制造系统课件

第一章緒論1-1研究和發展製造系統的意義1-2發展製造系統技術的基礎1-3製造系統的發展歷史與現狀

1-4製造系統的發展趨勢

1-5本課程的主要內容1-1研究和發展製造系統的意義

隨著科學技術的進步和社會經濟的發展，“製造”已由個人行為和孤立機器完成的簡單過程演變為必須由眾多製造要素組成的製造系統來完成的複雜工程。從系統科學與工程的角度看，完成現代製造任務的製造主體正在從簡單系統發展為複雜大系統，具體體現在以下三方面：

1．結構複雜性

從製造領域自身的發展看，製造主體（如製造企業等）作為一個系統不但規模不斷擴大，而且結構日趨複雜。在手工業生產時代，產品的設計、加工、裝配和檢驗基本上都由個人完成，如果講系統，這時的製造系統規模小、結構簡單、易於駕馭。

18世紀的西方工業革命，雖然有力促進了製造技術和製造裝備的發展，但製造作為系統仍很簡單。1．結構複雜性

到了19世紀中葉後的大批量生產時代，通過勞動分工實現作業專業化，在機械化和電氣化技術支撐下，進行流水線方式生產，形成了較大規模的製造系統，但此時製造系統的結構卻並不複雜，其分析設計、資訊處理、管理控制等問題也相對易於處理。

1．結構複雜性

到了20世紀後半葉特別是近三十年來，市場需求朝多樣化方向發展且競爭加劇，迫使產品生產朝多品種、變批量、短生產週期方向演進，由此形成柔性製造、電腦集成製造、敏捷製造等先進製造模式，按此構成的現代製造系統不但規模龐大，而且結構十分複雜，系統的分析與綜合已具有相當的難度，系統的優化管理控制問題更是難以解決，已成為全球範圍內具有挑戰性的課題。

2．關聯複雜性

系統科學性：隨著電腦技術和資訊技術的發展，製造系統內部各組成環節間的資訊聯繫以及製造系統與外部環境的資訊聯系，在廣泛性和複雜性方面均在不斷加強，系統中資訊交換、資訊處理的速度亦在迅速提高，從而使製造系統中各組成環節間的相互作用、相互依賴以及環境對製造系統的影響日益加強，“牽一發而動全身”的效應日益凸現。因此，注重關聯，把握全局在製造過程中將變得越來越重要。這些結果使得製造活動和製造過程呈現出越來越強的系統科學性。2．關聯複雜性

學科綜合性：相關學科的理論與方法日益向製造學科滲透，對製造學科和製造系統的發展產生了深刻的影響。在製造系統的底層，機電一體化的製造裝備和加工系統，大幅度提高了製造過程的柔性和效益；在管理控制層，隨著電腦技術、現代管理理論和控制方法的應用，使製造系統的管理與控制不斷發展、不斷創新，走出了從MRP、MRPII到ERP的發展歷程；在全局上，系統科學與工程的理論與方法使製造領域廣大人員的思維模式、分析問題和解決問題的方法等都正在發生深刻的變化。3．環境複雜性

我國的經濟體制正在從計劃經濟向社會主義市場經濟轉軌，眾多製造企業失去了計劃經濟時代政府主管部門下達的計畫指令。從系統與控制的角度看，即製造系統沒有了確定的輸入資訊。

隨著全球經濟一體化進程的加快，國際市場需求不僅變化極快，而且還難以預測。這些不僅造成製造系統輸入資訊和運行環境的隨機性越來越大，而且還要求製造系統的回應速度不斷提高。對策：改變觀念

由於上述眾多因素的影響，“製造”正在由輸入確定、過程和環境穩定、輸出少變的簡單系統演變為輸入隨機、過程和環境動態變化、輸出和狀態多變的複雜大系統。工程界和教育界都越來越清楚地認識到現代製造已成為一個複雜的系統工程，如果僅從孤立的製造方法、製造技術、製造工具和製造設備等方面去孤立地研究製造過程，將無法從全局上使“製造”這樣一個複雜大系統運行於最優狀態，發揮出最佳效益。

對策：加強製造系統研究與發展

因此，面對上述現實，我們必須將“製造”作為複雜大系統來對待，加強從系統科學、資訊技術與製造工程相結合的角度對現代製造過程進行研究，通過資訊、控制與製造相融合的方法對製造系統的內在規律進行分析，努力探索先進的製造系統模式、體系結構和優化運行技術，從而從全局的角度促進製造科學、製造系統和製造工業的發展。

對策：加強製造系統教學

同時，從教育的角度看，作為製造領域的高級專門人才――製造專業的本科生和研究生必須掌握製造系統的理論與技術，以從系統科學與工程的高度對現代製造過程有深刻的理解與把握，才能在今後的研究工作、技術工作和管理工作中更好地駕馭全局，為製造工業和國民經濟的發展做出更大的貢獻。

這也是開設本課程的目的。

1-2發展製造系統技術的基礎1.先進製造模式和相關理論製造模式決定了製造系統的體系結構、運行原理以及管理和控制方法，因此，要對現代製造系統進行深入研究，要使現代製造系統技術的發展保持正確的方向，就必須以先進製造模式為基礎，以正確、先進的理論為指導。

1-2發展製造系統技術的基礎2.先進製造技術與裝備製造技術與製造裝備是構成製造系統的重要元素，要使製造系統發揮出高效益，必須有先進製造技術和先進製造裝備作為支撐。例如,柔性製造系統和電腦集成製造系統的發展,必須以數控加工技術和先進數控機床為基礎。1-2發展製造系統技術的基礎3.系統科學理論與系統工程技術

製造系統屬於複雜大系統，並且為典型的離散事件動態系統（DiscreteEventDynamicSystem，簡稱DEDS），其狀態變數數目巨大，不確定性因素和隨機性影響突出，非線性和混沌（chaos）現象嚴重。因此，製造系統研究、開發和應用中所涉及的許多問題，都必須從系統科學與工程的高度去分析和解決。1-2發展製造系統技術的基礎4.現代管理控制理論與技術

一方面，要使已有的製造系統運行於最佳狀態，發揮出最佳效益，必須採用有效的管理控制理論、模式和方法；另一方面，要研究、開發性能優良的新型製造系統，也必須十分重視其管理控制子系統的研究開發。在管理控制子系統的研究開發中，最重要的就是要研究適合先進製造系統的新的管理控制理論與技術。1-2發展製造系統技術的基礎5.電腦與資訊技術

現代製造系統的研究開發和運行已越來越多地與電腦和資訊技術相融合。例如，製造系統研究中建立的複雜數學模型必須借助電腦進行分析和求解，製造系統的開發過程通常都要使用電腦進行仿真分析，製造系統的運行則更是需要通過先進的電腦系統和網路通訊系統進行資訊化管理和數字化控制。

1-3製造系統的發展歷史與現狀

1.從技術層面看

經過數十年的發展，製造系統技術在總體上已形成基本的體系，並在實際應用中發揮著越來越重要的作用。

第一階段：剛性製造系統

本階段在20世紀50年代前已基本形成。

第二階段：單機柔性加工系統

開始於20世紀50年代初，到70年代已基本成熟。

1-3製造系統的發展歷史與現狀

第三階段：多機柔性加工系統

出現於20世紀60年代末，70年代以後得到快速發展，如直接數控（DNC）加工系統、柔性製造單元（FMC）、柔性製造系統(FMS)、柔性加工線（FML）。

第四階段：電腦集成製造系統

20世紀80年代以來得到迅速發展

其特徵是製造全過程的系統性和集成性，以解決現代企業生存與競爭問題。1-3製造系統的發展歷史與現狀

第五階段：跨企業和全球製造系統

20世紀末提出，正在成為21世紀的發展方向。

基本概念是:根據全球化的產品需求，通過網路協調和運作，把分佈在世界各地的製造工廠和銷售點聯接成一個整體，從而能夠在任何時候與世界任何一個角落的用戶或供應商打交道，由此構成具有統一目標的在邏輯上為一整體而物理上分佈於全世界的跨企業和跨國製造系統。

1-3製造系統的發展歷史與現狀

2.從學科發展看

製造系統誕生於20世紀70年代後期的日本。京都大學人見勝人（HitomiK.）教授發表著作《ManufacturingSystemEngineering》。

在美國，麻省理工學院90年代初即開設有製造系統課程，並出版了專著。

在西歐，一些一流大學亦開設了製造系統課程。總之，製造系統已成為國外一流大學相關專業和學科的科研與教學工作的重要組成部分。

1-3製造系統的發展歷史與現狀

在我國，製造系統的研究和應用起步也較早，20世紀80年代中就已有柔性製造系統（FMS）在生產實際中應用。但製造系統作為一個學科和技術領域，在國家支持下開展有組織的深入系統研究和應用，是開始於國家的863計畫。以CIMS為代表的研究專案十幾年來取得一大批成果，並在許多類型的企業中得到廣泛應用，有力推進了我國製造系統技術的發展。1-3製造系統的發展歷史與現狀

清華大學製造工程研究所在多年製造系統研究和應用實踐積累的基礎上於1989年率先在國內為研究生開出《現代製造系統》課程。當時正值我國國企改革啟動階段，製造企業面臨巨大的市場壓力，迫切需要利用製造系統知識解決企業面臨的生產經營與管理問題。課程開出後受到企業和學生的歡迎。1-4製造系統研究和應用的發展趨勢

1.對無人製造自動化進行了反思，提出了“人機一體化製造系統”的新思想。

2.智能製造系統將是未來製造系統的重要發展方向之一。3.單元級製造系統的研究仍然佔有很重要的地位。4.平臺技術的研究與平臺軟體的開發是近年來制造系統發展的主要動向之一。

1-4製造系統研究和應用的發展趨勢

5.現代製造模式的提出和研究，直接推動著製造系統的發展。6.分佈式控制將是未來製造系統管理控制的重要發展方向之一。7.一種新的製造觀即資訊製造觀正在孕育和發展之中。8.實施可持續發展戰略正在成為製造系統發展的必然趨勢。

1-5本課程的主要內容

作為機械工程及自動化專業的專業課，《製造系統》將從系統科學的角度對現代製造過程進行研究，通過資訊、控制與製造相融合的方法對製造系統的內在規律進行分析，以近十年來國際上製造系統領域的最新發展和我國在此領域的研究、開發和應用成果為案例，按照工程學科教學的客觀規律和現代人才培養的要求實施教學。

1-5本課程的主要內容

本課程內容分四個層次：1.基礎理論：製造系統的基本概念、理論基礎、體系結構；2.系統分析與綜合：現代製造系統分析與綜合的主要方法；3.管理與控制：製造系統的運行管理、調度控制和過程控制；4.資訊環境：從資訊與製造相融合的角度，介紹製造系統優化運行的資訊環境。

1-5本課程的主要內容

通過本課程的教學，力圖使機械工程及自動化專業的本科生掌握製造系統的理論基礎與體系結構、管理與控制技術、分析與設計的基本方法，提高從系統的角度分析問題和解決問題的能力，為將來從事現代製造系統的分析與設計、管理與控制等方面的工作打好基礎。在學習本課程時，應聯繫實際，在掌握理論知識的同時，逐漸學會從系統的角度去看待製造、研究製造、把握製造、發展製造。

第二章製造系統的基本概念2-1概述2-2製造過程2-3製造模式2-4製造系統2-5製造系統的重要課題2-1概述

本章介紹系統與製造系統的定義和基本概念，以及製造過程、製造模式等與製造系統密切相關的一些基本概念，在此基礎上進一步討論製造系統研究、開發和應用中的主要問題。

討論順序：製造過程

製造模式

製造系統

製造系統問題。

(1)製造過程：小製造大製造

(2)製造模式：基本概念與典型製造模式

(3)製造系統：系統製造系統

(4)製造系統研究和應用中的重要課題

製造過程是組成製造業的基本環節。

製造業是將可用資源，通過製造過程，轉化為可供人們使用或利用的工業品或生活消費品的行業。它涉及到國民經濟的很多行業，如機械、電子、輕工、化工、食品、軍工、航太等。因此，製造業是國民經濟的支柱產業，對綜合國力的提高具有舉足輕重的作用。

隨著技術的進步和生產力的發展，對製造過程的定義也產生了較大的變化。

2-2製造過程一、“小製造”概念及製造過程定義

1.

“小製造”概念：

“小製造”是指傳統的“機械製造”，重點是加工和裝配。

2.

“小製造”概念下，製造過程的定義為：

製造過程是通過機器和工具將原材料轉變為有用產品的過程。

3.

“小製造”概念下製造過程的定義主要強調的是工藝過程。

2-2製造過程二、“大製造”概念及製造過程定義

1.

“大製造”概念：

“大製造”是指產品生命週期中，從供應市場到需求市場整個供需鏈中的所有活動。

2.

“大製造”概念下，製造過程可定義為：

製造過程是將製造資源（包括製造資訊、原材料、能源等）轉變為可用產品並保證其正常使用的過程。

3.“大製造”概念下製造過程的定義強調的是產品的整個生命週期過程。

2-2製造過程

根據“大製造”概念的製造過程定義，製造過程不僅包含了物質的轉化，而且還包含了資訊向物質的轉化，即資訊的物化。顯然，這必須通過基於資訊的管理和控制來實現。同時，製造過程的輸出不僅是產品，而且還包括為保證產品正常使用所進行的服務等。

從資訊的角度看，製造過程實質上是一個使原材料的熵降低，使產品資訊含量增高的過程。4.“大製造”概念下，資訊對製造過程的完成起著重要作用下部的方框主要表示物質的轉化過程，上部的長方形框主要表示資訊的處理過程，上下兩部分間的箭頭表示資訊對物質轉化過程的作用，由此實現資訊到物質的轉化。

大製造概念下製造過程的組成框圖

由於產品製造過程的綜合性，製造過程又可分為：

·基本製造過程：指直接將生產對象轉換成產品的製造過程，其中加工、裝配一般稱為製造工藝過程。

·輔助製造過程：指為保證基本製造過程正常進行的各種輔助產品的製造過程，如工裝的設計製造等。

·製造服務過程：指為基本製造過程和輔助製造過程中各種生產活動服務的過程，例如設計、採購、外協等。

·附屬產品製造過程：在製造本系統主要產品的同時，一些附屬產品的製造過程。一、製造模式的基本概念

1.

製造模式的定義：

製造模式是指企業體制、經營、管理、生產組織和技術系統的形態和運作的模式。

2.製造模式的意義：

製造過程的運行、製造系統的體系結構以及製造系統的優化管理與控制均受制造模式的制約，必須遵循製造模式確定的規律。因此，對製造模式進行深入研究，為製造系統建立先進的製造模式對提高系統的總體效益具有重要意義。

2-3製造模式二、典型製造模式1.剛性製造模式2.柔性自動化製造模式

3.電腦集成製造模式4.敏捷製造模式5.JIT製造模式

JIT（JustInTime）是日本豐田汽車公司提出的一種製造模式。

JIT模式按“拉”式(Pull)方式組織生產。前一道工序工件庫存量不是由預先制訂的生產計畫確定，而是當後一道工序發出請求後，該庫存才存在。因此庫存量極少，理想狀態為零。

MC(ManufacturingCenter)：製造中心，OH(OutputHopper)：輸出記憶體，BB(BulletinBoard)：佈告牌。基於JIT模式的製造單元

一、系統

1.系統的定義

系統是由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合的具有特定功能的有機整體。

2.系統的基本特徵第一，系統是由若干元素組成的；第二，這些元素相互作用、相互依賴；第三，由於元素間的相互作用，使系統作為一個整體具有特定的功能。

2-4製造系統例1：簡單構件組成高性能系統在建築機械和結構工程中，常採用由簡單構件組成的各類桁架系統。在這種力學系統中，通過組成要素間的合理聯接，可以從整體上表現出很高的力學性能。例2：低精度元件組成高精度系統在電腦等數字設備中，採用以“0”和“1”兩個狀態工作的電子器件，通過非線性方法相聯接，組成了高精度數位化系統。3.系統的目標—提高總體性能1.製造系統的定義

按一定製造模式將製造過程所涉及的各種相互關聯、相互依賴、相互作用的有關要素組成的具有將製造資源轉變為有用產品這一特定功能的有機整體，稱之為製造系統。

2.製造系統的要素組成製造系統的要素不僅包括人員和生產設備、材料、能源及各種輔助裝置等“硬體”，還包括製造理論、製造技術（製造工藝和製造方法等）和製造資訊等有關“軟體”。

二、製造系統3.製造系統的基本類型

根據產品性質和生產方式不同，製造系統可分為兩大類：(1)連續型製造系統

如石油、化工產品製造系統。(2)離散型製造系統

如機床、汽車、家電產品製造系統。

本課程僅涉及離散型製造系統。4.製造系統的典型結構

5.

提高製造系統總體性能的途徑

注重關聯，把握全局，尋求總體優化影響關聯的因素：

(1)硬體：系統結構

(2)軟體：系統資訊影響全局與總體的因素：

(1)系統運行管理與控制

(2)系統模式、指導思想一、系統分析與綜合

1.

製造系統分析

製造系統的分析是指通過理論方法、仿真方法、實驗方法等對已有或處於設計階段的製造系統進行分析，以瞭解該系統的行為舉止和運行規律，並獲取該系統的某些性能指標。系統分析的目的往往是為了對系統進行改進、對系統的運行進行優化，或作為系統設計中的一個環節（如對待建系統的性能進行評估）。

製造系統分析已有較多方法。其中電腦仿真方法應用較多。無論採用那種方法對製造系統進行分析，最關鍵的問題，就是建立系統的模型。

2-5製造系統的重要課題2.製造系統綜合

系統綜合就是根據已知的對系統各方面的要求，通過系統科學的理論和方法，產生一滿足所給要求的新系統。在很多情況下，這一過程是從無到有產生一符合給定要求的新系統。在有些情況下，也可在現有系統基礎上，通過系統校正、系統重構等方法產生出比原系統性能更優良的新系統。

這一過程可看作為一種變換與處理過程，它在有關參考模型（如製造模式，管理範式等）的支持下，在相關資訊的支持下，由系統設計人員借助於電腦和有關軟體系統，對輸入資訊（對未來新系統的要求）進行變換、處理，最後產生輸出資訊（對未來新系統的描述）。

一、系統分析與綜合

製造系統綜合的實現過程分階段處理

製造系統的設計需通過從粗到精、由宏觀到微觀、由全局到局部的多階段。是一個從需求出發，逐步細化，最終滿足要求的過程。迭代求解

由於在每一個實施階段中，所要解決的問題往往仍很複雜，而且很到問題是非結構化的。因此這些設計階段中很多具體問題的解決，往往還需通過反復迭代、逐步獲解。

製造系統綜合方法：分階段迭代設計二、系統管理與控制

製造系統的管理與控制是根據給定的目標和要求，發揮人的智慧，利用電腦作為手段，對製造系統的運行過程進行合理控制，達到優化生產的一門技術。

管理：上層，宏觀，分析決策為主，即時性低；如經營管理、計畫控制、靜態調度等。控制：底層，微觀，計算調節為主，即時性高；如動態調度、過程控制、設備控制等。2-5製造系統的重要課題

從狹義角度看，製造系統管理與控制是通過對製造過程中的物料、人力、設備等生產資源的合理計畫、調度與控制，以縮短產品的製造週期，減少在製品，降低庫存，提高生產資源（特別是主要設備）的利用率，最終達到提高生產率的目的。

從廣義上講，管理控制系統的控制對象是製造系統運行中所涉及的所有過程。它包括從輸入生產要素開始到輸出產品和為用戶服務的全過程，除涉及生產資源外，還包括對市場（銷售市場、供應市場）、財務（資金來源與支出）和工程設計（產品結構和工藝路線的設計與工程設計改變）等的管理。

製造系統管理與控制的涵義數

據

庫反饋信息市場銷售生產過程執行層控

制戰術層控制戰略層控

制指令訂單產品資訊流能源流物料流備件製造系統管理控制的實現過程

在現代製造系統中，一方面生產過程必須按照製造模式確定的規律運行，即生產過程的運行是受制造模式約束的，另一方面，管理控制系統也將通過資訊與生產過程進行溝通並左右生產過程的運行（施加影響）。

按照控制工程的觀點，控制=約束+資訊，因此可以認為，製造系統的管理也是一種控制。

管理控制的特殊性：對象為DEDS，資訊處理量比一般自動控制大得多，系統狀態空間的維數和變數的個數也比一般自動控制系統大得多。

現代製造系統的管理與控制必須強調人的作用，最好的製造管理控制系統應是人機最優組合的系統。

製造系統管理控制的特殊性第三章製造系統的體系結構與運行原理3-1概述3-2現代製造系統的總體結構3-3單元級製造系統的結構與運行原理3-4車間級製造系統的結構與運行原理3-5工廠級製造系統的結構與運行原理3-6跨企業與全球製造系統3-1概述

現代製造系統在結構上具有多樣性是造成其問題求解複雜的主要原因之一。因此，如何從總體結構方面找出所具有的共性規律，具有重要意義。製造系統的體系結構是對製造系統在總體結構方面所具有的共性規律的描述，是現代製造系統理論基礎的重要內容之一。研究體系結構的目的在於揭示製造系統在總體結構方面所具有的規律性和本質特徵，從而為解決製造系統的分析、設計、管理和控制等問題提供必要的依據。

另一方面，製造系統的複雜性還體現在它所具有的多層次性。因此，在掌握製造系統總體結構方面規律的基礎上，進一步瞭解製造系統各組成層次上的體系結構和運行規律，對於我們更好地駕馭整個製造系統亦具有重要意義。本章內容包括：（1）現代製造系統的總體結構（2）單元級製造系統的結構與運行原理（3）車間級製造系統的結構與運行原理（4）工廠級製造系統的結構與運行原理（5）跨企業與全球製造系統的結構與運行原理3-2現代製造系統的總體結構

由於現代製造系統的複雜性，要清楚瞭解其體系結構，必須從多視角去觀察。由此形成了描述製造系統體系結構的多種視圖。其中使用較多的有功能視圖、組織視圖和資源視圖。一、製造系統的功能視圖

功能視圖主要是以製造系統的功能為主線，來描述製造系統的體系結構。圖3-1現代製造系統功能的宏觀描述製造模式其他資源政策現代製造系統（運行）市場資訊客戶資訊製造物料法規標準規範輸出資訊服務合格產品廢棄物設備軟體組織圖3-1展開後，可得圖3-2所示的更詳細的功能描述。

圖3-2現代製造系統功能描述

圖3-3經營管理功能描述

圖3-4設計工藝功能描述

圖3-5生產管理功能描述

圖3-6產品生產功能描述

二、製造系統的組織視圖

組織視圖描述了製造系統的組織結構。由於製造系統的組織結構是根據製造模式確定的，而近三十年來製造模式的研究非常活躍，成果層出不窮，因此許多製造企業都採用了更為先進的製造模式，使得近年來現代製造系統的組織結構已從傳統的遞階結構發展成為多種形式的組織結構。1.遞階結構

遞階結構是最為常見的製造系統組織結構。2.分佈式結構

製造系統的一種分佈式組織結構如下圖所示。製造系統運行管理包括經營管理和宏觀生產管理，具體的生產管理權限下放給獨立製造島。

......獨立製造島的基本結構3.網路結構

4.動態聯盟結構動態聯盟組織結構是面向敏捷製造的一種新型組織結構

三、製造系統的資源視圖

製造系統的資源視圖用於描述系統內資源的構成和流動。

現代製造系統的資源主要包括資訊、物質、能量和資金等。這些主要資源在製造系統中的流動過程如圖3-12所示。

在上述幾種製造資源中，資訊流和物料流相對比較複雜，本節將對其作重點介紹。

圖3-12主要製造資源在製造系統中的流動過程

1.製造系統的物料流

2.

製造系統的資訊流3-3單元級製造系統的結構與運行原理

一、單元級製造系統的基本概念

單元級製造系統（或稱製造單元）是最基層的製造系統。從廣義上看，工段、班組、FMS、CIMS中的製造單元等，都可看作為單元級製造系統。由於單元級製造系統是組成更高級製造系統的基礎，因此建立合理的單元級製造系統，並實現單元級製造系統的優化管理與控制對於使整個製造系統發揮出高效益具有重要意義。

單元級製造系統的功能

根據上級的指令資訊和技術資訊，完成從原材料到成品的物理轉換。

單元級製造系統的基本結構可用圖3-16所示的模型表示。該系統由n個工作站（如加工工作站、清洗工作站、檢驗工作站等）、一個裝工件站（包含若干工位及工人、機器人等）、一個卸工件站（包含若干工位及工人、機器人等）、一個集中緩衝託盤站（包含若干存放託盤和零件的緩衝工位及裝卸裝置），以及m個運輸裝置（如人力運輸裝置、自動小車、搬運機器人等）等組成。二、單元級製造系統的基本結構

圖3-16製造單元的基本結構

L：

裝卸站（入）

U：裝卸站（出）

P：託盤站W：工作站

V：運輸裝置

Q：工件佇列

零件在製造單元中的流動過程如下：（1）工件（毛坯或半成品）由系統外部送入系統輸入端的輸入緩衝區中，等待進入系統；（2）由裝卸站的工人或機器人將零件（毛坯或半成品）裝上夾具和託盤，等待運輸裝置送往工作站；（3）由運輸裝置將零件送往指定的工作站前的緩衝器，等待加工；（4）由工作站的裝卸裝置（如自動託盤交換裝置、機器人等）將工作站緩衝器中的零件送上機床進行加工；（5）若零件完成所有加工工序，則由運輸裝置送往卸卡站緩衝器，等待出線，否則由運輸裝置送往下一工序工作站緩衝器或系統集中緩衝託盤站等待進一步加工，即轉向（3）；

（6）由裝卸站將已完成本次入線加工任務的工件從夾具和託盤上卸下，若該工件已完成全部加工任務，則將其出系統外，否則將其重新送回輸入緩衝區等待再次進線加工，即轉向（1）。

單元級製造系統的運行過程包括物料加工和管理控制兩條主線。

物料加工主線主要完成兩方面任務：一是完成與單元級製造系統相關的物料輸送任務，如將外部原材料輸入系統、將加工好的成品零件輸送出系統，將在製品在系統內各工作站間傳遞和輸送等；二是根據控制指令和設計、工藝要求完成零件各工序的加工處理任務。

三、單元級製造系統的運行原理

按照上級下達的生產指令，對單元級製造系統內的相關活動進行有效控制，以按規定的生產控制與管理目標高效益地完成全部生產任務。其主要內容包括：對給定生產任務的優化分批，實施單元內工作站和其他設備資源的合理分配和利用，對單元內的作業和資源進行動態調度，對系統的運行過程進行即時監控。此外，還需將單元級製造系統的運行狀況向車間級管理控制系統即時回饋。

單元級製造系統管理控制的主要任務單元級製造系統的運行過程3-4車間級製造系統的結構與運行原理

一、車間級製造系統的功能

車間級製造系統的基本功能是組織和管理制造單元的運行，最優完成上級下達的生產任務。

二、車間級製造系統的組織結構三、車間級製造系統的運行原理

在大製造概念下，工廠級製造系統是一個完善的製造系統，它可完成將製造資源（包括製造資訊、原材料、能源等）轉變為可用產品並保證其正常使用的全過程。

一、工廠級製造系統的組織結構

隨著製造模式的不同，工廠級製造系統的組織結構有較大差異，圖3-21所示為一種典型結構。3-5工廠級製造系統的結構與運行原理

圖3-21工廠級製造系統的組織結構二、工廠級製造系統的運行原理

3-6跨企業與全球製造系統的結構與運行原理作業：完成一份研究報告題目：適合中國國情的製造系統模式與體系結構的研究第四章製造系統的數學模型4-1概述4-2投入產出模型4-3排隊網路模型4-4活動迴圈圖模型4-5Petri網模型4-6建模中應注意的問題4-1概述一、建立製造系統模型的必要性

模型是研究系統的重要基礎。製造系統模型是對製造系統某一方面本質屬性的描述，它以某種確定的形式（如文字、符號、圖形、實物、數學公式等）提供關於該系統的知識。在製造系統研究、開發和應用中使用系統模型具有以下重要意義：

1.有利於加速新系統的研究開發

2.可降低實驗成本一、建立製造系統模型的必要性

3.有利於保證安全

4.節省時間，提高效率

5.簡化操作，易於理解二、製造系統模型的主要類型

在製造系統的研究中，應用較多的模型有物理模型和數學模型。

1.製造系統的物理模型主要有實體模型、比例模型和相似模型。

2.製造系統的數學模型主要包括解析模型、邏輯模型和網路模型。三、製造系統的數學模型

1.解析模型以一定的數學運算式去描述製造系統，它是對實際製造系統或系統某一個方面問題的數學抽象。通過解析模型，人們有可能分析系統的基本特徵和性能參數。

2.邏輯模型表示製造系統邏輯關係的模型，如方框圖、活動迴圈圖等。

3.網路模型利用網路圖來描述製造系統的組成元素以及元素之間的相互關係的模型。

一、簡介

從生產的投入和產出關係看，製造系統各生產部門（子系統）輸入輸出間的聯繫可用下圖表示。4-2製造系統的投入產出模型

製造系統各部門間的聯繫是錯綜複雜的，如何從宏觀和全局的角度去揭示現代製造系統的內在聯繫和內在規律，是現代製造系統研究、開發和應用中的重要問題之一。投入產出模型為解決這一問題提供了一條有效的途徑。投入產出模型是1978年諾貝爾經濟學獎獲得者，美籍俄羅斯經濟學家瓦西裏.列昂節夫(WassilyLeontief)在複雜經濟系統研究方面所做出的重要貢獻。

4-2製造系統的投入產出模型二、投入產出方程

三、直接投入量、部門總產量和系統最終產量間的數學關係

四、總投入量計算公式

問題的提出：

按直接消耗係數矩陣求出的投入沒有包含間接投入（間接消耗量），因而是不完全的。為此需找出求解總投入（完全消耗量）的計算公式。

總投入量計算公式推導

(1)可全面地、定量地描述製造系統各部門間產品的流動；

(2)可深刻揭示製造系統各部門間的複雜相互關係；

(3)可發現製造系統組成結構的不合理之處，進而找出結構調整的方向；

(4)有助於製造系統的合理計畫與控制，從而實現均衡協調運行，獲得總體優化。投入產出模型具有以下重要意義：一、簡介

排隊網路是對車間級和單元級等底層製造系統建模的一種常用方法。該方法所基於的理論基礎是排隊論，在對製造系統做出一定假設的基礎上，可以從宏觀角度給出製造系統某些性能指標的解析解，因此在製造系統的性能分析和規劃設計等方面得到較多應用。

4-3製造系統的排隊網路模型二、排隊現象、排隊系統與排隊網路

排隊現象：

城市交通中汽車通過路口的等待、貨物儲運中的順序裝卸、電腦系統中的多任務處理、生產車間中的作業調度等。排隊論：

一種關於排隊現象的理論。該理論揭示了排隊現象和排隊系統的內在規律，為研究排隊現象，建立合理的排隊系統，指導排隊系統的優化運行等奠定了理論基礎。排隊系統：由到達過程，排隊規則和服務機構三個基本部分組成。

到達過程：描述顧客的來源和顧客依何種方式到達排隊系統的過程。排隊規則：確定如何從等待服務的顧客中選取下一個服務對象。常見的排隊規則有：隨機服務、先到先服務、按優先順序服務。服務機構：完成對所有顧客的服務。一般一個服務機構由若干服務台組成，描述其特性的參數有：服務台數量、排列方式、服務時間分佈等。

在許多情況下，進入排隊系統的顧客有多種類型，而且所需的服務也是多種多樣的。由此產生了更為複雜的排隊系統---排隊網路，也稱為多節點排隊系統(一個服務機構被視為一個節點)。

排隊網路：可對多種顧客進行多種服務的排隊系統三、製造系統的排隊網路模型

1．製造過程中的排隊現象

2．製造系統的排隊網路模型對於製造系統中的排隊現象，同樣可以通過排隊理論進行描述和分析。例如，對於一臺或一組相同功能的加工設備對相同類型零件進行加工的情況，可用排隊系統進行描述，對於由多種類型設備組成的加工單元和車間對多種類型零件進行加工的情況，則可用排隊網路進行描述。

製造系統的排隊網路模型就是通過排隊網路來對製造系統的某些特徵和屬性進行描述。例如，利用排隊網路模型可以描述系統的宏觀運行過程，由此可瞭解系統的宏觀狀態和性能指標，如系統中各設備的繁忙程度，負荷不均勻的程度，系統的生產速度、系統的運行效率等。作為一種模型，用排隊網路對製造系統進行描述需做某些方面的假設，例如，認為零件以某種概率分佈進入系統和到達各工位（服務機構）進行加工，並且工位前的緩衝存儲空間足夠大，可以容納所有到達該工位等待加工的零件等。四、製造系統的排隊網路建模實例

排隊理論用於製造系統建模始於20世紀70年代末。柔性製造系統的排隊網路模型就是其典型例子之一。一用於加工箱體類零件的柔性製造系統（FMS）由m臺加工中心、一臺自動運輸小車、n個託盤和若干個分佈於各加工中心處的緩衝存儲裝置等組成。該FMS的工作過程為，首先將零件（毛坯或半成品）安裝於夾具上等待進入系統，當系統內送出一個加工完的零件時，裝卸人員即將其從託盤上卸下，然後將等待進入系統的新零件固定於空出的託盤上，並隨託盤一起進入系統，由自動小車運送到工藝規程規定的工位進行加工。一道工序加工完後再由自動小車運送到下一工序的加工設備處加工。若零件在該系統中的所有工序都已完成，則由自動小車將其送到系統外。

柔性製造系統的排隊網路模型加工完了的零件被毛坯或半成品所取代，系統內的工件數量為常數，等於託盤數量n。一、簡介

對於製造系統某些本質屬性的描述，目前還難以建立其精確的解析模型，因此建立系統的邏輯模型便成為分析和研究製造系統的另一種重要手段。活動迴圈圖（ActivityCycleDiagram，簡稱ACD）即為一種建立製造系統邏輯模型的有利工具。

4-4製造系統的活動迴圈圖模型

(1)實體：一個系統的邊界內部的對象，如機床、工件、夾具、小車等。

(2)屬性：實體的特徵或特性，如機床的忙態、閑態等。

(3)狀態：在某時間點上，對系統所有實體和屬性的描述。

(4)活動：導致系統狀態發生改變的進程，如機床加工零件的進程等。

(5)事件：系統狀態發生的瞬間變化，如一項活動的開始或結束、一個實體的屬性值的改變等。二、基本術語

(6)過程：由事件的時間序列及若干活動組成。三、實體行為模式的圖解描述

(1)實體的狀態：活動態(活動)，矩形框表示等待態(佇列)，圓或橢圓表示

(2)實體的行為模式：由若干個活動態與等待態交替進行的迴圈。即：任何一類實體，其狀態變化符合：∙∙∙->佇列->活動->佇列->活動->∙∙∙實體到達事件服務開始事件服務結束事件活動過程

(3)活動與佇列的類型：

a)直聯活動：如果在任何情況下，某一活動的完成，其後續活動都立即開始，則此後續活動稱為直聯活動。此時，這兩活動間的佇列稱為虛擬佇列。本例中的“準備好”佇列就是虛擬佇列。

b)合作活動：一個活動要求多於一類實體參加才能開始，則稱其為合作活動。本例中的“安裝”即為合作活動。

加工安裝工人等待準備好機床停止實體：機床、工人四、基於活動迴圈圖的製造系統建模例有一簡單加工系統，含有兩類實體：機床和工人，機床是半自動的，工人安裝工件。機床有兩種活動：“安裝”和“加工”。工人有一種活動：“安裝”。

加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=3

(1)每一類實體的數量標注圖上的圓括號中，活動週期（持續時間）標注於矩形框下方。

(2)如果一個活動要求多於一類實體參加，那麼，只有當每一實體類中至少有一個實體在該活動的緊前佇列中存在時，此活動才能開始。在本例的情況下，若活動“安裝”能開始，則必須有一個工人在佇列“等待”中和一臺機床在佇列“停止”中。如果其中之一不在而另一個在的話，則後者將被迫在佇列中等待。建立活動迴圈圖的規定：五、活動迴圈圖的特點

(1)按照實體類的行為模式建立，與實體類中的實體數量無關。因此，同一活動迴圈圖既可描述大系統也可描述小系統。

(2)活動迴圈圖與實體類型和執行活動所要求的週期無關。

(3)從圖上能立刻辨認出活動的類型，活動所要求的實體類型和數量，以及每類實體所要參加的活動。這為系統的邏輯過程討論提供了直觀、有效的基礎。

(4)活動迴圈圖模型的電腦演算法簡單，便於仿真等方法的實施。機床1機床3機床4機床2小車裝卸區成品毛坯六、活動迴圈圖建模舉例柔性製造系統佈局圖

裝工件毛坯運到裝卸站移下機床

卸工件成品外部交換開放車空機床空加工移上機床運離裝卸站上臺空上臺滿下臺滿下臺空有空等待完畢原新工件工人裝卸站託盤上臺下臺機床小車柔性製造系統的活動迴圈圖模型

第四章製造系統的數學模型4-1概述4-2投入產出模型4-3排隊網路模型4-4活動迴圈圖模型4-5Petri網模型4-6建模中應注意的問題4-5製造系統的Petri網模型一、基本概念

Petri網是CarlAdamPetri1962年提出的一種形式化系統建模和分析工具，在製造系統建模與分析方面得到了廣泛應用。

1.基本術語

(1)資源(Resource)：系統中發生變化所涉及的與系統狀態有關的因素，稱為資源。

(2)庫所(Place)：分類存放的資源及場所叫做庫所。

(3)變遷(Transition)：資源的產生、使用及消耗對應於庫所的變化稱為變遷。

為初始狀態

為輸出函數

為輸入函數

是一個有限的變遷集2.Petri網的定義定義1：一個Petri網是一個五元組其中是一個有限的庫所集定義2：Petri網的狀態向量為

M是一個函數向量

M的元素Mi為狀態變數，其值為非負整數，亦稱為令牌（Token）定義3：I(pi,tj)表示庫所pi到變遷tj

的有向弧連接

I(pi,tj)=K1

表示弧的權係數值為K1O(pi,tj)表示變遷tj到庫所pi的有向弧連接

O(pi,tj)=K2

表示弧的權係數值為K2二、Petri網的圖形表示標準的Petri網圖形中，用圓圈代表庫所，用細長方框代表變遷，用有向弧表示從庫所到變遷的輸入和從變遷到庫所的輸出。弧上的數字表示權重，庫所中的圓點或數字代表令牌數。例：由加工中心和自動小車組成的製造系統庫所：p1：小車空閒，待命出發

p2：工件（毛坯）準備好

p3：小車將工件送往加工中心

p4：加工中心加工工件變遷：t1：小車取走工件

t2：小車將工件送到加工中心·p2t1t2p3p4p1Petri網圖形表示Petri網初始狀態變遷t1發生後的狀態·p2t1t2p3p4p1····p2t1t2p3p4p1···單元級製造系統示意圖

三、製造系統的Petri網建模實例

表4-1

零件加工時間表

零件

機床P1P2P3M1350M2526M3034

單元級製造系統的Petri網模型

4-6製造系統建模中應注意的問題1.合理選擇模型類型由於現代製造系統的複雜性，隨著所研究問題的內容不同和考慮問題的角度不同，可以為其建立不同的模型。例如，研究製造系統的上層管理問題，可以採用基於規劃論的最優化模型，而解決底層的生產控制問題則採用活動迴圈圖和Petri網等模型將更為合適。因此，選擇何種類型的模型是製造系統建模的關鍵問題之一。

2.處理好“簡單”與“精確”之間的關係能否為所研究的製造系統建立一個好的數學模型，關鍵在於能否處理好兩個矛盾的因素—“簡單”和“精確”之間的關係。我們希望所建立的系統模型能夠較準確地反映所關心的主要問題。3.注意理論與實際相結合

建立製造系統的模型，將涉及多學科的基礎知識。同時，在建模過程中，各種條件及因素的取捨主要取決於要解決的問題和工程上的可能性和合理性。因此，建立良好的系統模型要有科學實驗和工程實踐的基礎。

4.模型的正確性需經實踐檢驗按工程要求建立的數學模型是在某些理想的條件下建立的，即為了使數學模型便於求解，需要忽略某些次要因素，需要把某些性能理想化。這就使得，儘管數學模型的求解過程是嚴謹的，但是由之所得到的結論卻不一定都很正確，需要在實踐中加以驗證和改進。

5.製造系統建模的基本準則

(1)必須明確定義該模型的“目的”，因為不存在一個單一的模型能適用於各種各樣的目的。

(2)必須定義將系統和外部世界相分開的“系統邊界”。

(3)必須定義各個不同的系統成分之間的“結構關係”，它要能最好地代表所期望的或觀測到的效應。

(4)在系統物理結構的基礎上，定義一組所要的“系統變數”，如果發現有某一個重要的量不能在系統變數中表示出來，則要對(3)的“結構關係”作相應的修改。

(5)系統基本成分的數學描述，如基本方程、邏輯關係等，必須能清楚表示出來。

(6)在寫下各成分的數學描述後，再通過連續性和相容性關係，把它們相互間聯繫起來。

(7)對基本的、連續性和相容性關係作進一步整理，把模型的數學形式最後肯定下來。

(8)最後，只有在經過分析，把模型和實際情況相比較，能夠與實際相符合，才算是建模成功。如有明顯差別，就得重新按上述步驟修改。第五章製造系統性能分析5-1概述5-2基於排隊理論的分析方法5-3電腦仿真分析方法5-4Petri網分析方法5-5基於隨機過程理論的分析法5-1

概述一、系統分析的目的

1.對已有系統，瞭解其靜、動態行為，求出其性能指標，以便對系統的運行狀況進行改進（如計畫、調度、控制等方面的改進）。

2.對於系統設計，作為其迭代流程中的一個環節，為方案、結構和參數優化等提供準確資訊。二、系統分析方法

1.基於排隊理論的分析方法從宏觀角度分析系統的穩態性能

2.電腦仿真分析方法詳細瞭解系統的靜動態行為，全面分析系統性能

3.Petri網分析方法從宏觀角度瞭解系統行為，分析系統性能

4.基於隨機過程理論的分析方法從統計角度分析系統的穩態和動態性能5-1

概述（續）5-2

基於排隊理論的分析方法一、系統模型工位1毛坯零件q1qmq2qm-1工位2工位m-1工位m

1.系統組成系統由M個工位組成，每個工位由多個服務台（機床、運輸裝置等）組成，第i個工位的服務台數用Si表示，第M工位為輸送工位，稱為網路的中央服務台。

2.假設條件

(1)系統是封閉的，加工完了的零件立即被毛坯所取代（由虛設工位完成），系統內的工件數量為常數，等於託盤數量N。

(2)工位前的佇列可以容納所有到達該工位的工件，即系統不會發生阻塞現象。二、系統參數

1.工位數量M2.每一工位的服務台數量Si3.託盤（工件）數量N4.訪問頻數q1，q2，…，qM

，取決於工件的加工路線，統計得出。也可假設為某種概率分佈。

q1，q2，…，qM-1

表示輸送裝置向工位

1，2，…，M-1

輸送工件的概率，

qM

表示工件加工完畢的概率。

5.工位i

的平均工作速率Wi

W1–WM-1

平均加工速率（件/分）

ti=1/Wi

平均加工時間

WM

平均輸送速率（次/分）

tM=1/WM

平均輸送時間三、系統性能分析

1.工位利用率Ui

定義1：在一個長的運行期間內，工位處於繁忙狀態的時間比例稱為工位利用率。定義2：在長的運行期間內，工位中處於繁忙狀態的服務台數量稱為工位利用率，即如果工位只有一個服務台，兩種定義等效因穩態時，工位i的輸出率應等於輸入率，即所以式中因所以將其稱為相對利用率。

2.系統生產率P

單位時間內輸出加工完畢的零件數量稱為系統生產率，其計算公式為

3.極限生產率Pm

極限生產率由系統中的“瓶頸”工位出現的飽和所限制。設“瓶頸”工位的編號為b，則其極限利用率為只有一個服務台時只有一個服務台時

“瓶頸”工位的確定：因為最易達到飽和的將是具有最大相對利用率且服務台數最少的工位，所以ri/Si

最大的工位就是“瓶頸”工位b。制造系統輸出輸入4.工件平均通過時間T

設系統內有N個工件，從穩態上看，有以下關係平均通過時間

(3)實際平均通過時間T：隨著N增加，工件開始相互競爭資源，各工位前出現排隊現象，工件通過系統所耗費的時間越來越多（因排隊等待時間越來越長）。因此，工件在系統內的平均通過時間為N的函數，即

5.系統效率

(1)暢流時間T*：工件通過各工位不需排隊，

T*等於各工序加工處理時間和輸送時間之和。

(2)理想生產率P*：理論上，如果工件互不干擾，系統內具有N個工件時，系統的理想生產率為

(5)系統效率E：

(4)實際生產率P(N)：(6)關於系統效率的評述：

E表達了實際生產率接近理想生產率的程度；

E也度量了有效生產時間（加工和輸送等時間之和）與系統內總耗費時間的比例；由於系統效率的降低是工件擁擠相互影響而引起的，因此E也是系統擁擠程度的綜合指標。5-3電腦仿真分析方法一、基本概念

1.

仿真的定義：在建立系統模型的基礎上，借助於在電腦上的實驗，對系統模型按一定規則由一個狀態變換為另一個狀態的動態行為進行描述。

2.仿真的特點：仿真是一種“人造的”實驗手段。通過仿真實驗，可以對所研究的系統進行類似於物理實驗的實驗。它與現實系統實驗的主要差別在於：仿真實驗依據的不是實際系統本身及其存在的實際環境，而是作為實際系統的映象—系統模型及其相應的“人工”環境。因此，仿真結果的正確程度取決於仿真模型和輸入數據正確反映實際情況的程度。二、製造系統仿真分析的步驟：

(1)問題描述、原始數據收集（如生產計畫、工藝路線、設備數據等）。

(2)仿真建模根據系統結構、問題描述和原始數據，建立盡可能符合實際的仿真模型。

(3)實驗設計確定仿真方案、仿真次數、仿真時間、初始狀態等。

(4)仿真運行編程、輸入參數、運行、數據統計。

(5)結果分析根據仿真運行過程的統計數據，計算系統的性能指標，如設備利用率、佇列長度、系統生產率、工件平均通過時間等。

三、基於活動迴圈圖的仿真演算法

1.輸入資訊

(1)每一活動的活動週期（持續時間），如機床的加工時間等。

(2)每一佇列的排隊規則，如FCFS、SPT。

(3)系統的初始狀態，如初始佇列長度等。

2.仿真演算法最小時鐘原則三階段離散事件仿真演算法

A階段（時鐘推進）：檢查每一活動的活動時間剩餘值，選擇最小值作為時鐘推進量，進行時鐘推進。進行數據處理和動態圖形顯示。若仿真時間未到終值，轉入B階段，否則結束。

B階段（狀態更新）：檢查每一活動，終止那些活動時間剩餘值等於零的活動，有關變數置終止狀態（實體轉入佇列等），轉入C階段。

C階段（活動掃描）：檢查每一活動，看其開始條件是否滿足，如滿足，則計算該活動的活動時間，有關實體進入活動狀態，轉入A階段。3.仿真演算法的運行過程例三臺機床和一個工人組成的加工系統初態：停止佇列有3臺機床等待佇列有1個工人安裝活動停止加工活動停止加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=31.2.31仿真運行過程第一遍A階段：時鐘推進=0時鐘=0B階段：無活動終止，無狀態更新C階段：一號機安裝開始，活動時間=3加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=32.3第二遍A階段：時鐘推進=3時鐘=3B階段：一號機安裝結束，活動時間=3-3=0C階段：二號機安裝開始，活動時間=3

一號機加工開始，活動時間=10加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=33加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=3第三遍A階段：時鐘推進=3，時鐘=6B階段：二號機安裝結束，活動時間=3-3=0

一號機加工繼續，活動時間=10-3=7C階段：三號機安裝開始，活動時間=3

二號機加工開始，活動時間=10第四遍A階段：時鐘推進=3，時鐘=9B階段：三號機安裝結束，活動時間=3-3=0

一號機加工繼續，活動時間=7-3=4

二號機加工繼續，活動時間=10-3=7C階段：三號機加工開始，活動時間=10

停止佇列空，安裝不能開始加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=31第五遍A階段：時鐘推進=4，時鐘=13B階段：一號機加工結束，活動時間=4-4=0

二號機加工繼續，活動時間=7-4=3

三號機加工繼續，活動時間=10-4=6C階段：一號機安裝開始，活動時間=3加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=3加工安裝停止就緒等待機床(3)迴圈工人(1)迴圈D=10D=3第六遍A階段：時鐘推進=3，時鐘=16B階段：一號機安裝結束，活動時間=3-3=0

二號機加工結束，活動時間=3-3=0

三號機加工繼續，活動時間=6-3=3C階段：二號機安裝開始，活動時間=3

一號機加工開始，活動時間=10四、製造系統的仿真分析

1.複演法每次仿真運行採用相同的初始條件、相同的樣本長度。為了保證結果的準確性，仿真運行的次數和每次運行的採樣次數必須足夠多。

2.批均值法將仿真運行劃分為長度（採樣次數）相等的M段，每一段看作一次獨立的仿真運行。分段數量要足夠大，且每段長度也要足夠大。複演法每次仿真運行之間的獨立性較好，但每次運行都經過初始空載狀態，易導致較大的均值估計偏差。批均值法有利於消除初始狀態的影響，但需要注意消除各批之間的相關性。8-4Petri網分析方法一、簡介

Petri網分析方法是在建立製造系統的Petri網模型基礎上，根據Petri網的基本指標計算方法，求解系統性能指標，對系統的運行狀態進行分析的有力工具，在製造系統分析與規劃等方面得到了廣泛應用。

二、基本指標計算

1.庫所令牌數等於k的概率式中為狀態對應的穩態概率，S為狀態總數

2.庫所令牌數的期望值式中

K

是包含於任一可及狀態中的

pi的最大令牌數

3.庫所平均等待時間式中IT(pi)與OT(pi)分別為pi的輸入變遷集和輸出變遷集4.變遷發生率式中F(Mi,tj)為Mi狀態時變遷tj的發生率

三、基於Petri網的系統性能分析

1.系統實例(看板製造系統)

MC(ManufacturingCenter)：製造中心

OH(OutputHopper)：輸出記憶體

BB(BulletinBoard)：佈告牌MCBBOHCkMCBBOHCk-1Ck-2Ck+12.Petri網模型(三單元看板製造系統)Ni和ni分別為單元i的看板數和機床數

M為在系統出口處等待已加工好零件的顧客佇列的最大數目

p4t2t3p5p6p3t1p9t5t6p10p11p8t4p14t8t9p15p16p13t7p17t10p18t11p2p7p12p1MN1N2N3n1n2n3‧

庫所

變遷編號意義編號意義1毛坯準備好1一個零件與一個看板進入輸入緩衝器12佈告牌1中有看板2單元1中的一臺機床開始加工一個零件3單元1中機床可用3單元1中的機床加工零件結束4零件與看板在單元1輸入緩衝器中4一個零件與一個看板進入輸入緩衝器25零件在單元1中加工5單元2中的一臺機床開始加工一個零件6零件與看板在單元1輸出緩衝器中6單元2中的機床加工零件結束7佈告牌2中有看板7一個零件與一個看板進入輸入緩衝器38單元2中機床可用8單元3中的一臺機床開始加工一個零件9零件與看板在單元2輸入緩衝器中9單元3中的機床加工零件結束10零件在單元2中加工10顧客到達系統11零件與看板在單元2輸出緩衝器中11顧客取走零件12佈告牌3中有看板13單元3中機床可用14零件與看板在單元3輸入緩衝器中15零件在單元3中加工16零件與看板在單元3輸出緩衝器中17將要到達系統的顧客18在佇列中等待的顧客3.系統性能分析

(1)設備暫態利用率

(2)設備平均利用率

(3)單元i中的在製品數Zi(4)系統生產率P(5)製造通過時間

(6)不同看板分配方式下的生產率與通過時間

N1N2N3生產率通過時間1232.13101.80063212.13102.58901322.20741.97303122.10102.39742132.10102.00792312.20742.35252222.17792.22081141.95031.55201412.23652.08044111.95032.8800

由上表可知：最大生產率對應的看板分配方式為(1，4，1)；最短通過時間對應的看板分配方式為(1，1，4)。此結果說明，製造系統具有最大生產率並不意味著具有最短通過時間。5-5基於隨機過程理論的分析法一、簡介

隨機因素是影響現代製造系統複雜性和運行性能的重要因素。因此，建立描述隨機因素對製造系統性能影響的數學模型從而揭示其規律，對製造系統的研究、開發和應用具有重要價值。

基於隨機過程理論的馬爾可夫鏈模型為描述隨機因素對製造系統的影響，和揭示在隨機因素作用下，製造系統的內在規律、行為舉止和運行狀態的動態變化等提供了一種有力的工具。下麵對這一模型的基本知識作一介紹。

二、隨機過程的基本概念三、馬爾可夫過程

第五章製造系統性能分析5-1概述5-2基於排隊理論的分析方法5-3電腦仿真分析方法5-4Petri網分析方法5-5基於隨機過程理論的分析法5-3電腦仿真分析方法一、基本概念

1.仿真的定義在建立系統模型的基礎上，借助於在電腦上的實驗，對系統模型按一定規則由一個狀態變換為另一個狀態的動態行為進行描述。

2.仿真的特點仿真是一種“人造的”實驗手段。通過仿真實驗，可以對所研究的系統進行類似於物理實驗的實驗。它與現實系統實驗的主要差別在於：仿真實驗依據的不是實際系統本身及其存在的實際環境，而是作為實際系統的映象—系統模型及其相應的“人工”環境。因此，仿真結果的正確程度取決於仿真模型和輸入數據正確反映實際情況的程度。

二、製造系統仿真分析的步驟：

(1)問題描述、原始數據收集（如生產計畫、工藝路線、設備數據等）。

(2)仿真建模根據系統結構、問題描述和原始數據，建立盡可能符合實際的仿真模型。

(3)實驗設計確定仿真方案、仿真次數、仿真時間、初始狀態等。

(4)仿真運行編程、輸入參數、運行、數據統計。

(5)結果分析根據仿真運行過程的統計數據，計算系統的性能指標，如設備利用率、佇列長度、系統生產率、工件平均通過時間等。

三、基於活動迴圈圖的仿真演算法

1.輸入資訊

(1)每一活動的活動週期（持續時間），如機床的加工時間等。

(2)每一佇列的排隊規則，如FCFS、SPT。

(3)系統的初始狀態，如初始佇列長度等。

2.仿真演算法最小時鐘原則三階段離散事件仿真演算法

A階段（時鐘推進）：檢查每一活動的活動時間剩餘值，選擇最小值作為時鐘推進量，進行時鐘推進。進行數據處理和動態圖形顯示。