第9章自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及

1、第9章自動(dòng)化制造系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及優(yōu)化主講 李倩云2014年9月9.1 計(jì)算機(jī)仿真的概述計(jì)算機(jī)仿真的概述9.1 計(jì)算機(jī)仿真的概念9.1.1 仿真的基本概念9.1.2 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展歷程9.1.3 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)9.1.4 計(jì)算機(jī)仿真的意義9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用仿真對(duì)大家并不陌生，那大家來仿真對(duì)大家并不陌生，那大家來舉例說說，你所知道的仿真有哪舉例說說，你所知道的仿真有哪些？些？沙盤推演軍事演習(xí)氣象模擬預(yù)測(cè)制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)9.1.1 仿真的基本概念仿真就是通過對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)去研究一個(gè)存在或設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。根據(jù)仿真與實(shí)際系統(tǒng)配置的接近程度：全物理仿真 半物理仿真 計(jì)算機(jī)仿真全物

2、理仿真采用與實(shí)際系統(tǒng)相同配置的部件或子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究以分析系統(tǒng)的性能計(jì)算機(jī)仿真根據(jù)已有的信息和知識(shí)（如數(shù)學(xué)/物理規(guī)律），在計(jì)算機(jī)上建立實(shí)際系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的仿真。半物理仿真介于全物理仿真與計(jì)算機(jī)仿真之間并將其有機(jī)結(jié)合，用已研制出來的系統(tǒng)中的實(shí)際部件或者子系統(tǒng)去部分代替計(jì)算機(jī)所構(gòu)成的仿真。計(jì)算機(jī)仿真（對(duì)象：計(jì)算機(jī)模型）滿足要求半物理仿真（對(duì)象：計(jì)算機(jī)模型/物理模型/實(shí)務(wù)）滿足要求滿足要求全物理仿真(對(duì)象：物理模型/實(shí)物)結(jié)果分析修正修正修正NYNNYY分析設(shè)計(jì)階段（軟件級(jí)）部件及子系統(tǒng)研制階段（軟件硬件級(jí)）實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)研制階段（硬件級(jí))實(shí)時(shí)仿真“”計(jì)算機(jī)仿真除理論

3、推導(dǎo)和科學(xué)實(shí)計(jì)算機(jī)仿真除理論推導(dǎo)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)外的人類認(rèn)識(shí)自然和改造自驗(yàn)外的人類認(rèn)識(shí)自然和改造自然的第三種方法然的第三種方法具有經(jīng)濟(jì)、安全、可重復(fù)和不受氣候、場(chǎng)地、時(shí)間限制的優(yōu)勢(shì)9.1.2 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展歷程1. 1947年第一臺(tái)通用電子模擬計(jì)算機(jī)的研制成功,計(jì)算機(jī)仿真開始嶄露頭角。 20世紀(jì)40年末期和50年代的主要是利用電子模擬計(jì)算機(jī)對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，涉及到自動(dòng)控制，航天等領(lǐng)域。馮諾依曼ENIAC9.1.2 計(jì)算機(jī)仿真的發(fā)展歷程2.20世紀(jì)60-70年代是仿真理論發(fā)展最快的時(shí)期，仿真建模理論，仿真方法，仿真通用語言及仿真工具的研究都有很大進(jìn)展。20世紀(jì)70年代以來,廣泛用于連續(xù)系統(tǒng)和離散系

4、統(tǒng)的仿真。3.近20年，仿真技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域擴(kuò)展到了非工程領(lǐng)域，如社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)，教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)。9.1.3 計(jì)算機(jī)仿真的特點(diǎn)仿真模型是從實(shí)際系統(tǒng)中抽象出來的計(jì)算機(jī)仿真給出的是由實(shí)驗(yàn)選出的較優(yōu)解計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果的可信度與仿真模型、仿真方法和仿真實(shí)驗(yàn)輸入數(shù)據(jù)有關(guān)問題的提出是否可用數(shù)學(xué)分析方法解決？是否可用仿真方法解決？是否可用物理實(shí)驗(yàn)方法解決？直觀決策數(shù)學(xué)分析方法物理實(shí)驗(yàn)方法仿真方法NYYYNN研究方法的流程選擇9.1.4 計(jì)算機(jī)仿真的意義（）可以替代許多難以開展或無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)（）可以解決一般理論方法難以求解的大型系統(tǒng)問題（）可以經(jīng)濟(jì)快速地比較不同方案以降低投資風(fēng)

5、險(xiǎn)并節(jié)省研究開發(fā)費(fèi)用（）可以避免實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)的危害（）可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，并不拘于時(shí)空的限制9.1.5 自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的作用設(shè)計(jì)決策 關(guān)注制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，參數(shù)和配置的分析，規(guī)劃，設(shè)計(jì)與優(yōu)化選擇系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)和配置方案運(yùn)行決策 關(guān)注系統(tǒng)過程中的生產(chǎn)計(jì)劃，調(diào)度和控制選擇較好的調(diào)度方和選擇合理高效的作業(yè)計(jì)劃設(shè)計(jì)決策在生產(chǎn)一定時(shí)，制造系統(tǒng)所需機(jī)床，設(shè)備，工具以及操作人員的類型數(shù)量；在配置給定的前提下，制造系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)效率和效益；緩沖區(qū)及倉庫容量的確定；加工車間的最佳布局；企業(yè)及車間的最佳布局；生產(chǎn)線的平衡分析及優(yōu)化；設(shè)計(jì)決策企業(yè)或車間的瓶頸工位分析與改進(jìn)；設(shè)備故障，統(tǒng)計(jì)及維修對(duì)系

6、統(tǒng)性能的影響優(yōu)化產(chǎn)品銷售體系；運(yùn)行策略給定生產(chǎn)任務(wù)時(shí)，制定作業(yè)計(jì)劃，安排作業(yè)班次；制定采購計(jì)劃，是采購成本最低；優(yōu)化車間生產(chǎn)控制及調(diào)度策略；企業(yè)制造資源的調(diào)度，提高資源的利用率和實(shí)現(xiàn)效益最大化；設(shè)備預(yù)防性維修周期的制定與優(yōu)化自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)點(diǎn)采用仿真實(shí)驗(yàn)新的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)參數(shù)，調(diào)度規(guī)則，操作流程以及控制方式等無需破壞實(shí)際系統(tǒng)或中斷實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行；可以測(cè)試車間布局，物流系統(tǒng)是否合理無需消耗大量資源；仿真時(shí)通過采用時(shí)間“壓縮”或“延長”技術(shù)，可以加速或延緩制造系統(tǒng)中某些物理現(xiàn)象的發(fā)生頻率及其延續(xù)時(shí)間，深層次地揭示制造系統(tǒng)本質(zhì)特征；有利于深入地觀察不同配置，結(jié)構(gòu)和參數(shù)之間的相互作用，以便從

7、全局的角度認(rèn)識(shí)系統(tǒng)；自動(dòng)化制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)點(diǎn)有利于分析和發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)，確定系統(tǒng)的敏感變量；有利于找到系統(tǒng)中的瓶頸工序，部位和設(shè)備，以便作有針對(duì)性地改進(jìn)；利用仿真技術(shù)，可以逐步地分析和解決系統(tǒng)存在的問題，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程。9.2 計(jì)算機(jī)仿真的基本理論及方法計(jì)算機(jī)仿真的基本理論及方法9.2 計(jì)算機(jī)仿真的基本理論及方法9.2.1 仿真建模的基本理論9.2.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程9.2.3 離散時(shí)間系統(tǒng)仿真的基本技術(shù)9.2.1 仿真建模的基本理論1.模型就是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)中那些游泳的和令人感興趣的特性的抽象、簡(jiǎn)化與描述。分類: 物理模型 數(shù)學(xué)模型 物理-數(shù)學(xué)模型

8、2.建模過程的信息來源建模是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)在不同程度的抽象。（1）目標(biāo)和目的（2）先驗(yàn)知識(shí)（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)28 建 模 模 型 應(yīng) 用 目 的 達(dá) 到 否 ？ 數(shù) 據(jù) 目 標(biāo) 先 驗(yàn) 知 識(shí) 圖圖2.1 數(shù)學(xué)建模的信息源數(shù)學(xué)建模的信息源 1目標(biāo)和目的目標(biāo)和目的 2先驗(yàn)知識(shí)先驗(yàn)知識(shí) 3試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 9.2.1 仿真建模的基本理論3.建模方法（1）數(shù)學(xué)規(guī)劃（2）圖與網(wǎng)絡(luò)方法（3）隨機(jī)理論方法（4）通用仿真語言建模方法（5）圖形建模方法9.2.1 仿真建模的基本理論3.建模方法模型的可信度 對(duì)真實(shí)系統(tǒng)描述的吻合程度一個(gè)模型的可信性可以根據(jù)獲得它的困難程度分為：（1）在行為水平上的可信性，即模型是否能復(fù)

9、現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的行為；（2）在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的可信性，即模型能否與真實(shí)系統(tǒng)在狀態(tài)上互相對(duì)應(yīng)。通過這樣的模型可以對(duì)未來的行為作唯一的預(yù)測(cè)；（3）在分解結(jié)構(gòu)水平上的可信性，即模型能否表示出真實(shí)系統(tǒng)內(nèi)部的工作情況，而且是唯一的表示出來9.2.1 仿真建模的基本理論建模的一般過程 模 型 構(gòu) 造 演 繹 分 析 可 信 度 分 析 目標(biāo)協(xié)調(diào) 歸納程序 先 驗(yàn) 知 識(shí) 最 終 模 型 目 的 數(shù) 據(jù) 9.2.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程建模與仿真的一般過程建模與仿真研究的目的是分析實(shí)際系統(tǒng)的性能特征1.問題描述與需求分析2.定研究目標(biāo)和計(jì)劃3.建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型4.模型的校核、驗(yàn)證及確認(rèn)5.數(shù)據(jù)采集6.數(shù)學(xué)模型

10、與仿真模型的轉(zhuǎn)換9.2.2 計(jì)算機(jī)仿真的一般過程建模與仿真的一般過程建模與仿真研究的目的是分析實(shí)際系統(tǒng)的性能特征7.仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)8.仿真實(shí)驗(yàn)9.仿真數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析10.優(yōu)化和決策 實(shí)實(shí) 際際 系系 統(tǒng)統(tǒng) 建建模模與與形形式式形形 式式 建建 模模 可可 信信 否否 ？ 仿仿 真真 建建 模模 程程 序序 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 仿仿 真真 模模 型型 校校 驗(yàn)驗(yàn) 正正 確確 否否 ？ 仿仿 真真 運(yùn)運(yùn) 行行 仿仿 真真 結(jié)結(jié) 果果 分分 析析 正正 確確否否 ？ 結(jié)結(jié) 束束 開開 始始 Y N Y N Y N 9.2.3 離散事件系統(tǒng)仿真的基本技術(shù)1.離散事件系統(tǒng)及其模型分類離散事件系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)在

11、某些隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生離散變化的系統(tǒng)。它與連續(xù)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于：狀態(tài)變化發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上。這種引起狀態(tài)變化的行為稱為“事件”，因而這類系統(tǒng)是由事件驅(qū)動(dòng)事件驅(qū)動(dòng)的；而且，“事件”往往發(fā)生在隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)上，亦稱為隨機(jī)事件隨機(jī)事件，因而離散事件系統(tǒng)一般都具有隨機(jī)特性；系統(tǒng)的狀態(tài)變量往往是離散變化的。9.2.3 離散事件系統(tǒng)仿真的基本技術(shù)2.離散事件系統(tǒng)建模的基本要素實(shí)體屬性狀態(tài)事件事件點(diǎn)活動(dòng)進(jìn)程仿真時(shí)鐘規(guī)則（1）實(shí)體（Entity）實(shí)體是描述系統(tǒng)的三個(gè)基本要素之一。連續(xù)系統(tǒng)一樣，離散事件也是由實(shí)體組成的。在離散事件系統(tǒng)中的實(shí)體可以分為兩大類：臨時(shí)實(shí)體和永久實(shí)體。臨時(shí)實(shí)體:在系統(tǒng)中只存在一段

12、時(shí)間的實(shí)體稱為臨時(shí)實(shí)體。這類實(shí)體是由系統(tǒng)的外部到達(dá)并進(jìn)人系統(tǒng)的，然后通過系統(tǒng)，并最終離開系統(tǒng)。（2）事件（Event）引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的行為稱為事件。它是在某一時(shí)間點(diǎn)的瞬時(shí)行為，從某種意義上來說，系統(tǒng)是由事件來驅(qū)動(dòng)的。事件不僅用來協(xié)調(diào)兩個(gè)實(shí)體之間的同步活動(dòng)，還用于各個(gè)實(shí)體之間傳遞信息。（3）活動(dòng)（activity）離散事件中的活動(dòng)，通常用于表示兩個(gè)可以區(qū)分的事件之間的過程，它標(biāo)志著系統(tǒng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。把實(shí)體所做的、或?qū)?shí)體施加的事件稱為活動(dòng)，它是實(shí)體在兩個(gè)事件之間保持某一個(gè)狀態(tài)的持續(xù)過程。（4）進(jìn)程（process）進(jìn)程由若干個(gè)事件及若干個(gè)活動(dòng)組成，它描述了事件及活動(dòng)之間的相互邏輯關(guān)系及時(shí)序關(guān)

13、系。（5）仿真鐘(simulation clock)仿真鐘用于表示仿真時(shí)間的變化，在連續(xù)系統(tǒng)中，仿真時(shí)間的變化基于仿真步長的確定，可以是定步長，也可以是變步長。仿真鐘可以跨過這些“不活動(dòng)”周期，從一個(gè)事件發(fā)生時(shí)刻直接推進(jìn)到下一個(gè)事件發(fā)生時(shí)刻，仿真鐘的推進(jìn)呈現(xiàn)跳躍性，推進(jìn)的速度具有隨機(jī)性可見，仿真模型中時(shí)間控制部件是必不可少的，以便按一定的規(guī)律來控制仿真鐘的推進(jìn)。9.2.3 離散事件系統(tǒng)仿真的基本技術(shù)2.離散事件仿真程序的基本結(jié)構(gòu)變量/實(shí)體屬性和系統(tǒng)狀態(tài)初始化子程序仿真時(shí)鐘事件列表定時(shí)子程序事件子程序仿真數(shù)據(jù)處理與分析子程序43排隊(duì)論（queuing theory） 離散事件系統(tǒng)建模方法之一離散

14、事件系統(tǒng)建模方法之一 排隊(duì)論（排隊(duì)論（queuing theoryqueuing theory） 1918年，丹麥工程師Erlang提出用概率方法研究電話的通話 過程，既而形成排隊(duì)論理論。 排隊(duì)論是研究排隊(duì)現(xiàn)象的理論，也稱隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)理論。 目前，排隊(duì)理論已經(jīng)在運(yùn)輸、城市交通、貨物裝卸、倉儲(chǔ)、 生產(chǎn)任務(wù)分配、服務(wù)系統(tǒng)設(shè)置、醫(yī)療等領(lǐng)域得到應(yīng)用。44排隊(duì)論（queuing theory） 排隊(duì)論在制造系統(tǒng)的建模始于70年代末。1977年，Solberg 首次提出FMS系統(tǒng)的閉排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型，之后排隊(duì)論在制造系 統(tǒng)中得到較多地研究及應(yīng)用。 以柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing

15、System，F(xiàn)MS）為例： 排 隊(duì) 論 可 考 慮 F M S 中 不 同 工 件 競(jìng) 爭(zhēng) 同 一 臺(tái) 機(jī) 床 時(shí) 的 相 互 作用 和 阻 塞 現(xiàn) 象 ， 分 析 系 統(tǒng) 的 不 確 定 性 和 動(dòng) 態(tài) 性 ， 研 究 如 何 合理安排工件和機(jī)器，使機(jī)床效率最高、工件等待時(shí)間最短。45排隊(duì)論（queuing theory） 排隊(duì)論能考慮系統(tǒng)的隨機(jī)因素及阻塞狀態(tài)，得到平均隊(duì)列長 度、系統(tǒng)平均生產(chǎn)率、機(jī)床利用率等系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可 用于FMS的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和性能分析。 例 如 ： 吳 啟 迪 等 將 排 隊(duì) 網(wǎng) 絡(luò) 模 型 用 于 上 海 第 四 機(jī) 床 廠 箱 體 零 件 F M S 的 方

16、 案 規(guī) 劃 評(píng) 價(jià) 、 生 產(chǎn) 性 能 的 穩(wěn) 態(tài) 性 能 評(píng) 估 以 及 生 產(chǎn) 率的靈敏度分析，取得了較好的效果。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：排隊(duì)論模型沒有考慮系統(tǒng)的實(shí)際布局，且假設(shè)機(jī)床加 工時(shí)間等參數(shù)符合某種標(biāo)準(zhǔn)分布規(guī)律，缺少科學(xué)性， 僅適合于對(duì)FMS作初步的統(tǒng)計(jì)分析。46排隊(duì)論（queuing theory） 排隊(duì)系統(tǒng)的組成：排隊(duì)系統(tǒng)的組成： 顧客顧客：等待服務(wù)的對(duì)象 服務(wù)臺(tái)（服務(wù)員）服務(wù)臺(tái)（服務(wù)員）：提供服務(wù)的機(jī)構(gòu)、設(shè)備或人 服務(wù)時(shí)間服務(wù)時(shí)間：顧客占用服務(wù)臺(tái)的時(shí)間 排隊(duì)規(guī)則排隊(duì)規(guī)則：顧客排隊(duì)等待服務(wù)的次序 服務(wù)規(guī)則服務(wù)規(guī)則：服務(wù)臺(tái)為顧客提供服務(wù)的規(guī)則 排隊(duì)隊(duì)列排隊(duì)隊(duì)列：按照一定排隊(duì)規(guī)則排列的顧客群

17、47排隊(duì)論（queuing theory） 排隊(duì)論基本模型：排隊(duì)論基本模型：到達(dá)服務(wù)臺(tái)服務(wù)臺(tái)顧客顧客離開排隊(duì)規(guī)則排隊(duì)規(guī)則排隊(duì)隊(duì)列排隊(duì)隊(duì)列服務(wù)規(guī)則服務(wù)規(guī)則 到達(dá)過程到達(dá)過程：描述顧客的來源、類型及進(jìn)入排隊(duì)隊(duì)列的方式 顧客可以是有限的，也可以是無限的； 顧客可以是單個(gè)的，也可以是成批的； 顧客到達(dá)的時(shí)間間隔可以是確定型的，也可以是隨機(jī)的； 顧客到達(dá)之間可以是獨(dú)立的，也可以是關(guān)聯(lián)的.48排隊(duì)論（queuing theory） 排隊(duì)規(guī)則排隊(duì)規(guī)則：選取服務(wù)對(duì)象的方法 損失制損失制：若服務(wù)臺(tái)被占用，則到達(dá)顧客自動(dòng)離去； 等待制等待制：服務(wù)臺(tái)被占用時(shí)，到達(dá)顧客進(jìn)入隊(duì)列等待服務(wù) 混合制混合制：上述二者的結(jié)合，

18、如根據(jù)隊(duì)列長度、服務(wù)時(shí)間的 限制等，顧客作出決定服務(wù)規(guī)則服務(wù)規(guī)則 先到先服務(wù)（FIFS）：也稱先進(jìn)先出（FIFO） 后到先服務(wù)（LIFS）：也稱后進(jìn)先出（LIFO） 按優(yōu)先權(quán)服務(wù)：根據(jù)隊(duì)列中顧客的重要程度選擇最先服務(wù)者 隨機(jī)服務(wù)：由服務(wù)員隨機(jī)選擇服務(wù)對(duì)象49排隊(duì)論（queuing theory） 服務(wù)機(jī)構(gòu)服務(wù)機(jī)構(gòu)：服務(wù)臺(tái)的數(shù)目、服務(wù)臺(tái)的排列方式服務(wù)時(shí)間分 布等 單一服務(wù)臺(tái)： 多道服務(wù)臺(tái)： 串、并聯(lián)服務(wù)臺(tái)：50排隊(duì)論（queuing theory） 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)臺(tái)：2411320.40.60.50.551 排隊(duì)論（queuing theory） 排隊(duì)論的性能指標(biāo)：排隊(duì)論的性能指標(biāo)： 顧客在系統(tǒng)內(nèi)的平均等待時(shí)間顧客在系統(tǒng)內(nèi)的平均等待時(shí)間 排隊(duì)論的目標(biāo)：研究排隊(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，評(píng)估服務(wù)質(zhì)量，確定系統(tǒng)參數(shù)的最優(yōu)值，判斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否合理。 等待時(shí)間是指從顧客到達(dá)到開始接受服務(wù)的時(shí)間間隔 顧客在系統(tǒng)中花費(fèi)的總時(shí)間總時(shí)間等待時(shí)間等待時(shí)間服務(wù)時(shí)間服務(wù)時(shí)間 就顧客而言，總是希