《制造系統(tǒng)建模與仿真》講義1

2024/3/241第一章系統(tǒng)建模與仿真的根本概念

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WhatisModelingandSimulation?BasicStepsofModelingandSimulationIntroductionofMainSimulationSoftware2024/3/242WhatisModelingandSimulation?仿真〔Simulation〕也稱模擬，它是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的試驗(yàn)，研究已存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)性能的方法及其技術(shù)。

仿真可以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)行為及性能特征，用于分析系統(tǒng)配置是否合理、性能是否滿足要求，預(yù)測(cè)系統(tǒng)可能存在的缺陷，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供決策支持和科學(xué)依據(jù)。

例如：研制新型飛機(jī)時(shí)，一般先要對(duì)按比例縮小的飛機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以驗(yàn)證飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能；2024/3/243WhatisModelingandSimulation?2024/3/244WhatisModelingandSimulation?

開(kāi)發(fā)新型輪船或艦艇等時(shí)，一般先要在水池中對(duì)縮小的輪船模型進(jìn)行試驗(yàn)，以了解輪船的各種性能；2024/3/245WhatisModelingandSimulation?

我國(guó)在建設(shè)三峽大壩時(shí)，廣泛采用建模與仿真技術(shù)研究和評(píng)估大壩對(duì)環(huán)境、生態(tài)、洪水等方面的影響。2024/3/246WhatisModelingandSimulation?

設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)線或新產(chǎn)品時(shí)，要通過(guò)仿真或試驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)線或產(chǎn)品性能作出評(píng)估：2024/3/247WhatisModelingandSimulation?

神舟飛船：神舟飛船海上試驗(yàn)神舟飛船模擬飛行圖神舟飛船發(fā)射神舟飛船系統(tǒng)2024/3/248飛船上的模擬航天員風(fēng)洞試驗(yàn)為神舟飛船打造平安屏障WhatisModelingandSimulation?2024/3/249WhatisModelingandSimulation?因此，仿真通常與模型〔model〕、建模〔modeling〕過(guò)程密切相關(guān)。

其它仿真案例

建筑的抗震和防風(fēng)設(shè)計(jì)：2024/3/2410WhatisModelingandSimulation?

根據(jù)仿真模型的不同，仿真可以分為物理仿真、數(shù)學(xué)仿真以及物理-數(shù)學(xué)仿真。

物理仿真是通過(guò)對(duì)實(shí)際存在的模型進(jìn)行試驗(yàn)，以研究系統(tǒng)的性能，如飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)、建筑及城市規(guī)劃模型等。

數(shù)學(xué)仿真是利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲得現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征和規(guī)律。

物理-數(shù)學(xué)仿真是前兩者的有機(jī)結(jié)合，如各種航空、航天仿真訓(xùn)練器等。2024/3/2411WhatisModelingandSimulation?2024/3/2412WhatisModelingandSimulation?2024/3/2413WhatisModelingandSimulation?顯然，如果采用數(shù)學(xué)仿真可以研究實(shí)際系統(tǒng)的性能的話，將能顯著地降低模型試驗(yàn)的時(shí)間及本錢。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變化是否連續(xù)，可以將系統(tǒng)分為連續(xù)系統(tǒng)〔continuoussystem)和離散事件系統(tǒng)(discreteeventsystem)。

連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生連續(xù)變化，如化工、電力、液壓-氣動(dòng)系統(tǒng)、銑削加工等。

連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有微分方程、狀態(tài)方程、脈沖響應(yīng)函數(shù)等形式。2024/3/2414WhatisModelingandSimulation?制造領(lǐng)域中生產(chǎn)線/裝配線、路口的交通流量分布、電信網(wǎng)絡(luò)的流量等都是典型的離散事件系統(tǒng)。

離散事件系統(tǒng)是指只有在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生“事件”時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)才發(fā)生變化的系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)模型通常為差分方程。

根據(jù)應(yīng)用性質(zhì)的不同，仿真系統(tǒng)可以分為研制類仿真系統(tǒng)和應(yīng)用類仿真系統(tǒng)兩大類型。

研制類仿真系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品分析、設(shè)計(jì)、制造、裝配、檢測(cè)及優(yōu)化等；

應(yīng)用類仿真系統(tǒng)用于系統(tǒng)操作及管理人員的培訓(xùn)等。2024/3/2415WhatisModelingandSimulation?階段應(yīng)用內(nèi)容概念化設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析及可行性研究，選擇合理的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)建模建立系統(tǒng)及零部件模型，判斷產(chǎn)品外形、質(zhì)地及物理特性是否滿意設(shè)計(jì)分析分析產(chǎn)品及系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)、噪音、可靠性等性能指標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特定性能或綜合性能的優(yōu)化制造刀具加工軌跡、可裝配性仿真，及早發(fā)現(xiàn)加工、裝配中可能發(fā)生的問(wèn)題樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)行性能仿真，虛擬樣機(jī)試驗(yàn)，以確認(rèn)設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)性能的持續(xù)改進(jìn)及優(yōu)化仿真技術(shù)在系統(tǒng)研制中的應(yīng)用

2024/3/2416WhatisModelingandSimulation?隨著計(jì)算數(shù)學(xué)的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)展，人們?cè)絹?lái)越多地通過(guò)數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真研究，進(jìn)而形成計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。

計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)質(zhì)是仿真過(guò)程的數(shù)字化，因而也稱為數(shù)字化仿真。

數(shù)字化仿真具有顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的重要支撐技術(shù)和手段：2024/3/2417WhatisModelingandSimulation?①有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)多以滿足根本使用要求為準(zhǔn)那么。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和相關(guān)技術(shù)的開(kāi)展，使得產(chǎn)品全壽命周期的綜合性能最優(yōu)成為現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心準(zhǔn)那么。

但是，物理仿真往往難以復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜工作環(huán)境，或因復(fù)現(xiàn)環(huán)境的代價(jià)太高而難以付諸實(shí)施。數(shù)字化仿真技術(shù)可以克服上述缺點(diǎn)，在產(chǎn)品未實(shí)際開(kāi)發(fā)出來(lái)之前，研究產(chǎn)品在各種工作環(huán)境下的表現(xiàn)，以保證產(chǎn)品具有良好的綜合性能。2024/3/2418WhatisModelingandSimulation?②有利于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)遵循設(shè)計(jì)、制造、裝配、樣機(jī)試驗(yàn)的串行開(kāi)發(fā)模式，而簡(jiǎn)單的計(jì)算分析難以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)被設(shè)計(jì)產(chǎn)品的實(shí)際性能，通常需通過(guò)樣機(jī)試制和樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，確定設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，以便修改、完善設(shè)計(jì)。

因此，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的繁復(fù)性大、成功率低、周期長(zhǎng)。采用數(shù)字化仿真技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工、裝配以及系統(tǒng)性能的仿真，提高設(shè)計(jì)的一次成功率，縮短設(shè)計(jì)周期。2024/3/2419WhatisModelingandSimulation?③有利于降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)本錢數(shù)字化仿真以虛擬樣機(jī)代替實(shí)際樣機(jī)或模型進(jìn)行試驗(yàn)，能顯著地降低開(kāi)發(fā)本錢。④可以完成復(fù)雜產(chǎn)品的操作、使用訓(xùn)練2024/3/2420WhatisModelingandSimulation?Ford、BMW、FIAT以及Volvo等世界領(lǐng)先汽車制造企業(yè)的汽車新品開(kāi)發(fā)，已經(jīng)徹底摒棄了傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式，從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、樣機(jī)、樣機(jī)性能試驗(yàn)及修改完善等所有環(huán)節(jié)都在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中完成，極大地加快了新品開(kāi)發(fā)速度、降低了開(kāi)發(fā)本錢，使上述企業(yè)保持了在行業(yè)中的領(lǐng)先地位。

美國(guó)Boeing公司的777型飛機(jī)開(kāi)發(fā)廣泛采用數(shù)字化仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中完成了飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、裝配及試飛的全部過(guò)程，取消了傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)、上天試飛等物理仿真及試驗(yàn)環(huán)節(jié)，使開(kāi)發(fā)周期由原先的9～10縮短為4.5年。2024/3/2421BasicStepsofModelingandSimulation

數(shù)字化仿真就是在計(jì)算機(jī)上將描述實(shí)際系統(tǒng)的幾何、數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為能被計(jì)算機(jī)求解的仿真模型，并編制相應(yīng)的仿真程序進(jìn)行求解，以獲得系統(tǒng)性能參數(shù)的方法及過(guò)程。實(shí)際系統(tǒng)幾何建模數(shù)學(xué)建模仿真試驗(yàn)仿真建模仿真結(jié)果數(shù)字化仿真的根本步驟2024/3/2422BasicStepsofModelingandSimulation1系統(tǒng)建模

仿真是一種基于模型的試驗(yàn)活動(dòng)。

模型是對(duì)實(shí)際或設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的某種形式的描述與表達(dá)，通過(guò)模型可以分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、動(dòng)態(tài)行為和能力。系統(tǒng)建模是仿真的根底，模型的質(zhì)量和準(zhǔn)確性決定了仿真結(jié)果的可信性和有效性。

根據(jù)抽象程度和研究方法的不同，可分為物理模型、概念模型、分析模型以及知識(shí)模型等。2024/3/2423BasicStepsofModelingandSimulation

其中，分析模型包括數(shù)學(xué)模型、啟發(fā)式模型以及仿真模型等形式。

數(shù)學(xué)建模是根據(jù)仿真目標(biāo)，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

仿真建模是采用仿真軟件中的仿真算法或通過(guò)程序語(yǔ)言，將系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的計(jì)算程序。

總體上，數(shù)學(xué)建模方法可以分為兩類：2024/3/2424BasicStepsofModelingandSimulation②歸納法

通過(guò)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的測(cè)試，獲得有關(guān)真實(shí)系統(tǒng)本質(zhì)的信息及數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)對(duì)信息及數(shù)據(jù)的處理，得出對(duì)真實(shí)系統(tǒng)規(guī)律性的描述。①演繹法從某些前提、假設(shè)、原理和規(guī)那么出發(fā)，通過(guò)數(shù)學(xué)或邏輯推導(dǎo)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。演繹法是從一般到特殊的過(guò)程，即根據(jù)普遍原理推導(dǎo)出被仿真對(duì)象的特殊描述。2024/3/2425BasicStepsofModelingandSimulation

歸納法是利用對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)模型，是從特殊到一般的過(guò)程。

為保證仿真結(jié)果的可靠性，必須充分了解真實(shí)系統(tǒng)，以提煉出真實(shí)系統(tǒng)的本質(zhì)特征，這就是模型的“可信度”問(wèn)題。

模型的可信度即模型的相似性和精度，它不僅取決于建模所用的先驗(yàn)知識(shí)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確完備，還取決于所用的建模方法是否合理、嚴(yán)密。

此外，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為仿真模型的過(guò)程中，還存在模型的轉(zhuǎn)換精度問(wèn)題，也會(huì)影響模型的可信度。2024/3/2426BasicStepsofModelingandSimulation④識(shí)別與驗(yàn)證了解系統(tǒng)特性、發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。

就制造系統(tǒng)而言，建模與仿真的目的包括：①優(yōu)化尋求最正確的決策或設(shè)計(jì)變量；②預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)性能或敏感因素；③控制選擇適宜的控制規(guī)那么或方法；2024/3/2427BasicStepsofModelingandSimulation2024/3/2428BasicStepsofModelingandSimulation2仿真試驗(yàn)

仿真試驗(yàn)是運(yùn)行仿真程序、進(jìn)行仿真研究的過(guò)程，也就是對(duì)所建立的仿真模型進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)和求解的過(guò)程。

不同的仿真模型有不同的求解方法。例如：連續(xù)系統(tǒng)通常用常微分方程、傳遞函數(shù)、偏微分方程〔如有限差分法、蒙特卡羅法或有限元方法等〕求解。2024/3/2429BasicStepsofModelingandSimulation不同類型的離散事件系統(tǒng)〔如效勞系統(tǒng)、庫(kù)存系統(tǒng)等〕有不同的仿真方法。

離散系統(tǒng)的仿真一般為數(shù)值試驗(yàn)的過(guò)程，即測(cè)試當(dāng)參數(shù)符合一定概率分布規(guī)律時(shí)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。離散事件系統(tǒng)的仿真模型通常是概率模型。

從仿真試驗(yàn)中提取有價(jià)值的信息，以指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，是仿真的最終目標(biāo)。3仿真結(jié)果分析2024/3/2430BasicStepsofModelingandSimulation

目前，仿真軟件中廣泛采用圖形化技術(shù)，通過(guò)圖形、圖表、動(dòng)畫等形式顯示被仿真對(duì)象的各種狀態(tài)，使得仿真數(shù)據(jù)更加直觀、豐富和詳盡，也有利于人們對(duì)仿真結(jié)果的分析。

早期仿真軟件的仿真結(jié)果多以數(shù)據(jù)的形式輸出，需要研究人員花費(fèi)大量時(shí)間整理、分析仿真數(shù)據(jù)，以得到科學(xué)結(jié)論。

另外，應(yīng)用領(lǐng)域及仿真對(duì)象不同，仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)形式和分析方法也不盡相同。

2024/3/2431BasicStepsofModelingandSimulation研究對(duì)象、數(shù)學(xué)模型及仿真模型之間的關(guān)系一般地，研究對(duì)象、數(shù)學(xué)模型及仿真模型之間的關(guān)系如下：仿真建模

仿真試驗(yàn)數(shù)學(xué)建模

研究對(duì)象：已有或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)

數(shù)學(xué)模型：系統(tǒng)的幾何及數(shù)學(xué)模型

仿真模型：仿真算法及程序2024/3/2432IntroductionofMainSimulationSoftware

現(xiàn)代仿真軟件開(kāi)發(fā)廣泛采用如下技術(shù)：

系統(tǒng)建模和仿真過(guò)程也存在著不少缺陷，如：缺乏有效的仿真建模方法、仿真模型的開(kāi)發(fā)過(guò)程與仿真實(shí)驗(yàn)相互混淆、缺少有效的數(shù)據(jù)和模型管理工具等。

傳統(tǒng)的仿真軟件多采用面向應(yīng)用和以語(yǔ)言為中心的開(kāi)發(fā)模式。仿真系統(tǒng)的應(yīng)用范圍窄、適應(yīng)性差，可擴(kuò)展性和可維護(hù)性差。2024/3/2433IntroductionofMainSimulationSoftware①開(kāi)放式結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)化，使軟件能適用于多種網(wǎng)絡(luò)接口、通信標(biāo)準(zhǔn)和操作系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和可維護(hù)性。②“事件驅(qū)動(dòng)”的編程方法早期的編程方法為“順序驅(qū)動(dòng)”，程序結(jié)構(gòu)缺少靈活性；“事件驅(qū)動(dòng)”將復(fù)雜多變的與仿真對(duì)象有關(guān)的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)信息作為驅(qū)動(dòng)事件別離出去，主程序中為通用性強(qiáng)、相對(duì)固定的程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)靈活性增加。2024/3/2434IntroductionofMainSimulationSoftware③模塊化建模模塊化建模是實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)編程的根底，可以提高代碼利用率，有利于減少軟件規(guī)模，適應(yīng)了面向?qū)ο缶幊獭＂軘?shù)據(jù)處理技術(shù)數(shù)據(jù)是仿真的根底，仿真系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)際是數(shù)據(jù)的交互活動(dòng)。仿真數(shù)據(jù)可分為關(guān)系數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩類，關(guān)系數(shù)據(jù)包括模型參數(shù)、監(jiān)控信息等，而實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)那么是仿真運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，它具備與仿真計(jì)算同步刷新的功能。2024/3/2435IntroductionofMainSimulationSoftware

從應(yīng)用角度，仿真軟件可以分為兩類：

基于仿真語(yǔ)言

應(yīng)用較為廣泛，但缺乏針對(duì)性，且用戶需要有一定的專業(yè)知識(shí)、建模能力及編程技巧，仿真模型開(kāi)發(fā)的工作量也較大。GPSS、SIMSCRIPT、SIMAN、SLAM都是有代表性的仿真語(yǔ)言。

基于專用仿真環(huán)境

專用仿真環(huán)境針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域，可以使用戶的精力集中于系統(tǒng)分析及建模，有利于提高仿真效率和仿真質(zhì)量。典型軟件包括ProModel、ARENA、FLEXSIM、ADAMS等。2024/3/2436IntroductionofMainSimulationSoftware

例如：ProModel采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ蚱屏藗鹘y(tǒng)仿真軟件面向過(guò)程的方式，使仿真建模、運(yùn)行和結(jié)果分析更加方便，可以為生產(chǎn)流水線、裝配流水線等復(fù)雜制造系統(tǒng)提供仿真和分析。

就制造系統(tǒng)而言，存在不同類型、適合于不同領(lǐng)域的仿真軟件，如運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件、動(dòng)力學(xué)仿真軟件、結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)仿真軟件、數(shù)控編程及加工仿真軟件、生產(chǎn)及裝配線仿真軟件、注塑模具成型仿真軟件、鑄造成型仿真軟件、沖壓成型仿真分析軟件、流體傳動(dòng)仿真軟件、物流系統(tǒng)仿真軟件、生產(chǎn)管理仿真軟件等。

2024/3/2437IntroductionofMainSimulationSoftware軟件名稱公司名稱主要應(yīng)用領(lǐng)域金銀花V-CNC廣州紅地技術(shù)有限公司數(shù)控編程及加工仿真系統(tǒng)PAM-STAMP、OPTRIS法國(guó)ESIGroup沖壓成型仿真軟件PAM-CAST、PROCAST法國(guó)ESIGroup鑄造成型仿真系統(tǒng)PAM-SAFE法國(guó)ESIGroup汽車被動(dòng)安全性仿真軟件PAM-CRASH法國(guó)ESIGroup碰撞、沖擊仿真軟件PAM-FORM法國(guó)ESIGroup塑料、非金屬與復(fù)合材料熱成形仿真軟件SYSWELD法國(guó)ESIGroup熱處理、焊接及焊接裝配仿真軟件2024/3/2438IntroductionofMainSimulationSoftware軟件名稱公司名稱主要應(yīng)用領(lǐng)域Flexsim美國(guó)ManufacturingEngineering，Inc離散事件系統(tǒng)仿真軟件MATLAB美國(guó)MathWorks，Inc控制系統(tǒng)仿真語(yǔ)言及系統(tǒng)SIMPACK德國(guó)INTECGmbH機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)WITNESS英國(guó)LannerGroup制造、汽車、運(yùn)輸、電子等仿真軟件DEFORM美國(guó)ScientificFormingTech.Corp金屬鍛造成型仿真軟件Moldflow美國(guó)MoldflowPtyLtd注塑模具成型仿真軟件2024/3/2439IntroductionofMainSimulationSoftware軟件名稱公司名稱主要應(yīng)用領(lǐng)域MS