生产系统学第六章 制造系统建模与仿真

制造系统建模与仿真

主要内容： 1.系统建模与仿真基本原理 2.制造系统的建模方法 3.制造系统的仿真方法 4.常用建模软件的介绍

制造系统建模与仿真

6.1 系统建模与仿真基本原理

6.1 系统建模与仿真基本原理仿真的意义

优化系统设计。在复杂的系统建立以前，能够通过改 变仿真模型结构和调整参数来优化系统设计。 对系统或系统的某一部分进行性能评价。 节省经费。仿真试验只需要在可重复使用的模型上进 行，所花费的成本远比在实际产品上做试验低； 进行假设检验。仿真可以预测系统的特性，也可以预 测外部作用对系统的影响； 为管理决策和技术决策提供依据。

6.1 系统建模与仿真基本原理系统分类 根据系统状态是否随时间连续变化，可以将系 统分为连续系统和离散事件系统两大类模型。 连续系统：服从于物理学定律，其数学模型可 表示为传统意义上的微分方程或差分方程。其 系统的状态变量随时间而发生连续变化。 离散事件系统：指系统的状态在一些离散时间 点上由于某种事件的驱动而发生变化。其数学 模型很难用数学方程来表示。

6.1 系统建模与仿真基本原理状态变量的轨迹 连续变化的模型 连 续 时 间 模 型 离 散 事 件 模 型 连续模型和离散模型 离散变化的模型

模 型 时 间 的 集 合

6.1 系统建模与仿真基本原理离散事件系统 典型离散系统：制造领域中生产线/装配线、路 口的交通流量分布、电信网络的电话流量等。 特点：系统状态只在离散的时间点上发生变化， 而且这些离散的时间点是不确定的。 实例：一台机床加工工件，在正常的工作时间内， 如果没有工件到达，则机床空闲；如果有工件到 达，则机床为工件进行加工服务；如果工件到达 时，机床正在进行加工，则新到达的工件在机床 边排队等待。

6.1 系统建模与仿真基本原理离散事件系统的分类 变量特性不同，可分为确定性系统和随机系统。 确定性系统：变量、参数之间有确定的因果关系， 可以采用确定性的数学函数、方程或者图标等加 以描述。 随机系统：受系统自身因素和环境因素中随机因 素的影响，随机系统的参数、输入和输出状态存 在不确定性，但系统参数存在一定的统计特征， 可以采用概率论和数理统计的办法加以求解。 其对应的模型称为确定性模型和随机模型。

6.1 系统建模与仿真基本原理离散事件系统的其他分类方式分类条件 模型分类 状态是否随时间发生变化 静态系统模型和动态系统模型 变量之间因果关系的不同

线性数学模型和线性数学模型 对系统的了解程度的不同 白箱模型，灰箱模型和黑箱模型 微型模型和宏观模型 研究目的的不同 集中参数模型和分布参数模型

定常模型和时变模型

6.1 系统建模与仿真基本原理离散事件系统建模与仿真中的基本元素 实体(Entity):存在于系统中的每一项确定的 物体，是系统的具体对象。如：待加工工件。 属性(Attribute):是实体特征的描述，一般是 实体所拥有的全部特征的一个子集，用特征参数 或变量表示。如：机床型号等。 状态(State):在任一时刻，系统中所有实体 的属性的集合就构成了系统的状态。 事件(Event):事件是引起系统状态发生变化的 行为和起因，是系统状态变化的驱动力。

6.1 系统建模与仿真基本原理离散事件系统建模与仿真中的基本元素 活动(Activity):活动表示实体在两个事件之间的 持续过程。如：工件到达事件与工件接受加工服 务事件之间的过程。 进程(Process):进程是有序的事件与活动组 成的过程，它描述了其中的事件、活动的相互逻 辑关系和时序关系。 仿真时钟(simulation clock):仿真的时间变 量。仿真时钟推进的时间间隔称为仿真步长。 规则(Rule):规则用来描述实体之间的逻辑关 系和系统运行策略的逻辑语句约定。

6.1 系统建模与仿真基本原理事件、活动与进程之间的关系

6.1 系统建模与仿真基本原理实例 柔性制造系统：请分析其实体、状态、事件、活动缓冲区加工中心

缓冲区

加工中心

自动物料系统自动仓库

实体：工件、加工中心 事件：(待加工件)到达、机床 完成加工 状态：各加工中心的繁忙程度、 各加工中心的等待队列 活动：工件等待、加工

6.1 系统建模与仿真基本原理系统仿真的步骤问题的阐 述 系统分析 的描述 建立数学 模型数据收集

实验设计

模型确认

模型验证

建立仿真 模型

仿真运行 研究

仿真结果 分析

6.1 系统建模与仿真基本原理系统仿真的步骤实际系统 建模方法学 数学模型 仿真算法 仿真模型 仿真软件

模型建立阶段

模型变换阶段

仿真试验阶段仿真实验结果

6.1 系统建模与仿真基本原理系统仿真的步骤

6.1 系统建模与仿真基本原理仿真技术在系统研制中的应用阶 段 应 用 内 容 对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理的 设计方案 建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是 否满意 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪音、可靠性等性能 指标 调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化 刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工

、装配中可能 发生的问题 系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚拟样机试验，以确 认设计目标 调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化

概念化设计 设计建模 设计分析

设计优化制造 样机试验 系统运行

6.1 系统建模与仿真基本原理建立系统模型的常用方法 1.分析与综合 分析是指将被研究对象的整体分解为不同部分、 方面、要素、层次和功能模块，并且加以考察研 究的思维，即“化整为零”的过程。 综合是将已有的关于研究对象的各个部分、方面 、要素和层次和功能模块的认识联结起来，以便 构成一个整体的思维，即“化零为整”的过程。 分析是综合的基础，但是分析着眼于系统的局部 ，分析得到的结果是关于系统部分的信息，而不 是关于整体的认识。分析的目的是为了综合，分 析的结果是综合的出发点。

6.1 系统建模与仿真基本原理建立系统模型的常用方法 2.抽象与概括 抽象是指从某种角度抽取要研究系统的本质属性 的思维方法。抽象思维是数学建模的基础之一。 概括是把抽象出来的若干事物的共同属性归结出 来进行考察的思维方法。 例：七桥问题