制造系统工程

第三章制造系统的建模方法3.1制造系统建模概述定义：运用适当的建模方法将制造系统抽象的表达出来，通过研究系统的结构和特性，对制造系统进行分析、综合及优化用模型化的方法研究制造系统的目的：1更好地理解和表达系统，以支持对系统的分析和综合2支持新系统的设计或支持现有系统的重构3支持对系统运行的监测和控制3.1制造系统建模概述分类：按生产模式分：连续性制造系统（如化工系统）离散型制造系统（如机械制造系统）按按形式分：全局系统结构模型局部系统结构模型（如FMS模型）产品结构模型生产计划调度模型3.1制造系统建模概述分类：按方法分：数学解析模型（如状态空间模型）图示概念模型（如FMS模型）图示-解析混合模型（如Petri网模型）按功能分制造系统结构描述模型系统分析模型系统设计实施模型系统运行管理模型3.1制造系统建模概述制造系统中需要用模型加以描述的对象包括1）产品2）资源3）信息4）组织和决策5）企业过程制造系统的任何建模方法或模型都是针对上述一个或几个方面为重点，包罗万象的模型是不存在的。3.2广义模型化方法根据大系统理论，制造系统是一个典型的复杂大系统，具有规模庞大、结构复杂、功能复杂、因素众多等大系统共性。利用大系统理论实现制造系统运行状态好、效益高、稳定、可靠、优化、协调、是制造系统面临的重要课题。大系统模型化方面，现有理论继承了控制理论和运筹学中的模型化方法，主要采用数学模型3.2.1广义模型化方法的提出仅仅依靠数学模型难以描述复杂的大系统1，不确定性问题2，不确知性问题3，主动性问题4，适用性问题3.2.1广义模型化方法的提出1，不确定性问题A模糊性–由于人的思维、语言、行为方面的模糊性所导致的不确定性。人们对事物的认识是模糊的，主观上是不确定的，从而造成思维、语言、行为方面的模糊性B随机性-关于某种事件发生与否、存在与否的不确定性在随机事件中，事件本身的概念内涵是确定的，但何时发生，发生与否都是不确定的3.2.1广义模型化方法的提出2，不确知性问题人们对客观事物的认识能力存在局限性，因而对事物不能确切的了解由于大系统的复杂性，系统的所有方面难以为人们完全确知，因此难以建立适用的、完整的、确定的系统模型3.2.1广义模型化方法的提出3，主动性问题大系统往往是一个人机集成的系统，在大系统分析和综合方面都要考虑人的因素。但由于人具有主动性，灵活性和智能性，很难建立模型，因此很难用简单的传递函数模型来描述3.2.1广义模型化方法的提出4，适用性问题所谓适用性，一方面是要求数学模型具有足够的精确性，用于描述真实系统的结构、参数、功能、特性。另一方面是可以利用数学模型和相应的求解方法，对真实系统进行有效的分析与综合模型的精确性与方法的有效性之间往往是矛盾的。如果模型精确复杂，就缺乏有效的分析与综合方法，反之如果方法有效，就要求简化模型，那么模型就不能精确的描述真实系统。3.2.2广义模型的概念广义模型化的方法被提出并受到广泛的重视广义模型是一种由知识模型、数学模型、关系模型相互结合的集成模型，这种模型充分考虑到大系统的不确定性、不确知性、主动性和适用性问题。3.2.2广义模型的概念1知识模型KM运用人工智能和知识工程的方法和技术如知识表达方法、知识获取技术所建立的知识模型主要用于表达人们关于事物的定性知识和经验知识，以便利用知识进行定性分析和逻辑推理，求解有关问题3.2.2广义模型的概念2数学模型MM运用控制理论、系统辨识或运筹学及其他数学的方法和技术所建立的数学模型如状态方程、传递函数、微分方程等主要用于定量的描述事物的有关动态过程与静态特性，对问题进行定量分析和数值计算3.2.2广义模型的概念3关系模型RM运用“图论”方法（GraphTheory）和逻辑学所建立的各种关系模型例如：赋值的有向图、无向图、树图、网络图、逻辑式等3.2.2广义模型的概念实际工作中，应根据具体任务的需求和环境条件的可能，灵活的UN用上述三种模型。在知识模型、数学模型、关系模型相结合的基础上，利用计算机软件进行集成，建立使用与实际大系统的广义模型从广义模型的概念可知，广义模型可以全面的（定性、定量、静态、动态）描述实际系统的结构、参数、功能和特性3.2.3广义模型化方法1系统建模原则2建模基本方法3建模基本步骤3.2.3广义模型化方法1系统建模和原则1）分离性将系统和环境分离，控制者与被控制对象分离，考虑大系统、子系统、子子系统的划分，以便明确模型化的对象及其范畴，并尽量简化建模问题3.2.3广义模型化方法1系统建模和原则2）因果性因果关系分析是建立“关系模型”“知识模型”“数学模型”的基础。系统的输出（环境对系统的作用）、输出（系统对环境的作用）；控制着的输出、输入；被控制对象的输入输出；大系统中各子系统之间的相互作用；系统中的正反馈或负反馈作用等，都要根据因果关系来确定或判别。3.2.3广义模型化方法1系统建模和原则3）主次性大系统是因素众多的系统，是多变量、多输出、多输入、多参数、多指标、多干扰的系统。在大系统模型化中，要根据系统分析与综合的实际需要和可能条件，在众多因素中，分清主次，把握主要因素，略去次要因素，以便建立适用的模型。所建立的模型即要有足够的精确性，反映实际系统特性，又不过分复杂，便于进行系统分析与综合。3.2.3广义模型化方法1系统建模和原则4）时空性为判断模型的类型，需要对实际系统的时空特性进行分析。例如系统结构、参数、状态、性能随时间变化的规律，在空间分布的特性等，以便选取相应的模型类别。3.2.3广义模型化方法2建模基本方法1）“演绎-归纳”建模法演绎建模法是根据有关系统的一般原理、定律的知识，以及系统结构和参数的具体信息、数据，进行从一般到特殊的演绎推理和论证，建立面向系统的模型这种演绎建模法需要掌握与实际系统有关的大量信息，对系统的具体结构和参数有详细了解，从而，可以利用严格的演绎方法，建立系统的内模型，具有唯一解3.2.3广义模型化方法2建模基本方法1）“演绎-归纳”建模法归纳建模法即利用归纳法建立系统模型，利用对实际系统输入、输出的观测和统计数据，运行记录或试验资料，进行从特殊到一般的过那推理和总结，建立系统的外部等效模型。这种归纳建模法不需要关于系统结构和参数的完备信息，而是利用输入、输出观测试验和运行记录，进行归纳总结和数据拟合，建立实际系统的外模型3.2.3广义模型化方法2建模基本方法1）“演绎-归纳”建模法由于大系统的复杂性、单纯采用演绎法或归纳法建模都有困难一方面，难以全面掌握大系统结构和参数的完备信息，关于大系统的特性，有些理论还不成熟，原理和规律还不太清楚另一方面，由于系统规模庞大，难以进行大量的观测试验和数据采集以及信息处理，可能需要耗费巨额资金、人力和时间。因此采用两者结合的演绎归纳建模法，有可能在系统结构、参数信息不完备的条件下，利用部分的观测试验和数据采集建立使用与实际大系统的广义模型。3.2.3广义模型化方法2建模基本方法2）“分解-联合”建模法其实大系统往往由若干子系统相互联系而组成，可以分解为若干子系统。因此在大系统模型化中，也可采用“分解-联合”建模法3.2.3广义模型化方法2建模基本方法2）“分解-联合”建模法A分解建模。将大系统分解为若干子系统，不计几个子系统之间的相互联系，分别应用“演绎-归纳”建模法，建立各个子系统的局部的“子系统”B联合建模。将各自系统的子模型联合起来，构成大系统的全局的总模型。这是要应用“演绎-归纳”建模法，建立各子系统之间的关系模型。利用各种关系模型，将各子模型联合起来组成总模型3.2.3广义模型化方法2建模基本方法2）“分解-联合”建模法关系模型，反应各子系统之间的定性、定量、静态、动态的相互影响、相互联系。可以利用相应方法，分别建立每两个子系统之间的关系模型，从而逐步建立所需的关系模型。3.2.3广义模型化方法2建模基本方法3）“人机结合”建模法“人机结合”建模方法是将控制者（人）的模型与被控制对象（机）的模型相结合根据实际系统的具体情况，灵活运用例如，控制者的知识模型与被控对象机理模型相结合，这是“人机协调”与“拟人化”方法在模型化方面的体现。3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤1）广义模型需求分析a模型对象：控制者、被控对象；b模型粒度：宏观、中观、微观；c模型智能：自适应、自学习、自组织；d模型特性：定性、定量、静态、动态；e模型格式：知识、数学、关系3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤2）广义模型环境调研a知识源：专家知识、经验，因果关系；b数据源：统计数据，运行记录，结构参数；c时空特性：时变、定常、集总、分布；d不确定性、不确知性；e计算机资源、通信资源；f观测、试验条件。3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤3）广义模型方案设计在广义模型需求分析及环境调研基础上，根据建模原则，参照广义模型体系，可以进行面向实际系统的广义模型方案设计。包括模型对象、粒度、智能、特性和格式的选择和拟定3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤4）广义模型建模方法配置按所涉及的广义模型方案，配置相应的建模方法。例如，控制者知识模型-人工智能专家系统方法，被控制对象数学模型-控制理论系统辨识方法等。3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤5）广义模型技术支持采用计算机辅助建模技术，进行计算机仿真，建立模型库等。3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤6）广义模型建造调试应用“分解-联合”，“演绎-归纳”、“人机结合”方法，以及有关具体建模方法。技术支持手段和设备，建造广义模型的各子模型、关系模型、并构成总模型，在计算机上联调3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤7）广义模型运行维护所建造的广义模型投入试运行，在试运行过程中，进行模型的校正、增删和更新等维护工作。3.2.3广义模型化方法3建模基本步骤8）广义模型评价鉴定根据试运行结果，对广义模型的适用性进行评价和鉴定由此可见，广义模型化的步骤是一个具有多重信息反馈的模型设计、建造调试、运行维护的过程3.3IDEF0与IDEF1X建模方法IDEF是ICAMDEFinitionmethod的缩写,是美国空军在70年代末80年代初ICAM(IntegratedComputerAidedManufacturing)工程在结构化分析和设计方法基础上发展的一套系统分析和设计方法。IDEF0方法是其中的一个内容,在ICAM中用来建立加工制造业的体系结构模型,其基本内容是SADT(SystemAnalysisandDesignTechnology)的活动模型方法。它是由Softech公司发展起来的。3.3IDEF0与IDEF1X建模方法IDEF0功能建模FunctionModelingIDEF1信息建模InformationModelingIDEF1X数据建模DataModelingIDEF2仿真建模设计SimulationModelDesignIDEF3过程描述获取ProcessDescriptionCaptureIDEF4面向对象设计Object-OrientedDesignIDEF5本体论描述获取OntologyDescriptionCapture3.3IDEF0与IDEF1X建模方法其中，IDEF0和IDEF1方法经过不断的完善和应用，已成为建立制造系统功能模型和信息模型的重要工具。IDEF0：用于描述系统的功能活动及其联系，建立系统的功能模型。IDEF1：用于描述系统的信息及其联系，建立系统的信息模型。3.3.1IDEF0方法1IDEF0方法的特点IDEF0方法利用所规定的图形符号和自然语言，按照自顶向下，逐层分解的结构化方法描述和建立系统的功能模型，即刻画系统中的功能活动及其相互关系。IDEF0方法已被广泛应用于制