《建模与仿真》课程设计

1、建模与仿真课程设计题目项目组编号专业班级08工业工程 班项目组成员文档编制日期2011.06指导教师 态度（20%）报告(50%)答辩(30%)总评：1.引言11.1设计目的11.2项目背景11.3应用现状11.3.1文献一11.3.2文献二11.3.3文献三21.4设计内容与方法21.4.1项目系统所使用的工序：21.4.2生产流程为：22.仿真建模22.1建模假设条件22.2模型设计过程32.2.1所建模型：32.2.2仿真建模过程：32.3有效性验证133仿真分析143.1基本方案运行结果及分析143.2其他方案设计233.2.1第一个改进方案233.2.2第二个方案243.3与基本方案

2、比较结果分析273.3.1原模型的结果：283.3.2第二次模型结果：283.3.3最后模型结果：284结论295总结291.引言1.1设计目的 本项目仿真设计通过系统仿真来了解某纸箱制造厂作业的瓶颈站的使用率，生产线的投料率、在制品生产周期与生产效率的关系，为纸箱制造厂内现场管理提供参考。通过仿真建模得出3种产品的生产周期和总体的平均生产周期、月产能机器利用率等数据。所以本文运用相关知识，基于extendsim仿真软件，针对该制造厂制造动态过程系统进行仿真，用以发现系统中存在的问题，提出相应的解决和优化方案。仿真的目的是了解仿真的角色及其在系统之中的应用；了解仿真模型构建形式；认识exten

3、dsim仿真软件基本构件及操作；透过仿真软件深刻了解系统模拟的过程；学习如何透过仿真软件进行资料收集及分析的工作1.2项目背景 目前，在生产制造、物流、服务等诸多行业中应用系统仿真技术解决实际问题的需求越来越强烈，同时，随着现代现代给予可视化建模的仿真软件的出现和普及，利用仿真方法辅助决策也越来越方便。我们的项目是利用软件extendsim对纸箱制造厂制造专业流程仿真优化，这样能够提高机器利用率，月产能等，解决生产瓶颈，从而提高企业的生产效率，带来更多的收益。1.3应用现状1.3.1文献一 缩短研发时间和成本是建模与仿真技术给制造业带来的最直接的效果。建模与仿真技术能通过现有的知识对产品实现过

4、程作出可靠的预测，大大促进了产品设计、过程设计、过程运行，甚至企业管理水平的提高。摆脱了以往设计物理试验修改的产品开发过程，在产品设计阶段利用建模与仿真工具在虚拟环境下优化产品和过程设计，大大缩短产品开发周期，降低开发成本。例如，在飞机工业中，美国的波音公司利用建模与仿真工具，完全利用三维建模技术进行设计的波音777喷气式客机，设计使用了数字化预装配和并行协同工程技术，无须建立物理样机模型，大大减少了设计更改和错误量，确保了产品量，显著降低了成本，缩短了研发时间。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算【6】, 建模与仿真技术可提高产品质量515 倍,增加材料出品率25 % , 降低工程技术成本

5、13 %30 % ,降低人工成本5 %20 % ,提高投入设备利用率30 %60 % ,缩短产品设计和试制周期30 %60 %等。参考文献：世纪制造业的建模与仿真技术熊光楞，范文慧（清华大学自动化系，100084）1.3.2文献二 在仿真过程中, 利用瓶颈分析器对生产瓶颈的问题进行分析, 对等待、工作、堵塞、中断、暂停等统计, 分析各个机床设备的工作状况。通过仿真, 能及时发现问题, 找出主要原因并对其中不合适的地方给予调整。为生产的实际运行参数提供了理论依据。本文以变速箱生产线为例, 采用仿真技术对2种生产线设计方案进行了仿真分析, 为生产线的设计优化和实际运行参数的选择提供了依据。该方法可

6、以充分发挥生产线的生产能力、降低成本, 提高效率, 获得较好的经济效益, 对实际生产具有重要的意义。参考文献：变速箱生产线的建模与仿真技术研究 王红军（北京机械工业学院 机械工程系, 北京100085)1.3.3文献三计算机仿真目标1.建立真实系统的计算机模型.2.在工厂建立之前就运行它.计算机仿真的收益1）评估装备与流程设计的多种可能性2)提高工厂与资源的运行效率3)减少库存4)缩短产品上市时间5)提高生产线产量6)优化资本投资参考文献：在生产制造业中应用 计算机仿真技术 天津工业大学管理学院 工业工程系王亚超1.4设计内容与方法1.4.1项目系统所使用的工序：图 11.4.2生产流程为：e

7、类纸箱：压线工作印刷剪裁堆高机糊纸包装b类纸箱：印刷剪裁堆高机糊纸包装ab类纸箱：压线作业印刷裁剪堆高机打钉包装 根据以上流程将3类纸箱的共同作业合并到一起，而不同的作业则分离开。按照流程所示设计好一整条生产流程，然后利用extendsim软件中的item模块库进行结构建模，以及value模块库进行仿真输出分析。运行模型找出模型的瓶颈和不足，在根据问题对模型优化得出最优解。2.仿真建模2.1建模假设条件（1）纸箱原料到达时间间隔服从uniform（25,30）分钟的均匀分布，其中e，b,ab到达的比例为3:5:2.（2）每种类型的机器前均设有一个无限长度的等候区，且等候区采用先到先服务的方式。

8、（3）纸箱产品在两个机器之间的搬运时间可以忽略不计。（4）该纸箱制造厂每天工作24小时仿真30天。2.2模型设计过程2.2.1所建模型：图 22.2.2仿真建模过程：1.利用create模块设置纸箱原料到达时间间隔服从uniform（25,30）的均匀分布图32.设置e、b、ab到达比例为3:5:2，其中1表示b类纸箱,2表示e类纸箱，3表示ab类纸箱图43.通过select item out模块对路径进行选择：图 54.利用mean&variance模块统计平均在制品数图65.利用select item in模块来将e、ab和b分离，b直接跳过压线作业。图76.压线作业过程：分为3步骤：队列

9、、压线准备、以及压线作业。图87.压线作业准备时间图98.设置准备时间服从niform（3，5）图 109.印刷剪裁作业过程：由于3种纸箱都需要经过此作业所以用select item in合并图 1110.设置加工时间为normal（18,1）图 1211.堆高作业过程：等待队列、准备、堆高图 1312.堆高作业的准备时间 图 1413.设置准备时间服从uniform（5,8）图 1514.堆高作业根据不同纸箱不同的分布：图 1615.糊纸与打钉过程：利用select item in和select item out模块将e类纸箱和b类纸箱合并，将ab类独自分离图 1716.其中糊纸过程设置图

10、1817.打钉作业设置：图 1919.包装作业过程：利用select item in模块将e、b、ab类合并图2020.包装准备时间设置:服从unifrom（3,5）图 2121.加工时间服从norm（20,1）图 2222.设置仿真长度和仿真次数：图 2323.利用mean&variance模块进行统计： 图 242.3有效性验证1.在压线工序后分别增加2个history模块，如图所示：图 252.运行整个模型后得出以下的结果：图 26由图所示第一条路径有1和3种产品在生产（1表示e类纸箱，3表示ab类纸箱）而第二条路径只有2在生产（2表示b类纸箱）很明显这样的结果是符合我们所需要的实际模型

11、要求的。所以本模型是有效的。3仿真分析3.1基本方案运行结果及分析1.平均在制品数：图 27 得出平均在制品数量为2.784、方差为0.0004，这说明系统在制品数量很稳定地维持在3个。2.总体平均生产周期：76.929分钟 方差为0.176图 283.纸箱e类得生产周期：77.077分钟 方差为0.598 置信区间：【7.077-0.553，77.077+0.553】图 294.纸箱b的生产周期：74.581分钟 方差为0.128 置信区间：【74.581-0.256,74.58+0.256】图305.纸箱ab的生产周期：83.020分钟 方差为0.178 置信区间为：【83.020-0.3

12、02，82.020+0.302】图 316. 3种纸箱的月产能纸箱b月产能：785.6个图 32纸箱e月产能：466.8个图 33纸箱ab月产能315.4个图 34总体月产能为1567.8个图 357.每台机器的利用率1.压线机利用率：0.287图 362.印刷剪裁机利用率：0.654图 373.堆高机利用率：0.789图 384.糊纸机利用率：0.194图 395.打钉机利用率：0.028图 406.包装机器利用率：0.378图 417.印刷剪裁前的平均等候长度：0.067图 423.2其他方案设计3.2.1第一个改进方案第一个方案：与原来的模型结构保持不变，但改变了纸箱原料到达时间间隔服从

13、uniform（20,25）图 43对模型运行得出结果：图443.2.2第二个方案还再对模型进行一次更改：1.改变了纸箱原料到达时间间隔服从uniform（10,15）图452.再减少打钉机图 463.增加包装机图 474.增加堆高机：图 485.加印刷剪裁机：图 50最后得出新的运行结果：图 513.3与基本方案比较结果分析3.3.1原模型的结果：图 523.3.2第二次模型结果：图 533.3.3最后模型结果：图 54 很明显从3个表中可以看出具体的变化，e、b、ab3种纸箱的月产能都从第一次模型到第三次模型发生提升，平均在制品数在最后模型中得到很大的提升，但是第二个模型却变化不大。这说明

14、原料到达时间对月产能和在制品数量影响不大。但影响各个作业的利用率。而不同方式的增加或减少各个作业的机器数量则会不同程度上影响在制品数和月产能，产生不同的经济效益。在此项目中将打钉机减少到1台，增加包装机、堆高机、印刷剪裁及到各2台，同时缩短原料到达时间（10,15）。这样会产生最大效益。4结论到最后我们采用第3个模型，在项目当中各个作业的机器数量搭配对整体的生产效率有着重大的影响，设置机器数量需要非常讲究。如果利用率太高的机器就需要增加机器数量，相反利用率太低的机器则需要减少机器数量，从而平衡机器之间的利用率，避免出现利用率过高或过低，影响生产效率。5总结王勇华：对于这次的仿真建模项目设计，虽然有点辛苦，但是还是受益匪浅的。懂得仿真建模技术可以从中找到项目的最优解而不需要在现实中去实践，避免太多的资源浪费。项目当中有很多内在的规律，不为我们所察觉。当我们进行多次