， 研 究 如 何 合理安排工件和机

15、器，使机床效率最高、工件等待时间最短。45排队论（queuing theory） 排队论能考虑系统的随机因素及阻塞状态，得到平均队列长 度、系统平均生产率、机床利用率等系统动态性能指标，可 用于FMS的规划、设计和性能分析。 例 如 ： 吴 启 迪 等 将 排 队 网 络 模 型 用 于 上 海 第 四 机 床 厂 箱 体 零 件 F M S 的 方 案 规 划 评 价 、 生 产 性 能 的 稳 态 性 能 评 估 以 及 生 产 率的灵敏度分析，取得了较好的效果。 缺点缺点：排队论模型没有考虑系统的实际布局，且假设机床加 工时间等参数符合某种标准分布规律，缺少科学性， 仅适合于对FMS作初

16、步的统计分析。46排队论（queuing theory） 排队系统的组成：排队系统的组成： 顾客顾客：等待服务的对象 服务台（服务员）服务台（服务员）：提供服务的机构、设备或人 服务时间服务时间：顾客占用服务台的时间 排队规则排队规则：顾客排队等待服务的次序 服务规则服务规则：服务台为顾客提供服务的规则 排队队列排队队列：按照一定排队规则排列的顾客群47排队论（queuing theory） 排队论基本模型：排队论基本模型：到达服务台服务台顾客顾客离开排队规则排队规则排队队列排队队列服务规则服务规则 到达过程到达过程：描述顾客的来源、类型及进入排队队列的方式 顾客可以是有限的，也可以是无限的；

17、 顾客可以是单个的，也可以是成批的； 顾客到达的时间间隔可以是确定型的，也可以是随机的； 顾客到达之间可以是独立的，也可以是关联的.5/4/202248排队论（queuing theory） 排队规则排队规则：选取服务对象的方法 损失制损失制：若服务台被占用，则到达顾客自动离去； 等待制等待制：服务台被占用时，到达顾客进入队列等待服务 混合制混合制：上述二者的结合，如根据队列长度、服务时间的 限制等，顾客作出决定服务规则服务规则 先到先服务（FIFS）：也称先进先出（FIFO） 后到先服务（LIFS）：也称后进先出（LIFO） 按优先权服务：根据队列中顾客的重要程度选择最先服务者 随机服务：由

18、服务员随机选择服务对象5/4/202249排队论（queuing theory） 服务机构服务机构：服务台的数目、服务台的排列方式服务时间分 布等 单一服务台： 多道服务台： 串、并联服务台：50排队论（queuing theory） 网络服务台：2411320.40.60.50.551 排队论（queuing theory） 排队论的性能指标：排队论的性能指标： 顾客在系统内的平均等待时间顾客在系统内的平均等待时间 排队论的目标：研究排队系统的运行效率，评估服务质量，确定系统参数的最优值，判断系统结构是否合理。 等待时间是指从顾客到达到开始接受服务的时间间隔 顾客在系统中花费的总时间总时间等待时间等待时间服务时间服务时间