自动化制造系统的计算机仿真

第八章自动化制造系统的计算机仿真第_节概述一、计算机仿真类型“仿真”一词译自英语单词“Simulation〃，有时也译作“模拟”，是“模仿真实世界”的意思。在工程技术界，系统仿真是通过对系统模型实验，去研究一个存在或设计中的系统。系统仿真分类见表8-1。«8-1羸垸彷JE分奏泰忸真类型禁邸类型计算机类垂折性 折用很膺 半翌理仿HfiR合制IP堰住计算机页用中天 计算机伯毒《数字仿舞）敏学棋型牧字汁辑机切n不高由表8-1可见，计算机仿真已成为系统仿真的一个重要分支，系统仿真一般指计算机仿真。计算机仿真技术的发展与控制工程、系统工程及计算机工程的发展有着密切的联系。一方面，控制工程、系统工程的发展，促进了仿真技术的广泛应用；另一方面，计算机的出观以及计算机技术的发展，又为仿真技术的发展提供了强大的支持。计算机仿真一直作为一种必不可少的工具，在减少损失、节约经费开支、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着重要的作用。二、计算机仿真在制造业的应用和发展现状制造业在国民经济中一般都占有最大的比重，自20世纪70年代以来，全球性的市场竞争日益激烈，产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展，产品的更新期和交货期都在缩短，一些自动化技术如CAD、CAM、CAPP、NC、FMS、MRPII及CIMS都得到了快速发展。系统仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到它们当中去，并帮助它们实现集成，从而促进了一些先进制造技术的发展。在20世纪最引人注目的仿真领域：50年代，是火炮控制和飞行控制系统；60年代，是火箭和导弹控制系统；70年代，是航天、核能和经济管理系统；到了80年代，就逐步转向了制造系统，并且呈现出一派生机勃勃的局面。三、计算机仿真的研究热点及对制造业的影响20世纪80年代以来，系统仿真不断地朝着纵、横方向发展。在制造业方面，一个比较明显的进展就是“虚拟制造”。根据虚拟制造的概念，整个产品的设计和制造在计算机上模拟进行，这样可以发现并解决该产品在制造之前可能出现的各种问题。虚拟现实技术(VirtualReality，简称VR)亦称虚拟环境技术、灵境技术，是一种最有效地模仿人在自然环境中的视、听、动等行为的高级人机交互技术。它是在综合计算机图形学、计算机仿真技术、传感技术等多门科学技术的基础上发展起来的。它有两个基本特征 ，即“灵境感(Immersive)‘和"交互感(Interactive)"，通过这两个基本特征，虚拟现实技术能描述事物内部及其相互间真实的作用和交互，使用户仿佛置身于一个虚拟的世界中，从而拉近了用户与环境之间的距离，改变了人机交流的方式。利用VR技术的这些特性，可以对产品的各个阶段提供支持，例如在虚拟环境下设计产品及其生产流水线，测试和装配产品的零部件，客户可以验证产品是否符合要求等。近年来，计算机仿真技术在制造业应用的另一个研究热点一虚拟产品开发，它也是引人注目的。虚拟产品开发(VirtualProductDevelopment，简称VPD）首先源于并行工程（ConcurrentEngineering，简称CE）思想。这种思想将现代先进的组织形式跟现代的哲学、文化混合为一体，是对产品设计及其相关过程（制造过程、使用过程和支持过程）进行并行的、一体化设计的一种系统化工作模式。CE能在产品开发一开始就考虑到投资、生产制造、装配、销售和维护以及报废等产品的整个生命周期的所有因素，这对解决产品设计与开发的矛盾是非常有益的°VPD就是在CE方法论的指导下，把CAD、CS和大规模产品数据管理系统综合起来，形成一个虚拟产品开发环境，使产品开发人员能够在这种环境下策划产品、设计产品、预测产品在真实环境下的性能、特征以及真实工况下所具有的响应，从而减少反复和变更的次数，减少甚至取消制作物理原型样机，如此就能很好地检验设计、指导和优化设计，有效地缩短产品的开发周期和大量地节省开发费用。VPD仿真技术是仿真技术发展的又一重要领域，它能深入到各种复杂产品的制造中，能够产生巨大的经济效益。现在，仿真技术的应用已经从单一的系统走向开放复杂的大系统。当仿真对象分布于广阔的时空领域，仿真任务要求将不同地理位置、不同类型（包括人在内）的仿真对象构成一个统一整体进行仿真时，产生了分布交互化仿真（DistributedInteractiveSimulation，简称DIS）。这种仿真系统里包含有不同类型的实体一虚体、真实实体和构造实体，这些实体可以基于不同目的系统、不同年代的技术、不同厂商的产品和不同产品组成，并允许它们交互操作。DIS实现用计算机网络将不同地点的仿真设备连接起来，通过实体间的数据交换构成时空到合成仿真环境的一种先进仿真技术。在这种复杂分布综合的系统进行实时仿真时，必须提供快速、高效、大量的信息通道和相应的处理。美国是最早研究这种技术并投入使用的国家，已经完成了多项基于虚拟仿真的DISX程项目，相关的协议与标准已经完成或正在完成。在制造行业，已经产生了类似于DIS的虚拟研究开发中心或虚拟企业。香港生产力促进局和香港城市大学共建的快速科技中心就是一个虚拟研究开发中心。此外，为了适应快速变化的世界市场，克服单个企业难以在短期内具备所需资源的局限性，出现了在一定时限内，为了某一市场机遇，通过网络临时连接的一种动态连接一虚拟企业。美国波音(BOEINC)公司可以把777飞机的研制、生产做到几乎“无图样”的程度。波音777飞机的研制、整机设计、装配、部件测试以及各种试飞，都是由计算机完成的。它能将开发周期从原来的8年缩短到5年，节约了数百万美元的经费。第二节计算机仿真的基本理论和方法一、计算机仿真理论概述计算机仿真是近30年发展起来的一门综合性很强的新兴技术学科，它涉及到系统分析、控制理论、计算方法和计算机技术。系统仿真就是利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。当在实际系统上进行实验研究比较困难甚至无法实现时，仿真技术就变成了十分重要，甚至是不可少的工具。随着数字计算机硬件与软件的发展，从20世纪70年代开始，数字计算机仿真也迅速发展起来。数字计算机仿真的特点是精度高、重复性好、通用性强、价格便宜。至今已发展了许多计算机仿真程序包和仿真语言，使用起来特别方便。因此，仿真技术在生产管理、工程技术、军事研究、科学试验、国民经济、重大决策以及在社会科学和自然科学等领域内得到了广泛的应用，其效果是十分显著的。在计算机出现以前，人们只采用物理仿真，当时的仿真技术附属在其他有关学科之间。随着计算机的发展，在仿真领域内提出了大量共同性的理论、方法和技术问题，致使仿真逐渐形成一门独立的学科。二、 计算机仿真的基本理论计算机仿真以相似论作为其理论基础。计算机仿真模型的选择、计算和建造，以及实验结果的处理和综合，都是以相似论为基础的。相似论的方法似乎相当简单，但是，要正确运用这种方法，则既要具备分析问题的理论知识，又要有试验方面的能力。“相似”是一种认识，它同人们的感觉、思维、经验以及使用的仪器、方法等都有直接的关系。认识的世界并不是完全真实的客观世界，而仅是其相似物而已。从哲学的角度来讲，“相似”是普通的、绝对的，而与之对应的“相同”则是特殊的、相对的。因此，应用相似论的研究结果，可以通过简单的模型试验去研究复杂的现象。在计算机仿真中，矩阵理论愈来愈被广泛应用，它已成为不可缺少的数学工具之一。三、 计算机仿真的方法自20世纪80年代中期以来，面向对象仿真的研究和发展有了显著的进步。在通用面向对象语言的基础之上，人们开发了许多支持仿真的类库，甚至是面向对象的仿真环境。仿真使用面向对象技术的典型优点是能建立与实体非常相似的系统模型。而使开发复杂系统的速度更快、质量更高、可维护性更好、开发风险更小等也是面向对象仿真的优点。然而，面向对象仿真经常需要更多的基础程序和仿真机制的知识，初始类的开发也很费时间。随着面向对象仿真环境的拓宽，在仿真环境下应用面向对象技术有着自己的特点。特别是仿真的高层体系结构中的对象模型与通常面向对象技术中的对象模型有着不同的地方。所以面向对象技术是实现计算机仿真的重要方法之一。计算机图形图像从早期学术研究与军事应用已发展成为在研究、教育、产业等方面均十分活跃的领域，并逐渐渗透到现实生活中，如从电影的高技术特技效果到WWW网络、从建筑设计到人工智能、从计算机游戏到计算机化的脑外科手术、从计算机辅助设计制造到虚拟环境技术、从科学计算可视化到三维实时仿真等。计算机图形图像在我国也得到长足的发展，但从整体水平与研究规模以及与图形图像相关的软硬件产业效益等方面来衡量，与国际先进水平相比仍有较大差距。当前惊人的技术发展速度，使一些理论上不能圆满解决的问题，采用技术手段可获得较圆满的解决。如应用扫描器和3D跟踪器创作的人体动画，其逼真度超出算法描述的人体动画，就是极其生动的例子。从而，促使我们考虑如何充分利用不断涌现的新技术和硬件功能来设计全新的算法，所以图像技术在计