建模與仿真課程設(shè)計

1、建模與仿真課程設(shè)計題目項目組編號專業(yè)班級08工業(yè)工程 班項目組成員文檔編制日期2011.06指導(dǎo)教師 態(tài)度（20%）報告(50%)答辯(30%)總評：1.引言11.1設(shè)計目的11.2項目背景11.3應(yīng)用現(xiàn)狀11.3.1文獻(xiàn)一11.3.2文獻(xiàn)二11.3.3文獻(xiàn)三21.4設(shè)計內(nèi)容與方法21.4.1項目系統(tǒng)所使用的工序：21.4.2生產(chǎn)流程為：22.仿真建模22.1建模假設(shè)條件22.2模型設(shè)計過程32.2.1所建模型：32.2.2仿真建模過程：32.3有效性驗證133仿真分析143.1基本方案運(yùn)行結(jié)果及分析143.2其他方案設(shè)計233.2.1第一個改進(jìn)方案233.2.2第二個方案243.3與基本方案

2、比較結(jié)果分析273.3.1原模型的結(jié)果：283.3.2第二次模型結(jié)果：283.3.3最后模型結(jié)果：284結(jié)論295總結(jié)291.引言1.1設(shè)計目的 本項目仿真設(shè)計通過系統(tǒng)仿真來了解某紙箱制造廠作業(yè)的瓶頸站的使用率，生產(chǎn)線的投料率、在制品生產(chǎn)周期與生產(chǎn)效率的關(guān)系，為紙箱制造廠內(nèi)現(xiàn)場管理提供參考。通過仿真建模得出3種產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和總體的平均生產(chǎn)周期、月產(chǎn)能機(jī)器利用率等數(shù)據(jù)。所以本文運(yùn)用相關(guān)知識，基于extendsim仿真軟件，針對該制造廠制造動態(tài)過程系統(tǒng)進(jìn)行仿真，用以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題，提出相應(yīng)的解決和優(yōu)化方案。仿真的目的是了解仿真的角色及其在系統(tǒng)之中的應(yīng)用；了解仿真模型構(gòu)建形式；認(rèn)識exten

3、dsim仿真軟件基本構(gòu)件及操作；透過仿真軟件深刻了解系統(tǒng)模擬的過程；學(xué)習(xí)如何透過仿真軟件進(jìn)行資料收集及分析的工作1.2項目背景 目前，在生產(chǎn)制造、物流、服務(wù)等諸多行業(yè)中應(yīng)用系統(tǒng)仿真技術(shù)解決實際問題的需求越來越強(qiáng)烈，同時，隨著現(xiàn)代現(xiàn)代給予可視化建模的仿真軟件的出現(xiàn)和普及，利用仿真方法輔助決策也越來越方便。我們的項目是利用軟件extendsim對紙箱制造廠制造專業(yè)流程仿真優(yōu)化，這樣能夠提高機(jī)器利用率，月產(chǎn)能等，解決生產(chǎn)瓶頸，從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，帶來更多的收益。1.3應(yīng)用現(xiàn)狀1.3.1文獻(xiàn)一 縮短研發(fā)時間和成本是建模與仿真技術(shù)給制造業(yè)帶來的最直接的效果。建模與仿真技術(shù)能通過現(xiàn)有的知識對產(chǎn)品實現(xiàn)過

4、程作出可靠的預(yù)測，大大促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計、過程設(shè)計、過程運(yùn)行，甚至企業(yè)管理水平的提高。擺脫了以往設(shè)計物理試驗修改的產(chǎn)品開發(fā)過程，在產(chǎn)品設(shè)計階段利用建模與仿真工具在虛擬環(huán)境下優(yōu)化產(chǎn)品和過程設(shè)計，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。例如，在飛機(jī)工業(yè)中，美國的波音公司利用建模與仿真工具，完全利用三維建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計的波音777噴氣式客機(jī)，設(shè)計使用了數(shù)字化預(yù)裝配和并行協(xié)同工程技術(shù)，無須建立物理樣機(jī)模型，大大減少了設(shè)計更改和錯誤量，確保了產(chǎn)品量，顯著降低了成本，縮短了研發(fā)時間。根據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委員會的測算【6】, 建模與仿真技術(shù)可提高產(chǎn)品質(zhì)量515 倍,增加材料出品率25 % , 降低工程技術(shù)成本

5、13 %30 % ,降低人工成本5 %20 % ,提高投入設(shè)備利用率30 %60 % ,縮短產(chǎn)品設(shè)計和試制周期30 %60 %等。參考文獻(xiàn)：世紀(jì)制造業(yè)的建模與仿真技術(shù)熊光楞，范文慧（清華大學(xué)自動化系，100084）1.3.2文獻(xiàn)二 在仿真過程中, 利用瓶頸分析器對生產(chǎn)瓶頸的問題進(jìn)行分析, 對等待、工作、堵塞、中斷、暫停等統(tǒng)計, 分析各個機(jī)床設(shè)備的工作狀況。通過仿真, 能及時發(fā)現(xiàn)問題, 找出主要原因并對其中不合適的地方給予調(diào)整。為生產(chǎn)的實際運(yùn)行參數(shù)提供了理論依據(jù)。本文以變速箱生產(chǎn)線為例, 采用仿真技術(shù)對2種生產(chǎn)線設(shè)計方案進(jìn)行了仿真分析, 為生產(chǎn)線的設(shè)計優(yōu)化和實際運(yùn)行參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。該方法可

6、以充分發(fā)揮生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力、降低成本, 提高效率, 獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益, 對實際生產(chǎn)具有重要的意義。參考文獻(xiàn)：變速箱生產(chǎn)線的建模與仿真技術(shù)研究 王紅軍（北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系, 北京100085)1.3.3文獻(xiàn)三計算機(jī)仿真目標(biāo)1.建立真實系統(tǒng)的計算機(jī)模型.2.在工廠建立之前就運(yùn)行它.計算機(jī)仿真的收益1）評估裝備與流程設(shè)計的多種可能性2)提高工廠與資源的運(yùn)行效率3)減少庫存4)縮短產(chǎn)品上市時間5)提高生產(chǎn)線產(chǎn)量6)優(yōu)化資本投資參考文獻(xiàn)：在生產(chǎn)制造業(yè)中應(yīng)用 計算機(jī)仿真技術(shù) 天津工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院 工業(yè)工程系王亞超1.4設(shè)計內(nèi)容與方法1.4.1項目系統(tǒng)所使用的工序：圖 11.4.2生產(chǎn)流程為：e

7、類紙箱：壓線工作印刷剪裁堆高機(jī)糊紙包裝b類紙箱：印刷剪裁堆高機(jī)糊紙包裝ab類紙箱：壓線作業(yè)印刷裁剪堆高機(jī)打釘包裝 根據(jù)以上流程將3類紙箱的共同作業(yè)合并到一起，而不同的作業(yè)則分離開。按照流程所示設(shè)計好一整條生產(chǎn)流程，然后利用extendsim軟件中的item模塊庫進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，以及value模塊庫進(jìn)行仿真輸出分析。運(yùn)行模型找出模型的瓶頸和不足，在根據(jù)問題對模型優(yōu)化得出最優(yōu)解。2.仿真建模2.1建模假設(shè)條件（1）紙箱原料到達(dá)時間間隔服從uniform（25,30）分鐘的均勻分布，其中e，b,ab到達(dá)的比例為3:5:2.（2）每種類型的機(jī)器前均設(shè)有一個無限長度的等候區(qū)，且等候區(qū)采用先到先服務(wù)的方式。

8、（3）紙箱產(chǎn)品在兩個機(jī)器之間的搬運(yùn)時間可以忽略不計。（4）該紙箱制造廠每天工作24小時仿真30天。2.2模型設(shè)計過程2.2.1所建模型：圖 22.2.2仿真建模過程：1.利用create模塊設(shè)置紙箱原料到達(dá)時間間隔服從uniform（25,30）的均勻分布圖32.設(shè)置e、b、ab到達(dá)比例為3:5:2，其中1表示b類紙箱,2表示e類紙箱，3表示ab類紙箱圖43.通過select item out模塊對路徑進(jìn)行選擇：圖 54.利用mean&variance模塊統(tǒng)計平均在制品數(shù)圖65.利用select item in模塊來將e、ab和b分離，b直接跳過壓線作業(yè)。圖76.壓線作業(yè)過程：分為3步驟：隊列

9、、壓線準(zhǔn)備、以及壓線作業(yè)。圖87.壓線作業(yè)準(zhǔn)備時間圖98.設(shè)置準(zhǔn)備時間服從niform（3，5）圖 109.印刷剪裁作業(yè)過程：由于3種紙箱都需要經(jīng)過此作業(yè)所以用select item in合并圖 1110.設(shè)置加工時間為normal（18,1）圖 1211.堆高作業(yè)過程：等待隊列、準(zhǔn)備、堆高圖 1312.堆高作業(yè)的準(zhǔn)備時間 圖 1413.設(shè)置準(zhǔn)備時間服從uniform（5,8）圖 1514.堆高作業(yè)根據(jù)不同紙箱不同的分布：圖 1615.糊紙與打釘過程：利用select item in和select item out模塊將e類紙箱和b類紙箱合并，將ab類獨自分離圖 1716.其中糊紙過程設(shè)置圖

10、1817.打釘作業(yè)設(shè)置：圖 1919.包裝作業(yè)過程：利用select item in模塊將e、b、ab類合并圖2020.包裝準(zhǔn)備時間設(shè)置:服從unifrom（3,5）圖 2121.加工時間服從norm（20,1）圖 2222.設(shè)置仿真長度和仿真次數(shù)：圖 2323.利用mean&variance模塊進(jìn)行統(tǒng)計： 圖 242.3有效性驗證1.在壓線工序后分別增加2個history模塊，如圖所示：圖 252.運(yùn)行整個模型后得出以下的結(jié)果：圖 26由圖所示第一條路徑有1和3種產(chǎn)品在生產(chǎn)（1表示e類紙箱，3表示ab類紙箱）而第二條路徑只有2在生產(chǎn)（2表示b類紙箱）很明顯這樣的結(jié)果是符合我們所需要的實際模型

11、要求的。所以本模型是有效的。3仿真分析3.1基本方案運(yùn)行結(jié)果及分析1.平均在制品數(shù)：圖 27 得出平均在制品數(shù)量為2.784、方差為0.0004，這說明系統(tǒng)在制品數(shù)量很穩(wěn)定地維持在3個。2.總體平均生產(chǎn)周期：76.929分鐘 方差為0.176圖 283.紙箱e類得生產(chǎn)周期：77.077分鐘 方差為0.598 置信區(qū)間：【7.077-0.553，77.077+0.553】圖 294.紙箱b的生產(chǎn)周期：74.581分鐘 方差為0.128 置信區(qū)間：【74.581-0.256,74.58+0.256】圖305.紙箱ab的生產(chǎn)周期：83.020分鐘 方差為0.178 置信區(qū)間為：【83.020-0.3

12、02，82.020+0.302】圖 316. 3種紙箱的月產(chǎn)能紙箱b月產(chǎn)能：785.6個圖 32紙箱e月產(chǎn)能：466.8個圖 33紙箱ab月產(chǎn)能315.4個圖 34總體月產(chǎn)能為1567.8個圖 357.每臺機(jī)器的利用率1.壓線機(jī)利用率：0.287圖 362.印刷剪裁機(jī)利用率：0.654圖 373.堆高機(jī)利用率：0.789圖 384.糊紙機(jī)利用率：0.194圖 395.打釘機(jī)利用率：0.028圖 406.包裝機(jī)器利用率：0.378圖 417.印刷剪裁前的平均等候長度：0.067圖 423.2其他方案設(shè)計3.2.1第一個改進(jìn)方案第一個方案：與原來的模型結(jié)構(gòu)保持不變，但改變了紙箱原料到達(dá)時間間隔服從

13、uniform（20,25）圖 43對模型運(yùn)行得出結(jié)果：圖443.2.2第二個方案還再對模型進(jìn)行一次更改：1.改變了紙箱原料到達(dá)時間間隔服從uniform（10,15）圖452.再減少打釘機(jī)圖 463.增加包裝機(jī)圖 474.增加堆高機(jī)：圖 485.加印刷剪裁機(jī)：圖 50最后得出新的運(yùn)行結(jié)果：圖 513.3與基本方案比較結(jié)果分析3.3.1原模型的結(jié)果：圖 523.3.2第二次模型結(jié)果：圖 533.3.3最后模型結(jié)果：圖 54 很明顯從3個表中可以看出具體的變化，e、b、ab3種紙箱的月產(chǎn)能都從第一次模型到第三次模型發(fā)生提升，平均在制品數(shù)在最后模型中得到很大的提升，但是第二個模型卻變化不大。這說明

14、原料到達(dá)時間對月產(chǎn)能和在制品數(shù)量影響不大。但影響各個作業(yè)的利用率。而不同方式的增加或減少各個作業(yè)的機(jī)器數(shù)量則會不同程度上影響在制品數(shù)和月產(chǎn)能，產(chǎn)生不同的經(jīng)濟(jì)效益。在此項目中將打釘機(jī)減少到1臺，增加包裝機(jī)、堆高機(jī)、印刷剪裁及到各2臺，同時縮短原料到達(dá)時間（10,15）。這樣會產(chǎn)生最大效益。4結(jié)論到最后我們采用第3個模型，在項目當(dāng)中各個作業(yè)的機(jī)器數(shù)量搭配對整體的生產(chǎn)效率有著重大的影響，設(shè)置機(jī)器數(shù)量需要非常講究。如果利用率太高的機(jī)器就需要增加機(jī)器數(shù)量，相反利用率太低的機(jī)器則需要減少機(jī)器數(shù)量，從而平衡機(jī)器之間的利用率，避免出現(xiàn)利用率過高或過低，影響生產(chǎn)效率。5總結(jié)王勇華：對于這次的仿真建模項目設(shè)計，雖然有點辛苦，但是還是受益匪淺的。懂得仿真建模技術(shù)可以從中找到項目的最優(yōu)解而不需要在現(xiàn)實中去實踐，避免太多的資源浪費(fèi)。項目當(dāng)中有很多內(nèi)在的規(guī)律，不為我們所察覺。當(dāng)我們進(jìn)行多次