第六章 自动化制造系统计算机仿真及优化

第六章自动化制造系统的计算机仿真第一节计算机仿真的基本概念及意义第二节计算机仿真的基本理论及方法第三节自动化制造系统仿真研究的主要内容第四节仿真语言介绍第五节仿真实例第一节计算机仿真的基本概念及意义仿真仿真就是将所研究的对象用其它手段加以模仿的一种活动。{实物仿真非实物仿真如曹冲称象、军事演习、飞行器风洞试验、核爆炸试验等，属于实物仿真的例子。计算机仿真的基本概念计算机仿真计算机仿真是一种非实物仿真方法，是用计算机对一个系统的结构和行为进行动态演示,以评价或预测一个系统的行为效果,为决策提供信息的一种方法.它是解决较复杂的实际问题的一条有效途径。计算机仿真的基本概念计算机仿真通过建立数学模型、编制计算机程序实现对真实系统的模拟,从而了解系统随时间变化的行为或特性。计算机仿真的基本概念仿真举例

计算机仿真反映出新的科学技术的时代特征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。应用的领域有：航空管理,公交车的调度,飞机设计,动画设计,三峡的安全、生态,道路的修建,医疗保险,国债的发行,家居装修,炼钢的温度估计,发电厂的操作训练,飞行员训练，鼠疫的检测和预报。

计算机仿真的基本概念

黑死病菌寄生于老鼠身上,是由跳蚤传染给人类，又叫鼠疫。病菌随着跳蚤叮咬进入人体，约2-5天的潜伏期之后，患者鼠蹊部及其他淋巴结开始红肿、疼痛，随之开始发高烧、疲倦、皮肤变黑，故被称为黑死病。死亡率高达60-90%……鼠疫的传播计算机仿真的基本概念最原始的生化武器

1346年，蒙古大将去攻打黑海边富庶的卡法城，久攻不下，这时蒙古军中发生鼠疫，士兵死亡无数，眼看就要无法而退了，这时蒙古将军想出一个方法，把死亡士兵的尸体用弹弩投入城中，迫使城中流行鼠疫，城门自然不攻而破。在城破时，一位意大利热内亚的富商，帶着妻小和金银珠宝乘船逃了出來。他在地中海各国漂流很久，沒有国家敢收留他们，大家都害怕鼠疫的传染。最后回到家乡热內亚，他把所有的财富全部推在甲板上，对着守城的人说：“我离开卡法城已经六個月了，我若感染鼠疫早就死了，但我并沒有死，可见我并沒有瘟疫。假如你让我进城，甲板上的珠宝就是你们的。”我们现在知道鼠疫是由老鼠身上的跳蚤传染的，通常老鼠躲在船底污秽处，人们不易察觉。热内亚人打开城门让这艘船进來后，鼠疫就从热内亚传播开来，传遍整个欧洲，包括北方的斯堪尼亚半岛都无法幸免。每天黃昏时有人推著独轮车，手里摇着铃喊着：“bringoutthedead,bringoutthedead..…”（把尸体拿出來，把尸体拿出來……）家家户户就把尸体搬出来丟到城外焚烧，说死尸如山是一点都不为过。鼠疫肆虐欧洲一百多年，使得三分之一的人口死亡。计算机仿真的基本概念欧洲鼠疫流行时死亡无数计算机仿真的基本概念鼠疫期间贵族纷纷弃城逃往计算机仿真的基本概念疫如此让人恐怖，那么有没有什么好的预测方式呢？计算机仿真就是一个很好的预测方法。研究发现，鼠疫是由老鼠身上一种特殊的跳蚤传播的。跳蚤的多少决定是否发生鼠疫跳蚤老鼠水草我们可以用计算机根据一个地区的气候模拟出当年此地水草的情况就可以预测出是否有鼠疫要发生。计算机仿真的基本概念

三峡水库总库容393亿立方米，总装机容量1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解决这一问题。长江三峡工程计算机仿真的基本概念飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。实际的风洞试验费用巨大。使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。飞机设计计算机仿真的意义便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中，选择最佳模型。对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。系统建模与仿真技术的特点仿真是分析、评价和优化系统性能的一种技术手段。与运筹学（优化）模型等相比，仿真模型无需对系统作过多简化，能更真实地反映系统结构和性能特征。优化模型通常仅给出优化结果，而仿真可以再现系统的动态运行过程。目前，数字化仿真已广泛应用于产品开发和制造系统研制过程中，成为系统方案论证、规划设计、参数及性能优化研究的有效工具。

建模与仿真技术在制造系统中的作用：

（1）有利于提高产品及制造系统的开发质量

（2）有利于缩短产品的开发周期

（3）有利于降低产品及制造系统的开发成本

（4）可以完成复杂产品或系统的操作培训

一、计算机仿真的一般过程明确问题和提出总体方案。把被仿真系统的内容表达清楚；弄清仿真的目的、系统的边界；确定问题的目标函数和可控变量；找出系统的实体、属性和活动等。系统分析建立模型；

选择合适的仿真方法（如时间步长法、事件表法等）；确定系统的初始状态；设计整个系统的仿真流程图。收集数据；编写程序、程序验证；模型确认。模型构造第二节计算机仿真的基本理论及方法仿真研究的步骤运行：确定具体的运行方案,如初始条件、参数、步长、重复次数等,然后输入数据,运行程序。改进：将得出的仿真结果与实际系统比较,进一步分析和改进模型,直到符合实际系统的要求及精度为止。模型的运行与改进设计出结构清晰的仿真结果输出。包括提供文件的清单,记录重要的中间结果等。输出格式要有利于用户了解整个仿真过程,分析和使用仿真结果.设计格式输出仿真结果仿真研究步骤问题的阐述设置目标及完整的项目研究计划建立模型收集数据编程序程序验证模型确认试验设计运行与分析进一步运行仿真结束输出结果是是是是否否否否系统分析模型构造模型运行输出结果二、离散事件系统仿真的基本技术

系统分类连续系统（continuoussystem）离散事件动态系统（DEDS）确定性系统（deterministicsystem）随机系统（stochasticsystem）静态系统（staticsystem）

动态系统（dynamicsystem）

白箱（whitebox）

灰箱（greybox）

黑箱（blackbox）

微观模型（microscopicmodel）

宏观模型（macroscopicmodel）

集中参数模型（lumpedparametersmodel）

分布参数模型（distributionparametersmodel）

离散事件系统建模与仿真中的基本元素包括：1．实体（entity）：系统内的对象,构成系统模型的基本要素

临时实体（temporaryentity）

永久实体（permanententity）

2．属性（attribute）：实体的状态和特性

3．状态（state）：任一时刻，系统中所有实体的属性的集合4．事件（event）：引起系统状态变化的行为和起因，是系统状态变化的驱动力

5．活动（activity）：指两个事件之间的持续过程，它标志系统状态的转移

6．进程（process）：与某类实体相关的若干有序事件及活动组成，它描述了相关事件及活动之间的逻辑和时序关系

7．仿真时钟（simulationclock）：用于显示仿真时间的变化，是仿真模型运行时序的控制机构

！！！仿真时钟是指所模拟的实际系统运行所需的时间，而不是指计算机执行仿真程序所需的时间。

常用的仿真时钟的推进机制：仿真时钟可以按固定的长度向前推进，也可以按变化的节拍向前推进，将仿真时钟变化的机制称为

仿真时钟的推进机制（timeadvancemechanism）①固定步长时间推进机制（fixed-incrementtimeadvancemechanism）②下次事件时间推进机制（nexteventtimeadvancemechanism）③混合时间推进机制（mixedtimeadvancemechanism）8.规则（rule）

：用于描述实体之间的逻辑关系和系统运行策略的逻辑语句和约定

常用的规则：①先进先出（FirstInFirstOut，FIFO）②后进先出（LastInFirstOut，LIFO）③加工或服务时间最短（shortesttime）④按优先级（highestpriority）⑤随机（random）选择三、仿真建模的基本理论(一）、模型的基本概念及分类建模：通过观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用数学的方法对实际系统进行描述，从而获得简化近似模型的过程在系统研究中，模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体模型是用以产生行为数据的一组指令由实际系统构造模型建立模型结构（确定系统的边界，鉴别系统的实体属性和活动）提供数据（使活动中的属性间建立确定的关系）系统模型应有的性质

相似性——模型与系统在属性上具有相似的特性和变化规律简单性——实用的前提下，越简单越好多面性——同一系统可能有不同层次的多种模型模型的分类常用分类根据模型的时间集合：连续时间模型、离散时间模型根据模型的状态变量：连续变化模型、离散变化模型①真正的连续系统，对应模型一般为常微分和偏微分方程②常称为采样系统，对应模型为离散时间的偏微分方程和系统动力学模型③离散事件模型，用流程图、表等非数学模型形式表示④差分方程模型，有限状态自动机，马尔可夫链模型数学模型一览表数学模型特征方程式随机模型系统有确定的输入时，得到的输出是不确定的随机方程确定模型确定输入得到确定的输出非随机方程微观模型系统在局部或瞬时范围内存在规律微分方程、差分方程宏观模型系统在全局或一段时间范围内存在规律联立方程、积分方程线性模型系统的输入输出满足齐次性和叠加性线性方程非线性模型系统的输入输出不满足齐次性和叠加性非线性方程数学模型特征方程式连续模型系统的输入输出是连续时间的函数微分方程等连续方程离散模型系统的输入输出是时间的整标函数差分方程集中参数模型系统的输入能立刻到达系统内各点常微分方程等分布参数模型系统的输入要经过一段时间才能传播到系统内各点偏微分方程定常系统输出的形状取决于输入形状，与输入时间无关常系数方程时变系统输出的形状与输入的形状和输入时间有关变系数方程非存储系统输出仅与同时刻的输入有关代数方程存储系统某时刻输出依赖于到该时刻为止的某区间上的输入非代数方程（二）、建模过程中的信息来源建模过程的信息源建模活动：获取有关信息源、建立数学模型、模型应用三类信息源建模目标：由系统的研究内容决定，如研究系统与外界的相互作用关系：以输入输出为主的系统外部行为模型研究系统的内在活动规律：描述系统输入/输出集合，状态集合之间关系的内部结构状态模型先验知识

前人的研究成果：公理、原理、定理及模型等，相关学科知识实验数据

先验知识常常是普遍性规律，实际系统有其特殊性，有时只知道模型结构，其参数必须通过实验确定，有时甚至结构也是未知的三者都可以用于模型检验，建模过程一般反复进行，直至达到建模目的

（三）建模方法（主要由信息源决定）演绎法：从一般到特殊运用先验信息，建立某些假设和原理通过数学的逻辑演绎建立数学模型实验数据用来证实或者否定原始的原理

归纳法：从特殊到一般

基于实验数据建立数学模型

推导与观测一致的具有普遍性的理论结果

需要对数据进行内插或外推

工程应用中多为混合建模方法模型可信性模型的真实程度，取决于模型种类及构造过程，与模型的有效性相对应。在行为水平上的可信性：模型能否重现真实系统的行为

在状态结构水平上的可信性：模型能否与真实系统在状态上相互对应，应能对未来的行为进行唯一的预测在分解结构水平上的可信性：模型能否表示出真实系统的内部的工作情况，而且应是唯一的表示第三节自动化制造系统仿真研究的主要内容研究基于计算机的建模理论的目标：在交互式计算机的扶助下，使系统建模过程进行得更加有效、现实和高速支持建模与仿真的计算机系统的基本功能能对已知事实及已有模型作恰当的存储，即能处理各种局部模型通过人机交互，对局部模型进行继承和综合利用，形成完整的全局模型全局性建模的基本思路模型的描述静态结构：给出描绘系统现象的方式动态结构：提供各种现象间变化的情况重视建模信息源存储先验信息，根据建模目标，定义实验框架组合和完整化模型的先验知识对所有涉及的对象都建立相应的库制造系统仿真的调度策略总体上，仿真模型可以分为三个层次：仿真总控程序、模型单元子程序以及公共子程序。

事件、活动、进程是描述离散系统状态变化的基本术语。

事件:

此外，仿真模型中还存在程序事件，即根据需要设定的事件。

事件是引起系统状态转变的行为和起因，是系统状态变化的驱动力。例如：仓储系统中物品的入库到达是一个事件，物品的出库离去是另一个事件。例如：在仿真过程中为了使仿真结束，专门定义一个事件，使其终止仿真。例如：仓储“物品到达”是一个事件，该事件的发生可能会使仓储系统的货位从“空闲”状态变为“非空闲”状态。从“物品到达”事件直到“物品取出”，物品都处在货位中存储的状态，即处于“存储”活动中。因此，“存储”活动的开始和结束标志着物品的到达和离去，标志着货位的空闲与非空闲的转变。

活动:

活动是事件与事件之间的过程，是系统状态转移的标志。

进程是有序的事件与活动组成的过程，它描述了其中的事件、活动的相互逻辑关系和时序关系。

进程：例如：一种物品进入仓库，经过在货位的存储，直到从仓库中出库，物品经历了一个进程。事件、活动与进程之间的关系

与事件、活动、进程相对应，离散事件系统的仿真策略可以分为：事件调度法、活动扫描法、进程交互法等。

仿真时钟是离散系统系统仿真中的重要术语，它决定着仿真事件的推进机制、仿真精度和仿真效率。随着面向对象技术的发展，基于消息驱动的仿真策略受到人们重视。①事件调度法（eventscheduling）

事件调度法（eventscheduling）以事件为分析系统的基本单位，通过定义事件、事件发生的时间顺序及其系统状态的变化，并以事件来驱动仿真模型的运行。

事件（event）是离散事件系统的基本概念，事件的发生引起系统状态的改变。仿真模型中的事件存放于“事件表”中，通过时间控制模块从事件表中选择最先发生的事件；重置仿真时钟，并调用与该事件对应的事件处理模块；更新系统状态，决定未来将要发生的事件；当当前事件结束后，返回时间控制模块；重复事件的选择与处理，直到仿真结束。

事件调度法的仿真过程：事件调度法仿真模型中总控程序的任务：（2）事件辨识：辨识将要发生的事件（3）事件执行：执行当前发生的事件，将已发生的事件从事件表中移出②活动扫描法（activityscanning）

事件调度法是一种预定事件发生时间的策略，仿真模型中必须预定系统中最先发生的事件，以便启动仿真进程。此外，事件处理子程序中除要修改系统状态外，还要预定本类事件的下一事件将要发生的时间。因此，该方法对活动持续时间确定的系统较为方便。当事件的发生不仅与时间有关，并且只有在满足某些条件才发生的系统而言，由于系统活动的持续时间不确定，无法预定活动的开始或终止时间，事件调度法就存在不足。

活动扫描法（activityscanning）以“活动”作为分析系统的基本单元，认为仿真系统的运行是由若干活动构成，每一活动对应一个活动处理模块，处理与活动相关的事件。一个活动可以由“开始（激发）”和“结束（终止）”两个事件表示，每一事件都有相应的活动处理模块。处理中的操作能否进行取决于时间及系统状态。一个实体可以有几个活动处理模块。每一个进入系统的主动实体都处于某种活动的状态。活动的激发与终止都会形成新的事件。用各实体时间元的最小值推进仿真时钟；按优先序执行激活实体的活动处理，使测试通过的事件得以发生；改变系统状态，确定相关事件的发生时间。

“活动处理”是活动扫描法的基本处理单元。

活动扫描法的基本思想：活动扫描法不断扫描系统，检验哪些活动可以激发，哪些活动继续保持，哪些活动可以终止。

活动扫描法仿真的基本过程：面向活动仿真模型总控程序的算法结构包括：①时间扫描②活动例程扫描

由于事件直接影响系统状态，活动扫描要反复进行，包括确定事件和条件事件。③进程交互法（ProcessInteraction）事件调度法和活动扫描法的基本模型单元分别是事件处理和

活动处理。它们都针对具体事件而建立，各处理相对独立。

进程交互法的基本模型单元是进程。进程针对某类实体的生命周期而建立，一个进程包含了实体流动中发生的所有事件。以单服务台排队服务系统为例，顾客生命周期的进程为：为每个实体建立一个进程，以反映某个实体从产生开始到结束为止的全部活动。

进程交互法的特点：顾客排队进程模型模型说明：服务员两名，队列一条“∆”表示某顾客产生的时刻，也为相应进程开始的时刻；“⋲”表示某顾客离去的时刻，也为相应进程撤销的时刻；符号“X”表示排队顾客开始接受服务的时刻；虚线表示进程的排队时间；波纹线表示顾客得到服务的时间。进程交互法中实体的进程不断推进，直到某些延迟发生后才暂停。延迟可以分为：

进程中的复活点表示延迟结束后实体所到达的位置，即进程继续推进的起点。条件延迟：延迟期的长短与系统状态有关，事先无法确定。条件延迟发生后，实体停留在进程中的某点，直到条件得以满足后才继续向前移动。例如，队列中的顾客一直在排队，直到服务台空闲且己处于队首时才能离开队列接受服务。

无条件延迟：实体停留在进程中的某点不再向前移动，直到预先确定的延迟期满。例如，顾客停留在服务通道中直到服务完成。通过所有进程中时间值最小的无条件延迟复活点来推进仿真时钟；当时钟推进到一个新的时刻点后，如果某一实体在进程中解锁，就将该实体从当前复活点一直推进到下一次延迟发生为止。

进程交互法的基本思想：进程交互法兼有事件调度法和活动扫描法的特点，但其算法比两者更为复杂。根据进程交互法建立的仿真模型称为面向进程的仿真模型。面向进程仿真模型总控程序设计采用两个事件表：

未来事件表（FutureEventList，FEL）当前事件表（CurrentEventList，CEL）面向进程仿真模型总控程序步骤：未来事件表扫描。从FEL的实体记录中检出复活时间最小的实体，并将仿真时钟推进到该实体的复活时间；移动记录。将FEL中当前时间复活的实体记录移至CEL中；当前事件表扫描。第四节.仿真语言介绍系统一些具有特定功能相互之间以一定的规律联系着的物体所组成的总体．为了限制所研究问题涉及的范围,用系统边界把所研究的系统与影响系统的环境区分开来.系统的对象、系统的组成元素都可以称为实体．系统边界实体一、制造系统仿真语言与支持软件概述属性反映实体的某些性质，它可以是文字型、数字型或逻辑型．系统的状态是指在某一时刻实体及其属性值的集合．导致系统状态变化的一个过程为活动．活动反映了系统变化的规律．属性状态活动活动是指一段过程，即在一段时间内发生的情况．事件是指一个时间的情况，系统发生变化的瞬间就发生了事件．为了使仿真程序能如实地模拟实际系统的变化，在某些离散事件的仿真中，采用事件表的形式进行调度．事件表一般是一个有序的记录列，每个记录包括事件发生时间、事件类型等一些内容．事件事件表研究系统一般是为认识其状态随时间变化的规律，所以需要一个仿真时间变量．对连续系统仿真时，常在均匀时间点上展现其状态值，这样，仿真时钟的步进是一个常数．对离散系统仿真时，只有在事件发生时，系统的状态才会发生变化，才有必要展现出系统的状态，此时仿真时钟的步进根据事件发生的时刻变化。仿真时钟GPSS语言程序块的基本格式:

地址操作码数据域注解地址即语句号，最多由五个字母,数字组成,必须由字母打头.从第一列开始.必要时才用操作码即模块或语句名称,反映语句的基本功能和所模拟的过程，可用前四个字母简写，不能从第一列输入数据场,由多个数据组成,各数据间用逗号分开语句注释,可有可无二、通用仿真语言GPSS简介

每个语句由4部分组成,但通常只用其中的两部分,即操作码和数据域,地址或注释仅在需要时才使用.

4部分之间至少用1个空格分开,注意地址码必须从第一列开始输入,操作码必须至少从第二列开始.

数据域中每个数据的位置和含义不同,要分别记忆.GPSS模拟程序:

SIMULATELINEEQU1JOEEQU1

GENERATE18,6QUEUE LINESEIZE JOEDEPARTLINEADVANCE16,4RELEASEJOETERMINATE1

START25END模拟开始控制语句:开始控制模拟过程,必须写在整个程序的最前面定义语句:定义函数,实体,变量,开关等,应置于模拟程序之前模拟模块部分:GPSS语言模块,是整个程序的主体,反映整个模型的基本过程.模拟结束控制语句:用来控制模拟的长度或模拟终止过程,同时控制部分输出.GPSS程序的基本组成GPSS语言有独特的框图符号：GENERATEQUEUEDEPARTADVANCESEIZERELEASETERMINATE产生活动实体排队离队延时占用设施释放设施离开系统GPSS程序框图GENERATE18,6QUEUE LINESEIZE JOEDEPARTLINEADVANCE16,4RELEASEJOETERMINATE1GENERATEQUEUESEIZEDEPARTADVANCERELEASETERMINATELINELINEJOEJOE16,418,61GPSS程序框图管理系统内设备及人的分类:活动(流动)实体

系统中移动的人,设备等2.资源实体:系统中具有资源性能的设备或设施

设施系统中可提供服务性质工作的人,设备或

设施

存储器可存储动态实体或系统元素的设备或设

施,如:仓库,物料场,煤仓等逻辑开关只具有两种工作状态的开关型设备队列需排队等候之处3.统计实体:系统中用来进行统计计算的各类工具

各类统计表统计的自由变量GPSS语言的