制造系统建模与仿真知识点1

知识点1

1. 在查阅资料的基础上，了解系统建模与仿真技术在经济建设、新品研发、企业运作以及

社会发展中的功能与作用，包括：

①系统建模与仿真技术在制造企业规划与运营中的应用，如企业选址、车间布局、生产线

平衡、瓶颈分析等。

②系统建模与仿真技术在工程开发中的应用，如三峡大坝建设、机场选址、城市及区域规

划、大型体育设施建设等。

③系统建模与仿真技术在工业产品研制中的应用，如长征火箭、神舟飞船、军用及民用飞

机研制、高铁列车开发、汽车产品研制等。

④系统建模与仿真技术在社会服务系统中的作用，如商业服务企业选址、医院选址与布局、

商业设施的布局规划、游乐设施规划布局、公交线路布点及班次优化等。

⑤系统建模与仿真技术在物流系统中的应用，如物流企业选址、配送中心选址与布局、物

流系统规划开发、物流设备研制等。

⑥围绕具体产品（如汽车）或系统（如载人航天工程），分析系统建模与仿真技术的具体应

用。

2．什么是系统，它有哪些特点？结合具体的制造系统、物流系统或服务系统，分析系统的组成要素、功能和边界。

3. 什么是制造系统？它有哪些特点？常见的制造系统有哪些类型？

4. 什么是机械制造系统，它具有哪些特点？简要分析机械制造系统的运行过程。

5. 以机械制造系统为例，分析此类系统运作的基本特点，系统与环境之间存在哪些交互作

用？

6. 在查阅资料的基础上，以汽车整车制造企业为例，分析此类系统中物料流、能量流和信

息流涵盖的内容。

7. 以家用电气产品（如电视机、冰箱、手机等）制造系统为例，分析此类系统在设计及运

行过程可能存在的各类动态和随机性因素。

建模与仿真

第1章建模与仿真的基本概念

参照P8例子，列举一个你相对熟悉的简单实际系统为例，采用非形式描述出来。

第2章建模方法论

1、什么是数学建模形式化的表示？试列举一例说明形式化表示与非形式化表示的区别。

模型的非形式描述是说明实际系统的本质，但不是详尽描述。是对模型进行深入研究的基础。主要由模型的实体、包括参变量的描述变量、实体间的相互关系及有必要阐述的假设组成。模型的非形式描述主要说明实体、描述变量、实体间的相互关系及假设等。

例子：环形罗宾服务模型的非形式描述：

实体

CPU，USR1，…，USR5

描述变量

CPU:Who,Now(现在是谁)----范围{1,2,…,5}; Who.Now=i表示USRi由CPU服务。

USR：Completion.State（完成情况）----范围[0，1]；它表示USR完成整个程序任务的比例。参变量

X-----范围[0，1]；它表示USRi每次完成程序的比率。

i

实体相互关系

（1）CPU 以固定速度依次为用户服务，即Who.Now为1，2，3，4，5，1，2…..循环运行。

X工作。假设：CPU对USR的服务时间固定，不（2）当Who.Now=I,CPU完成USRi余下的

i

X决定。

依赖于USR的程序；USRi的进程是由各自的参变量

i

2、何谓“黑盒”“白盒”“灰盒”系统？

“黑盒”系统是指系统内部结构和特性不清楚的系统。对于“黑盒”系统，如果允许直接进行实验测量并通过实验对假设模型加以验证和修正。对属于黑盒但又不允许直接实验观测的系统，则采用数据收集和统计归纳的方法来假设模型。

系统建模与仿真简述

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第1章概述
• 当然，计算机仿真技术在实际应用中也存在一些问题： • 1)模型的建立、验证和确认比较困难。 • 2)对实际系统的建模的原理和方法不正确，或者建模时的假设条件、参数的选取、模型的简化使得与实际系统的差别较大。 • 3)建模过程中忽略了部分次要因素，使得模型仿真结果偏离实际系统。 • 4)计算机字长、编码和应用算法也会影响仿真结果。（例子：蝴蝶效应）
8
第1章概述
• 电子通信系统的物理模型特指利用电源、电阻、电容、电感和晶体管等电子器件所搭建的电子线路。 • 通过物理模型可以进一步抽象出其数学模型。 • 计算机仿真的本质是对系统数学模型进行数值计算。
9
第1章概述
• 状态方程的数值求解是Simulink系统仿真工作的基础。
• 采用微分方程形式描述的系统称为连续系统。采用差分方程形式描述的系统称为时间离散系统。
第1章概述
1
第1章概述
• 1 什么是仿真？（仿真的定义和意义） • 2 数学仿真与MATLAB软件 • 3 电子通信系统的建模与仿真 • 4 本课程的内容与结构概观
2
第1章概述
1 .1 什么是仿真？（仿真的定义）
• 系统仿真(Simulation)技术也称为系统模拟技术，简称“仿真”。 • 计算机仿真：本课程特指自1970年以来发展起来的利用现代计算机和仿真软件来进行仿真的计算机仿真技术。由于计算机仿真具有精度高，通用性强，重复性好，建模迅速以及成本低廉等许多优点。 • MATLAB仿真：是计算机仿真的一种。近年来在计算机仿真的基础之上，发展了以MATLAB/Simulink为代表的多种科学计算和系统仿真系统。它使用起来比利用传统的Fortran、C/C++语言进行仿真可靠、方便、快捷。

生产系统建模与仿真课件第1章仿真概述

2018/9/19 19
1.3 系统建模与仿真的发展趋势
2 阻碍生产系统仿真技术应用的原因
建模难度大：某些系统如对于大比例系统模型，建
模十分复杂。
机时需求大：仿真需要大量的计算机机时。
数据要求高：仿真需要大量实际的、准确的数据，
这是一般企业所难以提供的，因此对仿真结果的准
确性带来了影响，导致了人们对仿真能力的怀疑。
仿真技术已成为战略研究、系统分析、运筹规划、预测决策、宏观及微观管理等领域的有效工具。
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1.3 系统建模与仿真的发展趋势
1 仿真的应用
仿真的应用范围十分广泛，以下是几个典型的问题：
制造系统的设计与分析
核定军队的武器配备要求或军队的战略确定企业仓储系统的订货策略和方法通讯系统的设计和通讯协议的设计运输系统的设计和运作服务机构的设计，如医院、超市等金融系统或经济系统的分析
电子计算机的诞生与发展对其起了巨大的推动作用（利用计
算机实现仿真）。
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1.1 仿真技术及其发展过程
（3）仿真软件的发展
• 仿真软件：面向仿真用途的应用软件。 • 仿真软件的基本功能：包括模型描述与处理、仿真实验的执行与控制、仿真结果的表达与分析。 • 历史上第一个仿真软件诞生与1955年，用于数值积分的仿真。自此后，仿真软件大致经历了四个发展阶段：

制造系统建模与仿真复习重点

1、系统“三要素”：实体、属性、活动

①实体：确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；

②属性：也称为描述变量，描述每一实体的特征；

③活动：定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。

2、系统的分类

（1）静态系统 &动态系统一一时域状态（按系统状态是否变化）

确定系统&随机系统——存在随机变量（按有无随机过程）

单变量系统&多变量系统--------- 自由度数量

连续系统&离散随机事件系统——按系统状态的变化与时间的关系

（2）根据系统状态是否随时间连续变化，可以将系统分为:连续系统、离散事件系统

①连续系统是指系统状态随时间发生连续性变化的系统。

②离散事件系统是指只有当在某个时间点上有事件发生时，系统状态才会发生改变的系统。

由于事件的发生具有随机性，使得离散事件系统的状态具有随机和动态特征，此类系统也常被称为离散事件动态系统（DED0。

3、机械制造系统是复杂的离散事件动态系统，它的输入为各种制造资源（如毛坯、半产品、能源、人力等），输出为零件、部件或产品。机械制造系统的运行过程始终伴随着物料流、能量流和信息流,也称为“三流合一”。

4、系统模型分类

①物理模型：采用特定的材料和工艺，根据相似性准则按一定比例制作的系统模型，以便通过试验对系统的某些方面性能作出评估。

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。

③物理-数学模型（也称为半物理模型）:一种混合模型，结合了物理模型和数学模型的优点。

第1章系统建模与仿真技术

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1.3.1.6 复杂系统建模与仿真
对于包含非线性、时变性、不确定性、对于包含非线性、时变性、不确定性、不稳定性等的复杂系统目前主要有两类研究：等的复杂系统目前主要有两类研究：一是研究演化动力学的机理，如复杂适应系统，一是研究演化动力学的机理，如复杂适应系统，人工生命，遗传算法，人工生命，遗传算法，演化算法和建模等一是研究具体对象的建模与仿真应用，一是研究具体对象的建模与仿真应用，对系统的演化过程则通过人机结合与交互，演化过程则通过人机结合与交互，实现模型的修正与演化，如系统动力学、综合集成方法等。正与演化，如系统动力学、
45
收费站仿真
46
1.3.2.6 系统建模与仿真技术在其它领域中的应用
飞行模拟器被广泛用于飞行训练
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解决非工程领域如社会、经济、解决非工程领域如社会、经济、生态等方面中的预测、评价、优化和决策等问题，的预测、评价、优化和决策等问题，计算机仿真能够起到很大的作用。真能够起到很大的作用。
12
1.1 系统、模型、仿真的基本概念系统、模型、
仿真(Simulation)就是通过建立实际系统模型就是通过建立实际系统模型仿真并利用所建模型对实际系统进行实验研究的过程。
ADAMS/CAR ADAMS/CAR 中建立的整车模型
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系统、模型、仿真三者之间的关系系统、模型、

第一讲_建模与仿真概论

G．戈登按照某些规律结合起来，相互作用，相互依存的所有物体的总和.
1.1.2 系统的例子：自然系统: 宇宙、星系、太阳系、气象系统人造系统: 电力系统、自动化生产线、炼油厂、机器人社会经济系统: 国家、工业、农业、商业、教育生物系统: 生物个体、呼吸、循环、消化、生殖、神经
1.1.3 系统的基本特性整体性。它是一个不可分割的整体相关性。系统内部各物体之间相互以一定规律联系着。
并且运行仿真模型的费用比起向外求助以获得解析解，何者合算； z 希望在一段较短的时间内能观测到过程的全部历史，以及估计某些参数对系统行为的影
响； z 难于在实际的环境中进行实验观测，仅有可能采用仿真，如对在行星间运载工具的研究； z 需要对系统或过程进行长期运行的比较，而仿真则可以随意控制时间，使它加快或减慢。
究并得到直观而有说服力的结果，需要利用模型, 即建立系统的模型。
模型的定义由反映系统的本质或特征的各种要素按一定规则组成的、用来描述系统结构和行为的
数学方程、图形或实物，它是用来表述、实现和检验理论思维成果的主要工具。建模的必要性由于系统和环境的复杂性，无论从经济性还是有效性来考虑，都很难甚至不可能以实
一些社会经济系统中得到的统计数据是按月、季度或年的，它的状态尽管连续，但只能用差分方程来描述。
离散事件系统：粗略地讲，是由离散事件驱动，并由离散事件按照一定的运行规则相互作用来导致状态演化的一类动态系统。用有限自动机,Petri 网,极大极小代数方法等描述。其特点为：1）系统属性表现为离散事件驱动。 2）人造属性表现为人为的运行规则。

第1章_系统建模与仿真(System_Modeling_and_Simulation

• 3）何时不采用仿真 • 规则1：常识能够解决的问题。规则1 常识能够解决的问题。 • 规则2：分析方法能够解决的问题。规则2 分析方法能够解决的问题。 • 规则3：现场、直接实验或指导能够解决。规则3 现场、直接实验或指导能够解决。 • 规则4：仿真成本》节约。规则4 节约。 • 规则5：没有足够的资源（钱和人力）。规则5 没有足够的资源（钱和人力）。 • 规则6：不能收集到相关的数据。规则6 不能收集到相关的数据。 • 规则7：系统太复杂、难以定义（如人类）规则7 系统太复杂、难以定义（如人类）
2. 上海交通大学—杨东上海交通大学—
• 双语教学，使用软件Promodel 双语教学，使用软件Promodel • 教材：顾启泰；Jerry Banks离散事件系统建模与仿真教材：顾启泰；Jerry Banks离散事件系统建模与仿真（影印版） • 推荐参考书：系统仿真及Promodel软件应用(影印版) 推荐参考书：系统仿真及Promodel软件应用(影印版) • 学分：3; 必修学分：3;
4）仿真的应用领域：
生产制造晶圆制造项目管理军事物流、供应链、物流、供应链、配送运输与交通业务流程仿真医院(health Care) 医院
目前趋势：目前趋势：风险仿真（如保险）风险仿真（如保险）呼叫中心（Call Center) 自动物流系统（AMHS, Automated Material Handling system) 更多应用情况请参考：更多应用情况请参考：冬季仿真会议(WSC, 冬季仿真会议(WSC, Winter Simulation Conference)： Conference)： http://www.wintersim.org/

《制造系统建模与仿真》讲义1

2012-6-1 13
What is Modeling and Simulation?
离散事件系统是指只有在离散的时间点上发生“事件”时，系
统状态才发生变化的系统，它的数学模型通常为差分方程。制造领域中生产线/装配线、路口的交通流量分布、电信网络的电话流量等都是典型的离散事件系统。
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Basic Steps of Modeling and Simulation
其中，分析模型包括数学模型、启发式模型以及仿真模型等形式。数学建模是根据仿真目标，建立系统的数学模型。仿真建模是采用仿真软件中的仿真算法或通过程序语言，将系统的数学模型转换成计算机能够接受的计算程序。总体上，数学建模方法可以分为两类：
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What is Modeling and Simulation?
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What is Modeling and Simulation?
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What is Modeling and Simulation?
显然，如果采用数学仿真可以研究实际系统的性能的话，将能显著地降低模型试验的时间及成本。根据系统状态变化是否连续，可以将系统分为连续系统（continuous system)和离散事件系统(discrete event system)。连续系统是指系统状态随时间发生连续变化，如化工、电力、液压-气动系统、铣削加工等。连续系统的数学模型有微分方程、状态方程、脉冲响应函数等形式。

数字化制造系统规划与建模仿真

我们关心的问题是在接下来30天内的平均库存水平。
四、基于Arena的制造系统建模仿真实例
4.1半导体制造系统
4.2半导体晶圆制造Interbay物料运输系统规划、建模、仿真
布局规划，如何抉择
Layout Option (布局选择）
Fig.2 Fig.3 Fig.4
No. of Stockers （货架数量）
,2003, 39(4):33-35. [4]侯扬,范秀敏,严隽琪,等.基于仿真的制造系统对象建模及其应用[Ｊ].计算机集成制造系统-CIMS,2001,7(5):42-46. [5]李欣.物流系统建模与仿真---使用Arena软件[M].上海:上海人民出版社,2013. [6]孙寅斌.晶圆制造Interbay物料运输系统智能调度技术研究[D],上海交通大学硕士论文. [7]贾晨辉等.离散制造系统规划与仿真建模研究[J]. 计算机工程与应用, 2007，43(3).
参考文献
[1]贾晨辉,任小中,李云峰.数字化制造系统规划与建模仿真研究[J].组合机床与自动化加工技术,2009, 06-0030-05. [2] 宁汝新 , 刘检华 , 唐承统 . 数字化制造中的建模和仿真技术 [J]. 机械工程学报
,2006,42(7):132-137. [3]黄雪梅,赵明扬,陈书宏.数字化生产线离散制造过程仿真研究[J].计算机工程与应用

第一章建模与仿真的基本概念

第1章建模与仿真的基本概念

1.1 引言

1.1.1 建模与仿真的作用和历史发展

1、建模：利用数学手段或其他方法对事物或真实世界进行描述。

2、建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容，建模与仿真技术也渗透到各个学科和工程技术领域。

1.1.2 建模活动

建模活动是具有特殊形式的人与外界的相互作用，它是有两个不同的步骤组成：

1、模型的建立或形式化，产生出一个现实世界系统的模型，它是人类通过一种抽象的表示方法以获得对自然现象的充分理解；

2、对形式化模型进行分析与利用，以便掌握如何按照人类的意志对现实系统进行控制。

1.1.3 计算机仿真

1、复杂模型的求解。

2、优越性：

（1）可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题；

（2）可以预演或再现系统的运动规律或运动过程；

（3）可以对无法直接进行实验的系统进行仿真试验研究，从而节省大量的资源和费用。

1.2建模与仿真的基本概念

1.2.1 建模与仿真的定义

建模与仿真是构成现实世界实际系统的模型和在计算机上进行仿真的有关复杂活动。它主要包括实际系统、模型和计算机三个部分。

建模

仿真

图1.1 建模与仿真的基本组成与两个关系

建模关系主要研究实际系统与模型之间的

关系；

仿真关系主要研究计算机的程序实现与模

型之间的关系。

1.2.2 实际系统

包括三要素：实体、属性和活动。

1.2.3 模型与建模关系

1、模型：是对相应的真实对象和真实关系

中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，

是对系统某些本质方面的描述，它以各种可

用的形式提供被研究系统的描述信息。

2、系统模型的结构性质：

（1）相似形。模型与真实系统间在属性上

制造系统建模与仿真第1章绪论

2020/2/3
Su Chun, Southeast University
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1.1.2 制造系统的组成与特点
机械制造系统是复杂的离散事件动态系统，它的输入为各种制造资源（如毛坯、半产品、能源、人力等），输出为零件、部件或产品。机械制造系统的运行过程始终伴随着物料流、能量流和信息流，也称为“三流合一” 。
机械制造系统中的物料流、能量流和信息流分析
2020/2/3
Su Chun, Southeast University
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1.2 系统建模与仿真的基本概念
1.2.1 系统、模型与仿真的关系为开发新系统或分析、研究已有系统的性能特征，通常需要进行试验。总体上，试验方法可以分为两类：
① 直接以实际系统为对象进行试验；
10
1.1.2 制造系统的组成与特点
② 离散事件系统是指只有当在某个时间点上有事件（event）发生时，系统状态才会发生改变的系统。系统状态的变化只发生在离散的时间点上，且状态通常会保持一段时间。此外，系统状态的变化也会引发新的事件。
例如：机械加工中的毛坯到达、加工开始、加工完成、设备故障等；服务系统中的顾客到达、接受服务以及离开等。
教学内容
《制造系统建模与仿真》目录
2020/2/3
Su Chun, Southeast University

制造系统建模与仿真复习重点

1、系统“三要素”：实体、属性、活动

①实体：确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；

②属性：也称为描述变量，描述每一实体的特征；

③活动：定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。

2、系统的分类

（1）静态系统& 动态系统——时域状态（按系统状态是否变化）

确定系统& 随机系统——存在随机变量（按有无随机过程）

单变量系统& 多变量系统——自由度数量

连续系统& 离散随机事件系统——按系统状态的变化与时间的关系

（2）根据系统状态是否随时间连续变化，可以将系统分为：连续系统、离散事件系统

①连续系统是指系统状态随时间发生连续性变化的系统。

②离散事件系统是指只有当在某个时间点上有事件发生时，系统状态才会发生改变的系统。

由于事件的发生具有随机性，使得离散事件系统的状态具有随机和动态特征，此类系统也常被称为离散事件动态系统（DEDS）。

3、机械制造系统是复杂的离散事件动态系统，它的输入为各种制造资源（如毛坯、半产品、能源、人力等），输出为零件、部件或产品。机械制造系统的运行过程始终伴随着物料流、能量流和信息流，也称为“三流合一”。

4、系统模型分类

①物理模型：采用特定的材料和工艺，根据相似性准则按一定比例制作的系统模型，以便通过试验对系统的某些方面性能作出评估。

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。

③物理-数学模型（也称为半物理模型）：一种混合模型，结合了物理模型和数学模型的优点。

第1讲仿真介绍

➢学校实现知识的转换等。
1.4 系统性质自然 vs. 人造系统
(Natural vs. Man-made ) 静态 vs. 动态系统
(Static vs. Dynamic) 物理系统 vs. 抽象系统（physics vs. Abstract) 开环 vs. 闭环系统（open vs. Closed)
➢ 物质资源：生产活动（过程）中所用到的资金和物资；
➢ 人力资源：生产过程所需要的劳动能力；
➢ 信息资源：生产过程中使用的信息资源；
➢ 管理资源：对生产过程进行的管理。
产出可分为有形产出产品与无形产出，它们均应该是有效的。
➢有形产出是指通过生产创造的实物产品，它是看得见摸得着的，汽车、电视机、手机等；
PK 考试 ID 证书级别
是否接受?
许可的状态更改
肯定
PK,FK1,I1 PK,FK2,I2
目标状态发源出状态付款的截止时
间（日期）
否定申请下一赛季
软件平台
大小比例
FSCM NO 1:5
泵安置示意图
绘图编号机械部件绘图
页
1/1
修订 A
A
PK,FK1,I1 产品编号
8
7
6 5 4 3 2 1 PK 操作系统此处所述的公司、组织、产品、域名、电子邮件地址、徽标、人员、地点和事件纯属虚构。如与现实中的任何公司、组织、产品、域名、电子邮件地址、徽标、人员、地点或事件雷同，实属巧合。

制造系统建模与仿真试卷要点

一、分析题：

Petri网中的事件关系分析：顺序关系、并发关系、冲突关系（P109)。二、问答题：概率密度函数与概率质量函数的

定义对于一维实随机变量X，设它的累积分布函数是如果存在可测函

数满足：

,那么X是一个连续型随机变量，并且是它的概率密度函数。概率质量函数是离散随机变量在各特定取值上的概率。设离散随机变量X所有可能的取值为X1、X2、···、Xn、···，并且所有可能取值的概率分别为P1、P2、···、Pn、···，则将｛Xi、Pi｝（i=1、2、···、n、···）配对的集合称为随机变量X的概率分布，并将P=｛P1、P2、···、Pn、···｝称为随机变量X的概率质量函数。（P49）常用的仿真时钟推进机制，分别适用于什么样的系统：固定步长时间推进机制适合于对事件的发生在时间轴上呈均匀分布的系统的仿真；下次事件时间推进机制适合于事件发生数小的系统仿真；混合时间推进机制对步长越长，事件在时间轴上的分布越不均匀的系统能获得更高的效率，对同一实际系统进行仿真时，采用混合时间推进机制的效率不低于采用下次事件时间推进机制的效率；在同样的仿真精度下，采用混合时间推进机制的效率不低于采用固定步长时间推进机制的效率。（P165）

什么是事件？在单通道排队系统中，哪两个典型事件影响系统的状态？事件是指引起系统状态发生变化的行为或者事情在单通道派对系统中的典型事件是：顾客到达和服务结束顾客到达发生，系统可能会由闲开始变为忙，可能引起队长发生变化服务结束，系统的状态可能有忙变为闲，可能引起队长发生变化分析FMS（柔性制造系统）中的实体、状态、事件和活动，要求每一项写出2个：实体：机床、工件状态：空闲、加工事件：工件到达、加工结束活动：工件到达与工件加工开始这之间的一段事件是一个活动三、证明题状态驻留时间服从负指数分布的随机过程具有无记忆性状态驻留时间服从负指数分布

制造系统建模与仿真知识点1

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