第六章 自动化制造系统的计算机仿真及优化

第六章自动化制造系统的计算机仿真计算机仿真是一种省时.省力.省钱的系统分析研究工具,对分析自动化制造系统的设计和运行性能具有非常大的优势第一节计算机仿真的基本概念及意义一.仿真的基本概念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.仿真计算机仿真半物理仿真全物理仿真二.计算机仿真的发展情况1.47年第一台计算机的研制成功,计算机仿真开始崭露头角主要对连续系统进行仿真2.58年出现第一台混合仿真计算机,成功用于洲际导弹研究3.70年代以来,广泛用于连续系统和离散系统的仿真4.60-70年代是仿真理论发展最快的时期三.计算机仿真的意义（１）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）可以缩短实验时间四．计算机仿真的特点仿真模型是从实际系统中抽象出来的计算机仿真给出的是由实验选出的较优解计算机仿真结果的可信度与仿真模型、仿真方法和仿真实验输入数据有关选择实验方法的次序１．数学方法２．物理实验方法３．仿真方法４．直观决策五．自动化制造系统仿真的作用在设计和运行等阶段可起着重要的决策支持作用在设计阶段，通过仿真可以选择系统的最佳结构和配置方案－－既可以完成预定的生产任务，有具有很好的柔性和经济性在运行阶段，通过仿真可以预测系统在不同的调度策略下的性能，为系统选择较好的调度方案选择合理高效的作业计划，充分发挥制造系统潜力，提高经济效益仿真技术在系统的设计和运行阶段所能做的辅助决策１．确定系统的配置和布局１）机床的类型．数量和布局２）运输车．机器人．托盘和夹具等设备和装置的类型．数量和布局３）刀库．仓库和托盘缓冲站等设备的容量的大小和布局４）评估现有的系统中引入一台新设备的效果２．性能分析１）生产率分析２）制造周期分析３）产品生产成本分析４）设备负荷平衡分析５）系统瓶颈分析３．调度及作业计划评估１）评估和选择较优的调度策略２）评估和选择较优的作业计划第二节计算机仿真的基本理论和方法一．计算机仿真的一般过程１建模１）收集必要的系统实际数据，为建模奠定基础２）采用文字（自然语言）．公式．图形对模型的功能．结构行为和约束进行描述３）将前一步的描述转换为相应计算机程序（计算机仿真模型）２．输入必要的数据，在计算机上运行仿真程序，记录仿真的结果数据３．结果数据的统计分析自动化制造系统中的评价指标：系统效率生产率资源利用率零件的平均加工周期零件的平均等待时间零件的平均队列长度二．离散事件系统仿真的基本技术（一）离散事件系统的基本概念１．离散事件系统是指其活动和状态变化仅在离散时间点上发生的一类系统．２．实体构成系统的各种要素称为实体３．属性实体的特征称为属性４．集合一些实体以某种逻辑方式组成的群体称为集合５．事件离散系统中的事件，实际上就是改变系统状态的瞬间行为６．事件点出现事件的时间点７．活动任何使系统发生某种变化的过程或行为８．忙期实体在系统中进行活动的时间区段称为活动的忙期（二）离散事件系统仿真的时间步长与事件步长１．时间步长法以时间为步长，就是在计算机仿真模型中，以单位时间（如秒．分．小时．天等）为增量，按照时间的进展，一步一步地对系统的活动进行动态模仿．步骤：１）选取系统的初始状态，作为仿真的起点２）每推进一个时间步长，对系统的活动按照预定的规则和目标进行考察．分析．计算和记录直到结束．２．事件步长法以事件的发生与完成作为系统活动推进准则，每一事件的经历（持续）时间作为系统时间的累计因子，然后按照事件的先后发生过程，一步一步地对系统的行为进行动态模仿，并累计系统的仿真时间，直到预定的仿真时间结束为止事件步长法与时间步长法的主要区别１）时间步长法每次增加的的时间增量是相等的均匀的，事件步长法每次增加的时间增量可能是不等的２）时间步长法在每一个时间间隔内都要对整个系统进行扫描，而事件步长法则在事件发生或结束时才进行扫描．（三）离散事件系统仿真运行的关键技术对离散事件系统的仿真要处理好三个方面的技术问题：原系统动态控制逻辑过程仿真系统中事件发生的仿真并发事件的仿真决策过程：根据系统状态和调度规则进行选择的过程决策点：进行决策的时间点要实现对原系统动态控制逻辑进行仿真，对仿真系统的要求：仿真系统应与原系统有相同的决策点每个相应决策点应有一致的决策规则每个相应决策点应有一致的决策结果机床开始加工时,仿真软件要做出相应的处理三.仿真建模的基本理论(一)模型的基本概念及分类1.模型是集中反映系统信息的整体是系统中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象化特点:1)客观事物的模仿和抽象2)由与分析问题有关的因素构成3)体现有关因素之间的联系2.模型分类(依据与实际系统的一致程度)(1)实物模型(2)图形模型(3)数学模型(4)仿真模型(二)建模过程中的信息来源1.目标和目的2.先验知识3.试验数据(三)建模方法1.仿真建模的一般方法(1)数学规划(2)图与网络方法(3)随机理论方法(4)通用仿真语言方法(5)图形建模方法2.模型可信度(1)在行为水平上的可信度(2)在状态结构水平上的可信度(3)在分解结构水平上的可信度3.建模的一般过程先验知识演绎分析框架定义结构特征化参数估计可信度分析最终模型目的数据目标协商试验设计第三节自动化制造系统仿真研究的主要内容一.总体布局研究1)确定各种设备的类型和数量2)确定各种设备的相互位置关系即系统布局3)研究系统布局对对既定的场地的利用情况4)研究系统最恰当的物流路径5)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二.动态调度策略的仿真研究主要是研究是否高效合理,控制软件是否存在缺陷三.作业计划的仿真研究主要是根据实际作业计划抽象出零件的类型和加工工艺路线,在每道工序上的加工时间,来仿真如生产率,设备利用率等情况