第六章 自動化制造系統(tǒng)的計算機仿真及優(yōu)化

第六章自動化制造系統(tǒng)的計算機仿真第一節(jié)計算機仿真的基本概念及意義第二節(jié)計算機仿真的基本理論及方法第三節(jié)自動化制造系統(tǒng)仿真研究的主要內(nèi)容第四節(jié)仿真語言介紹第五節(jié)仿真實例第一節(jié)計算機仿真的基本概念及意義仿真仿真就是將所研究的對象用其它手段加以模仿的一種活動。{實物仿真非實物仿真如曹沖稱象、軍事演習(xí)、飛行器風(fēng)洞試驗、核爆炸試驗等，屬于實物仿真的例子。計算機仿真的基本概念計算機仿真計算機仿真是一種非實物仿真方法，是用計算機對一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為進行動態(tài)演示,以評價或預(yù)測一個系統(tǒng)的行為效果,為決策提供信息的一種方法.它是解決較復(fù)雜的實際問題的一條有效途徑。計算機仿真的基本概念計算機仿真通過建立數(shù)學(xué)模型、編制計算機程序?qū)崿F(xiàn)對真實系統(tǒng)的模擬,從而了解系統(tǒng)隨時間變化的行為或特性。計算機仿真的基本概念仿真舉例

計算機仿真反映出新的科學(xué)技術(shù)的時代特征,它的應(yīng)用為各個領(lǐng)域帶來新氣象和成果。應(yīng)用的領(lǐng)域有：航空管理,公交車的調(diào)度,飛機設(shè)計,動畫設(shè)計,三峽的安全、生態(tài),道路的修建,醫(yī)療保險,國債的發(fā)行,家居裝修,煉鋼的溫度估計,發(fā)電廠的操作訓(xùn)練,飛行員訓(xùn)練，鼠疫的檢測和預(yù)報。

計算機仿真的基本概念

黑死病菌寄生于老鼠身上,是由跳蚤傳染給人類，又叫鼠疫。病菌隨著跳蚤叮咬進入人體，約2-5天的潛伏期之后，患者鼠蹊部及其他淋巴結(jié)開始紅腫、疼痛，隨之開始發(fā)高燒、疲倦、皮膚變黑，故被稱為黑死病。死亡率高達60-90%……鼠疫的傳播計算機仿真的基本概念最原始的生化武器

1346年，蒙古大將去攻打黑海邊富庶的卡法城，久攻不下，這時蒙古軍中發(fā)生鼠疫，士兵死亡無數(shù)，眼看就要無法而退了，這時蒙古將軍想出一個方法，把死亡士兵的尸體用彈弩投入城中，迫使城中流行鼠疫，城門自然不攻而破。在城破時，一位意大利熱內(nèi)亞的富商，帶著妻小和金銀珠寶乘船逃了出來。他在地中海各國漂流很久，沒有國家敢收留他們，大家都害怕鼠疫的傳染。最后回到家鄉(xiāng)熱內(nèi)亞，他把所有的財富全部推在甲板上，對著守城的人說：“我離開卡法城已經(jīng)六個月了，我若感染鼠疫早就死了，但我并沒有死，可見我并沒有瘟疫。假如你讓我進城，甲板上的珠寶就是你們的?！蔽覀儸F(xiàn)在知道鼠疫是由老鼠身上的跳蚤傳染的，通常老鼠躲在船底污穢處，人們不易察覺。熱內(nèi)亞人打開城門讓這艘船進來后，鼠疫就從熱內(nèi)亞傳播開來，傳遍整個歐洲，包括北方的斯堪尼亞半島都無法幸免。每天黃昏時有人推著獨輪車，手里搖著鈴喊著：“bringoutthedead,bringoutthedead..…”（把尸體拿出來，把尸體拿出來……）家家戶戶就把尸體搬出來丟到城外焚燒，說死尸如山是一點都不為過。鼠疫肆虐歐洲一百多年，使得三分之一的人口死亡。計算機仿真的基本概念歐洲鼠疫流行時死亡無數(shù)計算機仿真的基本概念鼠疫期間貴族紛紛棄城逃往計算機仿真的基本概念疫如此讓人恐怖，那么有沒有什么好的預(yù)測方式呢？計算機仿真就是一個很好的預(yù)測方法。研究發(fā)現(xiàn)，鼠疫是由老鼠身上一種特殊的跳蚤傳播的。跳蚤的多少決定是否發(fā)生鼠疫跳蚤老鼠水草我們可以用計算機根據(jù)一個地區(qū)的氣候模擬出當(dāng)年此地水草的情況就可以預(yù)測出是否有鼠疫要發(fā)生。計算機仿真的基本概念

三峽水庫總庫容393億立方米，總裝機容量1820萬千瓦，將是世界上最大的水電站。但是三峽的安全問題是一個很重要的問題，我們不可能等到建好后再看它的安全性，用計算機仿真就可以很好的解決這一問題。長江三峽工程計算機仿真的基本概念飛機設(shè)計中有一個重要環(huán)節(jié)：風(fēng)洞試驗。實際的風(fēng)洞試驗費用巨大。使用計算機仿真進行模擬風(fēng)洞試驗，使費用大大降低。飛機設(shè)計計算機仿真的意義便于重復(fù)進行試驗，便于控制參數(shù)，時間短，代價小?？梢栽谡鎸嵪到y(tǒng)建立起來之前，預(yù)測其行為效果，從而可以從不同結(jié)構(gòu)或不同參數(shù)的模型的結(jié)果比較之中，選擇最佳模型。對于缺少解析表示的系統(tǒng)，或雖有解析表示但無法精確求解的系統(tǒng)，可以通過仿真獲得系統(tǒng)運行的數(shù)值結(jié)果。對于隨機性系統(tǒng)，可以通過大量的重復(fù)試驗，獲得其平均意義上的特性指標(biāo)。系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)的特點仿真是分析、評價和優(yōu)化系統(tǒng)性能的一種技術(shù)手段。與運籌學(xué)（優(yōu)化）模型等相比，仿真模型無需對系統(tǒng)作過多簡化，能更真實地反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性能特征。優(yōu)化模型通常僅給出優(yōu)化結(jié)果，而仿真可以再現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)運行過程。目前，數(shù)字化仿真已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)和制造系統(tǒng)研制過程中，成為系統(tǒng)方案論證、規(guī)劃設(shè)計、參數(shù)及性能優(yōu)化研究的有效工具。

建模與仿真技術(shù)在制造系統(tǒng)中的作用：

（1）有利于提高產(chǎn)品及制造系統(tǒng)的開發(fā)質(zhì)量

（2）有利于縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期

（3）有利于降低產(chǎn)品及制造系統(tǒng)的開發(fā)成本

（4）可以完成復(fù)雜產(chǎn)品或系統(tǒng)的操作培訓(xùn)

一、計算機仿真的一般過程明確問題和提出總體方案。把被仿真系統(tǒng)的內(nèi)容表達清楚；弄清仿真的目的、系統(tǒng)的邊界；確定問題的目標(biāo)函數(shù)和可控變量；找出系統(tǒng)的實體、屬性和活動等。系統(tǒng)分析建立模型；

選擇合適的仿真方法（如時間步長法、事件表法等）；確定系統(tǒng)的初始狀態(tài)；設(shè)計整個系統(tǒng)的仿真流程圖。收集數(shù)據(jù)；編寫程序、程序驗證；模型確認。模型構(gòu)造第二節(jié)計算機仿真的基本理論及方法仿真研究的步驟運行：確定具體的運行方案,如初始條件、參數(shù)、步長、重復(fù)次數(shù)等,然后輸入數(shù)據(jù),運行程序。改進：將得出的仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)比較,進一步分析和改進模型,直到符合實際系統(tǒng)的要求及精度為止。模型的運行與改進設(shè)計出結(jié)構(gòu)清晰的仿真結(jié)果輸出。包括提供文件的清單,記錄重要的中間結(jié)果等。輸出格式要有利于用戶了解整個仿真過程,分析和使用仿真結(jié)果.設(shè)計格式輸出仿真結(jié)果仿真研究步驟問題的闡述設(shè)置目標(biāo)及完整的項目研究計劃建立模型收集數(shù)據(jù)編程序程序驗證模型確認試驗設(shè)計運行與分析進一步運行仿真結(jié)束輸出結(jié)果是是是是否否否否系統(tǒng)分析模型構(gòu)造模型運行輸出結(jié)果二、離散事件系統(tǒng)仿真的基本技術(shù)

系統(tǒng)分類連續(xù)系統(tǒng)（continuoussystem）離散事件動態(tài)系統(tǒng)（DEDS）確定性系統(tǒng)（deterministicsystem）隨機系統(tǒng)（stochasticsystem）靜態(tài)系統(tǒng)（staticsystem）

動態(tài)系統(tǒng)（dynamicsystem）

白箱（whitebox）

灰箱（greybox）

黑箱（blackbox）

微觀模型（microscopicmodel）

宏觀模型（macroscopicmodel）

集中參數(shù)模型（lumpedparametersmodel）

分布參數(shù)模型（distributionparametersmodel）

離散事件系統(tǒng)建模與仿真中的基本元素包括：1．實體（entity）：系統(tǒng)內(nèi)的對象,構(gòu)成系統(tǒng)模型的基本要素

臨時實體（temporaryentity）

永久實體（permanententity）

2．屬性（attribute）：實體的狀態(tài)和特性

3．狀態(tài)（state）：任一時刻，系統(tǒng)中所有實體的屬性的集合4．事件（event）：引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的行為和起因，是系統(tǒng)狀態(tài)變化的驅(qū)動力

5．活動（activity）：指兩個事件之間的持續(xù)過程，它標(biāo)志系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移

6．進程（process）：與某類實體相關(guān)的若干有序事件及活動組成，它描述了相關(guān)事件及活動之間的邏輯和時序關(guān)系

7．仿真時鐘（simulationclock）：用于顯示仿真時間的變化，是仿真模型運行時序的控制機構(gòu)

！??！仿真時鐘是指所模擬的實際系統(tǒng)運行所需的時間，而不是指計算機執(zhí)行仿真程序所需的時間。

常用的仿真時鐘的推進機制：仿真時鐘可以按固定的長度向前推進，也可以按變化的節(jié)拍向前推進，將仿真時鐘變化的機制稱為

仿真時鐘的推進機制（timeadvancemechanism）①固定步長時間推進機制（fixed-incrementtimeadvancemechanism）②下次事件時間推進機制（nexteventtimeadvancemechanism）③混合時間推進機制（mixedtimeadvancemechanism）8.規(guī)則（rule）

：用于描述實體之間的邏輯關(guān)系和系統(tǒng)運行策略的邏輯語句和約定

常用的規(guī)則：①先進先出（FirstInFirstOut，F(xiàn)IFO）②后進先出（LastInFirstOut，LIFO）③加工或服務(wù)時間最短（shortesttime）④按優(yōu)先級（highestpriority）⑤隨機（random）選擇三、仿真建模的基本理論(一）、模型的基本概念及分類建模：通過觀測和檢測，在忽略次要因素及不可檢測變量的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法對實際系統(tǒng)進行描述，從而獲得簡化近似模型的過程在系統(tǒng)研究中，模型用來收集系統(tǒng)有關(guān)信息和描述系統(tǒng)有關(guān)實體模型是用以產(chǎn)生行為數(shù)據(jù)的一組指令由實際系統(tǒng)構(gòu)造模型建立模型結(jié)構(gòu)（確定系統(tǒng)的邊界，鑒別系統(tǒng)的實體屬性和活動）提供數(shù)據(jù)（使活動中的屬性間建立確定的關(guān)系）系統(tǒng)模型應(yīng)有的性質(zhì)

相似性——模型與系統(tǒng)在屬性上具有相似的特性和變化規(guī)律簡單性——實用的前提下，越簡單越好多面性——同一系統(tǒng)可能有不同層次的多種模型模型的分類常用分類根據(jù)模型的時間集合：連續(xù)時間模型、離散時間模型根據(jù)模型的狀態(tài)變量：連續(xù)變化模型、離散變化模型①真正的連續(xù)系統(tǒng)，對應(yīng)模型一般為常微分和偏微分方程②常稱為采樣系統(tǒng)，對應(yīng)模型為離散時間的偏微分方程和系統(tǒng)動力學(xué)模型③離散事件模型，用流程圖、表等非數(shù)學(xué)模型形式表示④差分方程模型，有限狀態(tài)自動機，馬爾可夫鏈模型數(shù)學(xué)模型一覽表數(shù)學(xué)模型特征方程式隨機模型系統(tǒng)有確定的輸入時，得到的輸出是不確定的隨機方程確定模型確定輸入得到確定的輸出非隨機方程微觀模型系統(tǒng)在局部或瞬時范圍內(nèi)存在規(guī)律微分方程、差分方程宏觀模型系統(tǒng)在全局或一段時間范圍內(nèi)存在規(guī)律聯(lián)立方程、積分方程線性模型系統(tǒng)的輸入輸出滿足齊次性和疊加性線性方程非線性模型系統(tǒng)的輸入輸出不滿足齊次性和疊加性非線性方程數(shù)學(xué)模型特征方程式連續(xù)模型系統(tǒng)的輸入輸出是連續(xù)時間的函數(shù)微分方程等連續(xù)方程離散模型系統(tǒng)的輸入輸出是時間的整標(biāo)函數(shù)差分方程集中參數(shù)模型系統(tǒng)的輸入能立刻到達系統(tǒng)內(nèi)各點常微分方程等分布參數(shù)模型系統(tǒng)的輸入要經(jīng)過一段時間才能傳播到系統(tǒng)內(nèi)各點偏微分方程定常系統(tǒng)輸出的形狀取決于輸入形狀，與輸入時間無關(guān)常系數(shù)方程時變系統(tǒng)輸出的形狀與輸入的形狀和輸入時間有關(guān)變系數(shù)方程非存儲系統(tǒng)輸出僅與同時刻的輸入有關(guān)代數(shù)方程存儲系統(tǒng)某時刻輸出依賴于到該時刻為止的某區(qū)間上的輸入非代數(shù)方程（二）、建模過程中的信息來源建模過程的信息源建模活動：獲取有關(guān)信息源、建立數(shù)學(xué)模型、模型應(yīng)用三類信息源建模目標(biāo)：由系統(tǒng)的研究內(nèi)容決定，如研究系統(tǒng)與外界的相互作用關(guān)系：以輸入輸出為主的系統(tǒng)外部行為模型研究系統(tǒng)的內(nèi)在活動規(guī)律：描述系統(tǒng)輸入/輸出集合，狀態(tài)集合之間關(guān)系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)模型先驗知識

前人的研究成果：公理、原理、定理及模型等，相關(guān)學(xué)科知識實驗數(shù)據(jù)

先驗知識常常是普遍性規(guī)律，實際系統(tǒng)有其特殊性，有時只知道模型結(jié)構(gòu)，其參數(shù)必須通過實驗確定，有時甚至結(jié)構(gòu)也是未知的三者都可以用于模型檢驗，建模過程一般反復(fù)進行，直至達到建模目的

（三）建模方法（主要由信息源決定）演繹法：從一般到特殊運用先驗信息，建立某些假設(shè)和原理通過數(shù)學(xué)的邏輯演繹建立數(shù)學(xué)模型實驗數(shù)據(jù)用來證實或者否定原始的原理

歸納法：從特殊到一般

基于實驗數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型

推導(dǎo)與觀測一致的具有普遍性的理論結(jié)果

需要對數(shù)據(jù)進行內(nèi)插或外推

工程應(yīng)用中多為混合建模方法模型可信性模型的真實程度，取決于模型種類及構(gòu)造過程，與模型的有效性相對應(yīng)。在行為水平上的可信性：模型能否重現(xiàn)真實系統(tǒng)的行為

在狀態(tài)結(jié)構(gòu)水平上的可信性：模型能否與真實系統(tǒng)在狀態(tài)上相互對應(yīng)，應(yīng)能對未來的行為進行唯一的預(yù)測在分解結(jié)構(gòu)水平上的可信性：模型能否表示出真實系統(tǒng)的內(nèi)部的工作情況，而且應(yīng)是唯一的表示第三節(jié)自動化制造系統(tǒng)仿真研究的主要內(nèi)容研究基于計算機的建模理論的目標(biāo)：在交互式計算機的扶助下，使系統(tǒng)建模過程進行得更加有效、現(xiàn)實和高速支持建模與仿真的計算機系統(tǒng)的基本功能能對已知事實及已有模型作恰當(dāng)?shù)拇鎯Γ茨芴幚砀鞣N局部模型通過人機交互，對局部模型進行繼承和綜合利用，形成完整的全局模型全局性建模的基本思路模型的描述靜態(tài)結(jié)構(gòu)：給出描繪系統(tǒng)現(xiàn)象的方式動態(tài)結(jié)構(gòu)：提供各種現(xiàn)象間變化的情況重視建模信息源存儲先驗信息，根據(jù)建模目標(biāo)，定義實驗框架組合和完整化模型的先驗知識對所有涉及的對象都建立相應(yīng)的庫制造系統(tǒng)仿真的調(diào)度策略總體上，仿真模型可以分為三個層次：仿真總控程序、模型單元子程序以及公共子程序。

事件、活動、進程是描述離散系統(tǒng)狀態(tài)變化的基本術(shù)語。

事件:

此外，仿真模型中還存在程序事件，即根據(jù)需要設(shè)定的事件。

事件是引起系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的行為和起因，是系統(tǒng)狀態(tài)變化的驅(qū)動力。例如：倉儲系統(tǒng)中物品的入庫到達是一個事件，物品的出庫離去是另一個事件。例如：在仿真過程中為了使仿真結(jié)束，專門定義一個事件，使其終止仿真。例如：倉儲“物品到達”是一個事件，該事件的發(fā)生可能會使倉儲系統(tǒng)的貨位從“空閑”狀態(tài)變?yōu)椤胺强臻e”狀態(tài)。從“物品到達”事件直到“物品取出”，物品都處在貨位中存儲的狀態(tài)，即處于“存儲”活動中。因此，“存儲”活動的開始和結(jié)束標(biāo)志著物品的到達和離去，標(biāo)志著貨位的空閑與非空閑的轉(zhuǎn)變。

活動:

活動是事件與事件之間的過程，是系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的標(biāo)志。

進程是有序的事件與活動組成的過程，它描述了其中的事件、活動的相互邏輯關(guān)系和時序關(guān)系。

進程：例如：一種物品進入倉庫，經(jīng)過在貨位的存儲，直到從倉庫中出庫，物品經(jīng)歷了一個進程。事件、活動與進程之間的關(guān)系

與事件、活動、進程相對應(yīng)，離散事件系統(tǒng)的仿真策略可以分為：事件調(diào)度法、活動掃描法、進程交互法等。

仿真時鐘是離散系統(tǒng)系統(tǒng)仿真中的重要術(shù)語，它決定著仿真事件的推進機制、仿真精度和仿真效率。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展，基于消息驅(qū)動的仿真策略受到人們重視。①事件調(diào)度法（eventscheduling）

事件調(diào)度法（eventscheduling）以事件為分析系統(tǒng)的基本單位，通過定義事件、事件發(fā)生的時間順序及其系統(tǒng)狀態(tài)的變化，并以事件來驅(qū)動仿真模型的運行。

事件（event）是離散事件系統(tǒng)的基本概念，事件的發(fā)生引起系統(tǒng)狀態(tài)的改變。仿真模型中的事件存放于“事件表”中，通過時間控制模塊從事件表中選擇最先發(fā)生的事件；重置仿真時鐘，并調(diào)用與該事件對應(yīng)的事件處理模塊；更新系統(tǒng)狀態(tài)，決定未來將要發(fā)生的事件；當(dāng)當(dāng)前事件結(jié)束后，返回時間控制模塊；重復(fù)事件的選擇與處理，直到仿真結(jié)束。

事件調(diào)度法的仿真過程：事件調(diào)度法仿真模型中總控程序的任務(wù)：（2）事件辨識：辨識將要發(fā)生的事件（3）事件執(zhí)行：執(zhí)行當(dāng)前發(fā)生的事件，將已發(fā)生的事件從事件表中移出②活動掃描法（activityscanning）

事件調(diào)度法是一種預(yù)定事件發(fā)生時間的策略，仿真模型中必須預(yù)定系統(tǒng)中最先發(fā)生的事件，以便啟動仿真進程。此外，事件處理子程序中除要修改系統(tǒng)狀態(tài)外，還要預(yù)定本類事件的下一事件將要發(fā)生的時間。因此，該方法對活動持續(xù)時間確定的系統(tǒng)較為方便。當(dāng)事件的發(fā)生不僅與時間有關(guān)，并且只有在滿足某些條件才發(fā)生的系統(tǒng)而言，由于系統(tǒng)活動的持續(xù)時間不確定，無法預(yù)定活動的開始或終止時間，事件調(diào)度法就存在不足。

活動掃描法（activityscanning）以“活動”作為分析系統(tǒng)的基本單元，認為仿真系統(tǒng)的運行是由若干活動構(gòu)成，每一活動對應(yīng)一個活動處理模塊，處理與活動相關(guān)的事件。一個活動可以由“開始（激發(fā)）”和“結(jié)束（終止）”兩個事件表示，每一事件都有相應(yīng)的活動處理模塊。處理中的操作能否進行取決于時間及系統(tǒng)狀態(tài)。一個實體可以有幾個活動處理模塊。每一個進入系統(tǒng)的主動實體都處于某種活動的狀態(tài)?；顒拥募ぐl(fā)與終止都會形成新的事件。用各實體時間元的最小值推進仿真時鐘；按優(yōu)先序執(zhí)行激活實體的活動處理，使測試通過的事件得以發(fā)生；改變系統(tǒng)狀態(tài)，確定相關(guān)事件的發(fā)生時間。

“活動處理”是活動掃描法的基本處理單元。

活動掃描法的基本思想：活動掃描法不斷掃描系統(tǒng)，檢驗?zāi)男┗顒涌梢约ぐl(fā)，哪些活動繼續(xù)保持，哪些活動可以終止。

活動掃描法仿真的基本過程：面向活動仿真模型總控程序的算法結(jié)構(gòu)包括：①時間掃描②活動例程掃描

由于事件直接影響系統(tǒng)狀態(tài)，活動掃描要反復(fù)進行，包括確定事件和條件事件。③進程交互法（ProcessInteraction）事件調(diào)度法和活動掃描法的基本模型單元分別是事件處理和

活動處理。它們都針對具體事件而建立，各處理相對獨立。

進程交互法的基本模型單元是進程。進程針對某類實體的生命周期而建立，一個進程包含了實體流動中發(fā)生的所有事件。以單服務(wù)臺排隊服務(wù)系統(tǒng)為例，顧客生命周期的進程為：為每個實體建立一個進程，以反映某個實體從產(chǎn)生開始到結(jié)束為止的全部活動。

進程交互法的特點：顧客排隊進程模型模型說明：服務(wù)員兩名，隊列一條“?”表示某顧客產(chǎn)生的時刻，也為相應(yīng)進程開始的時刻；“?”表示某顧客離去的時刻，也為相應(yīng)進