自动化制造系统的计算机仿真及优化.ppt
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1、第9章 自动化制造系统的计算机 仿真及优化,9.1 计算机仿真概述,计算机仿真是一种省时、省力、省钱的系统分析研究工具,对分析研究自动化制造系统的设计和运行性能具有巨大的优势,所得到的结论对投资决策能够起到非常重要的支持作用。9.1.1 仿真的基本概念9.1.2 计算机仿真的发展历程(书中解释)9.1.3 计算机仿真的特点9.1.4 计算机仿真的意义9.1.5 自动化制造系统计算机仿真的作用,9.1.1 仿真的基本概念,现代科学研究、生产开发、社会工程、经济运营中涉及的许多项目都有一定的规模和复杂度。在进行项目的设计和规划时往往需要对项目的合理性、经济性等品质加以评价。在项目实际运营前也希望对
2、项目的实施结果加以预测以便选择正确、高效的运行策略或提前消除该项目设计中的缺陷,最大限度地提高实际系统的运行水平。采用仿真技术可以省时、省力、省钱地达到上述目的。,9.1.1 仿真的基本概念,仿真对大家来说并不陌生。例如,在进行军事战役之前,进行沙盘推演和实地军事演习就是对该战役的一种仿真研究。设计飞机时,用风洞对机翼进行空气动力学特性研究,就是在飞机上天实际飞行前对其机翼在空中高速气体流场中受力状态和运行状态的一种仿真。,9.1.1 仿真的基本概念,在制造系统的设计阶段,通过某一种模型来研究该系统在不同物理配置情况下、不同物流路径和不同运行控制策略的特性,从而预先对系统进行分析和评价,以获得
3、较佳的配置和较优的控制策略。在制造系统建成后,通过仿真可以研究系统在不同作业计划输入下的运行情况,比较和选择较优的作业计划,以达到提高系统运行效率的目的。这些都是仿真的应用案例,如图9.1所示。,9.1.1 仿真的基本概念,(a)神舟飞船的海上回收仿真,图9.1 仿真案例,9.1.1 仿真的基本概念,(b)飞机机翼高速气流场中受力状态和运行状态仿真,图9.1 仿真案例,9.1.1 仿真的基本概念,(c)无人状态下的飞行仿真,图9.1 仿真案例,9.1.1 仿真的基本概念,(d)制造系统的物理配置仿真,图9.1 仿真案例,9.1.1 仿真的基本概念,“仿真”一词源于英文术语Simulation,
4、早期也译为“模拟”。仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个存在或设计中的系统(这里的系统是指由相互联系和相互制约的各个部分组成的具有一定功能的整体)。简单地说,仿真就是一种基于模型的活动。根据仿真与实际系统配置的接近程度,可以将其分为全物理仿真,半物理仿真和计算机仿真。,9.1.1 仿真的基本概念,采用与实际系统相同或等效的部件或子系统来实现对系统的试验研究,以分析系统的性能,称为全物理仿真。如图9.1(a)和如图9.1(b)所示。在计算机上建立实际系统的计算机模型,并对其进行试验研究的仿真称为计算机仿真。如图9.1(d)。介于前两者之间并将其有机结合,用已研制出来的系统中的实际部件或子系统去
5、代替部分计算机模型所构成的仿真称为半物理仿真。如图9.1(c)所示。,9.1.1 仿真的基本概念,一般说来,计算机仿真较之半物理、全物理仿真在时间、费用和方便性等方面都具有明显的优点。而半物理仿真、全物理仿真具有较高的可信度,但费用昂贵且准备时间长。如图9.2所示给出了计算机仿真、半物理仿真和全物理仿真的关系及其在工程系统研究各阶段的应用。,9.1.1 仿真的基本概念,9.1.1 仿真的基本概念,计算机仿真技术具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势,被称为除理论推导和科学试验之外的人类认识自然和改造自然的第三种手段。因此,除了必须采用半物理或全物理仿真才能满足系统研究的要求的情
6、况外,一般来说都应尽量采用计算机仿真,计算机仿真也由此得到了越来越广泛的应用。,9.1.3 计算机仿真的特点,计算机仿真有别于其它方法的显著特点之一是:它是一种在计算机上进行实验的方法,实验所依赖的是由实际系统抽象出来的仿真模型。由于这一特点,计算机仿真给出的是由实验选出的较优解,而不像数学分析方法那样给出问题的确定性的最优解。,9.1.3 计算机仿真的特点,计算机仿真结果的价值和可信度,与仿真模型、仿真方法及仿真实验输入数据有关。如果仿真模型偏离真实系统,或者仿真方法选择不当,或者仿真实验输入的数据不充分、不典型,则将降低仿真结果的价值。但是,仿真模型对原系统描述得越细、越真实,仿真输入数据
7、集越大,仿真建模的复杂度和仿真时间都会增加。因此,需要在可信度、真实度与复杂度之间加以权衡。,9.1.4 计算机仿真的意义,采用计算机仿真技术具有以下几点十分重要的意义。(l)可以替代许多难以开展或无法实现的实验。(2)可以解决一般理论方法难以求解的大型系统问题。(3)可以经济快速地比较不同方案以降低投资风险并节省研究开发费用。(4)可以避免实际实验对生命和财产的危害。(5)可以缩短实验时间,并不拘于时空限制。,9.1.5 自动化制造系统计算机仿真的作用,根据计算机仿真在自动化制造系统中的作用,可以将其归结为“设计决策”和“运行决策”两种类型。“设计决策”关注制造系统结构、参数和配置的分析、规
8、划、设计与优化,它可以为下列问题的决策提供技术支持:在生产任务一定时,制造系统所需机床、设备、工具以及操作人员的类型和数量。在配置给定的前提下,制造系统的生产能力、生产效率和效益。,9.1.5 自动化制造系统计算机仿真的作用,缓冲区及仓库容量的确定。企业及车间的最佳布局。生产线的平衡分析及优化。企业或车间的瓶颈工位分析与改进。设备故障、统计及维修对系统性能的影响。优化产品销售体系,如配送中心选址、数量与规模等,降低销售成本。,9.1.5 自动化制造系统计算机仿真的作用,“运行决策”关注制造系统运营过程中的生产计划、调度与控制,它可以为以下问题的决策提供技术支持:给定生产任务时,制定作业计划、安
9、排作业班次。制定采购计划,使采购成本最低。优化车间生产控制及调度策略。企业制造资源的调度,以提高资源利用率和实现效益最大化。设备预防性维修周期的制定与优化。,9.1.5 自动化制造系统计算机仿真的作用,对于自动化制造系统而言,计算机仿真具有很多的优点,主要包括:可以用仿真试验新的设计方案、结构参数、调度规则、操作流程以及控制方式等,而无需破坏实际系统或中断实际系统的运行。可以测试车间布局、物流系统等是否合理,而无需消耗大量资源。仿真时通过采用时间“压缩”或“延长”技术,可以加速或延缓制造系统中某些物理现象的发生频率及其持续时间,深层次地揭示制造系统本质特征。,9.1.5 自动化制造系统计算机仿
10、真的作用,有利于深入地观察不同配置、结构和参数之间的相互作用,以便从全局的角度认识系统。有利于分析和发现影响系统性能的关键参数,确定系统的敏感变量。有利于找到系统中的瓶颈工序、部位和设备,以便作有针对性地改进。利用仿真技术,可以逐步地分析和解决系统存在的问题,以实现自动化制造系统的最佳设计和运行过程的最优化。,9.2 计算机仿真的基本理论及方法,9.2.1 仿真建模的基本理论 1.模型的基本概念及分类 2.建模过程中的信息来源 3.建模方法9.2.2 计算机仿真的一般过程9.2.3 离散事件系统仿真的基本技术(书中解释),1.模型的基本概念及分类,如前所述,仿真就是通过对系统模型的实验去研究一
11、个真实系统。由此可见,模型是实现仿真的前提条件。所谓模型就是对真实系统中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象、简化与描述。模型在所研究的系统的某一侧面具有与系统相似的数学描述和物理描述。简而言之,模型是集中反映系统信息的整体。,1.模型的基本概念及分类,模型具有下述特点:它是客观事物的模仿或抽象。它由与分析问题有关的因素构成。它体现了有关因素之间的联系。从另一侧面来看,当我们把系统看成是行为数据源时,那么模型就是一组产生行为数据的指令的集合。,1.模型的基本概念及分类,根据模型与实际系统的一致程度,可以概略地把模型分为以下三类:(l)物理模型,即实物模型(2)数学模型(3)物理数学模型,即半物理
12、模型,(l)物理模型,即实物模型,物理模型是采用特定的材料和工艺,根据相似性原则按一定比例制作的,以便通过试验对系统的模型方面性能作出评估。例如,研制新型飞机时,一般先要对比例缩小的飞机模型进行风洞试验,以验证飞机的空气动力学性能。开发新型轮船时,一般先要在水池中对比例缩小的轮船模型进行试验,以了解轮船的各种性能。飞机模型以及轮船模型都属于物理模型。,(2)数学模型,采用符号、数学方程、数学函数或数据表格等方法定义系统各元素之间的关系和内在规律,再利用对数学模型的试验以获得现实系统的性能特征和规律。例如,国家或地区人口增长模型、经济增长预测模型、数控机床可靠性模型等。,(3)物理数学模型,即半
13、物理模型,物理数学模型是一种混合模型,它有机地结合了物理模型和数学模型的优点。例如航空、航天仿真训练器,发电厂调度仿真训练器等。,2.建模过程中的信息来源,建模就是对真实系统在不同程度上的抽象。这种抽象实际上是对真实系统的信息以某种适当的形式加以概括和描述,从而具体地定出模型的结构和参数。建模过程有三类主要信息来源:目标和目的,先验知识,试验数据。(书中解释),3.建模方法,仿真建模的一般方法有:(1)数学规划。采用排队论、线性规划等理论方法建立系统模型。(2)图与网络方法。采用方框图、信号流程图来描述控制系统模型,或者用逻辑流程图、活动循环图、Petri网等来描述离散事件系统模型。(3)随机
14、理论方法。对于随机系统,还必须采用随机理论方法来建立系统模型。,3.建模方法,(4)通用仿真语言建模方法。通过某种通用仿真语言提供的过程或活动描述方法对系统动态过程进行描述,再将其转为仿真程序。(5)图形建模方法。通过类似于CAD作业那样的方式直接在计算机屏幕上用图标给出某个系统(例如制造系统)的物理配置和布局、活动体的运动轨迹以及控制规则和运行计划。这是一种不必编程即可运行的建模方式。,9.2.2 计算机仿真的一般过程,建模与仿真研究的目的是分析实际系统的性能特征。如图9.5所示给出了系统建模与仿真的应用步骤,总体上可分为系统分析、数学建模、仿真建模、仿真试验、仿真结果分析以及模型确认等步骤
15、,各步骤的基本功能(书中解释)。,9.2.2 计算机仿真的一般过程,9.3 自动化制造系统仿真研究的主要内容,本节主要内容包括:9.3.1 总体布局研究9.3.2 动态调度策略的仿真研究9.3.3 作业计划的仿真研究,9.3.1 总体布局研究,自动化制造系统在规划设计时,必须在明确制造对象和总体生产目标的基础上,首先确定系统的结构,这包括:确定各种设备的类型和数量。确定各种设备的相互位置关系即系统布局。研究系统布局对既定场地的利用情况。研究系统中最恰当的物流路径。研究系统在动态运行时是否会由于布局本身的不当而发生阻塞和干涉(系统瓶颈)。,9.3.1 总体布局研究,通常的方法是在按第8章中的原则
16、确定出系统的配置和布局后,通过仿真系统,按比较严格的比例关系,在计算机屏幕上设计出系统的平面或立体的布局图像,然后通过不同方位或不同运行情况下的图形变换来观察布局是否合理。最后,通过系统的动态运行来研究是否存在动态干涉或阻塞问题,设计人员再根据仿真结果对设计方案进行修改完善。,9.3.1 总体布局研究,值得指出的是,虽然在研究系统布局时涉及图形变换等动画处理,但从原理上来看仅仅是一种静态结构的仿真,不涉及制造系统本身的动态特性。只有研究系统在动态运行时发生干涉或阻塞问题时,才涉及系统的动态特性。此时系统的动态特性主要是着眼于移动设备和固定设备之间的关系,以及物料运输路径的合理性。,9.3.2
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