《制造系统建模与仿真》讲义1

2024/3/241第一章系统建模与仿真的根本概念

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WhatisModelingandSimulation?BasicStepsofModelingandSimulationIntroductionofMainSimulationSoftware2024/3/242WhatisModelingandSimulation?仿真〔Simulation〕也称模拟，它是通过对系统模型的试验，研究已存在的或设计中的系统性能的方法及其技术。

仿真可以再现系统的状态、动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合理、性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。

例如：研制新型飞机时，一般先要对按比例缩小的飞机模型进行风洞试验，以验证飞机的空气动力学性能；2024/3/243WhatisModelingandSimulation?2024/3/244WhatisModelingandSimulation?

开发新型轮船或舰艇等时，一般先要在水池中对缩小的轮船模型进行试验，以了解轮船的各种性能；2024/3/245WhatisModelingandSimulation?

我国在建设三峡大坝时，广泛采用建模与仿真技术研究和评估大坝对环境、生态、洪水等方面的影响。2024/3/246WhatisModelingandSimulation?

设计新的生产线或新产品时，要通过仿真或试验对生产线或产品性能作出评估：2024/3/247WhatisModelingandSimulation?

神舟飞船：神舟飞船海上试验神舟飞船模拟飞行图神舟飞船发射神舟飞船系统2024/3/248飞船上的模拟航天员风洞试验为神舟飞船打造平安屏障WhatisModelingandSimulation?2024/3/249WhatisModelingandSimulation?因此，仿真通常与模型〔model〕、建模〔modeling〕过程密切相关。

其它仿真案例

建筑的抗震和防风设计：2024/3/2410WhatisModelingandSimulation?

根据仿真模型的不同，仿真可以分为物理仿真、数学仿真以及物理-数学仿真。

物理仿真是通过对实际存在的模型进行试验，以研究系统的性能，如飞机的风洞试验、建筑及城市规划模型等。

数学仿真是利用系统的数学模型代替实际系统进行试验研究，以获得现实系统的特征和规律。

物理-数学仿真是前两者的有机结合，如各种航空、航天仿真训练器等。2024/3/2411WhatisModelingandSimulation?2024/3/2412WhatisModelingandSimulation?2024/3/2413WhatisModelingandSimulation?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本钱。根据系统状态变化是否连续，可以将系统分为连续系统〔continuoussystem)和离散事件系统(discreteeventsystem)。

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。2024/3/2414WhatisModelingandSimulation?制造领域中生产线/装配线、路口的交通流量分布、电信网络的流量等都是典型的离散事件系统。

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。

根据应用性质的不同，仿真系统可以分为研制类仿真系统和应用类仿真系统两大类型。

研制类仿真系统主要用于产品分析、设计、制造、装配、检测及优化等；

应用类仿真系统用于系统操作及管理人员的培训等。2024/3/2415WhatisModelingandSimulation?阶段应用内容概念化设计对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理的设计方案设计建模建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意设计分析分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪音、可靠性等性能指标设计优化调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化制造刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装配中可能发生的问题样机试验系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚拟样机试验，以确认设计目标系统运行调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化仿真技术在系统研制中的应用

2024/3/2416WhatisModelingandSimulation?随着计算数学的成熟和计算机技术的开展，人们越来越多地通过数学模型、应用计算机来进行仿真研究，进而形成计算机仿真技术。

计算机仿真的实质是仿真过程的数字化，因而也称为数字化仿真。

数字化仿真具有显著优点，已成为现代产品开发中的重要支撑技术和手段：2024/3/2417WhatisModelingandSimulation?①有利于提高产品质量传统的产品开发多以满足根本使用要求为准那么。市场竞争的加剧和相关技术的开展，使得产品全寿命周期的综合性能最优成为现代产品设计的核心准那么。

但是，物理仿真往往难以复现产品在全寿命周期内可能出现的各种复杂工作环境，或因复现环境的代价太高而难以付诸实施。数字化仿真技术可以克服上述缺点，在产品未实际开发出来之前，研究产品在各种工作环境下的表现，以保证产品具有良好的综合性能。2024/3/2418WhatisModelingandSimulation?②有利于缩短产品开发周期

传统的产品开发遵循设计、制造、装配、样机试验的串行开发模式，而简单的计算分析难以准确地预测被设计产品的实际性能，通常需通过样机试制和样机试验结果，确定设计方案的优劣，以便修改、完善设计。

因此，产品开发的繁复性大、成功率低、周期长。采用数字化仿真技术，可以在计算机上完成产品的概念设计、结构设计、加工、装配以及系统性能的仿真，提高设计的一次成功率，缩短设计周期。2024/3/2419WhatisModelingandSimulation?③有利于降低产品开发本钱数字化仿真以虚拟样机代替实际样机或模型进行试验，能显著地降低开发本钱。④可以完成复杂产品的操作、使用训练2024/3/2420WhatisModelingandSimulation?Ford、BMW、FIAT以及Volvo等世界领先汽车制造企业的汽车新品开发，已经彻底摒弃了传统的开发模式，从产品的概念设计、样机、样机性能试验及修改完善等所有环节都在计算机和网络环境中完成，极大地加快了新品开发速度、降低了开发本钱，使上述企业保持了在行业中的领先地位。

美国Boeing公司的777型飞机开发广泛采用数字化仿真技术，在计算机和网络环境中完成了飞机设计、制造、装配及试飞的全部过程，取消了传统的风洞试验、上天试飞等物理仿真及试验环节，使开发周期由原先的9～10缩短为4.5年。2024/3/2421BasicStepsofModelingandSimulation

数字化仿真就是在计算机上将描述实际系统的几何、数学模型转化为能被计算机求解的仿真模型，并编制相应的仿真程序进行求解，以获得系统性能参数的方法及过程。实际系统几何建模数学建模仿真试验仿真建模仿真结果数字化仿真的根本步骤2024/3/2422BasicStepsofModelingandSimulation1系统建模

仿真是一种基于模型的试验活动。

模型是对实际或设计中系统的某种形式的描述与表达，通过模型可以分析系统的结构、状态、动态行为和能力。系统建模是仿真的根底，模型的质量和准确性决定了仿真结果的可信性和有效性。

根据抽象程度和研究方法的不同，可分为物理模型、概念模型、分析模型以及知识模型等。2024/3/2423BasicStepsofModelingandSimulation

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：2024/3/2424BasicStepsofModelingandSimulation②归纳法

通过对真实系统的测试，获得有关真实系统本质的信息及数据，再经过对信息及数据的处理，得出对真实系统规律性的描述。①演绎法从某些前提、假设、原理和规那么出发，通过数学或逻辑推导建立系统的数学模型。演绎法是从一般到特殊的过程，即根据普遍原理推导出被仿真对象的特殊描述。2024/3/2425BasicStepsofModelingandSimulation

归纳法是利用对真实系统的试验数据建立系统模型，是从特殊到一般的过程。

为保证仿真结果的可靠性，必须充分了解真实系统，以提炼出真实系统的本质特征，这就是模型的“可信度”问题。

模型的可信度即模型的相似性和精度，它不仅取决于建模所用的先验知识及试验数据是否正确完备，还取决于所用的建模方法是否合理、严密。

此外，将数学模型转化为仿真模型的过程中，还存在模型的转换精度问题，也会影响模型的可信度。2024/3/2426BasicStepsofModelingandSimulation④识别与验证了解系统特性、发现潜在问题。

就制造系统而言，建模与仿真的目的包括：①优化寻求最正确的决策或设计变量；②预测分析系统性能或敏感因素；③控制选择适宜的控制规那么或方法；2024/3/2427BasicStepsofModelingandSimulation2024/3/2428BasicStepsofModelingandSimulation2仿真试验

仿真试验是运行仿真程序、进行仿真研究的过程，也就是对所建立的仿真模型进行数值试验和求解的过程。

不同的仿真模型有不同的求解方法。例如：连续系统通常用常微分方程、传递函数、偏微分方程〔如有限差分法、蒙特卡罗法或有限元方法等〕求解。2024/3/2429BasicStepsofModelingandSimulation不同类型的离散事件系统〔如效劳系统、库存系统等〕有不同的仿真方法。

离散系统的仿真一般为数值试验的过程，即测试当参数符合一定概率分布规律时系统的性能指标。离散事件系统的仿真模型通常是概率模型。

从仿真试验中提取有价值的信息，以指导实际系统的开发，是仿真的最终目标。3仿真结果分析2024/3/2430BasicStepsofModelingandSimulation

目前，仿真软件中广泛采用图形化技术，通过图形、图表、动画等形式显示被仿真对象的各种状态，使得仿真数据更加直观、丰富和详尽，也有利于人们对仿真结果的分析。

早期仿真软件的仿真结果多以数据的形式输出，需要研究人员花费大量时间整理、分析仿真数据，以得到科学结论。

另外，应用领域及仿真对象不同，仿真结果的数据形式和分析方法也不尽相同。

2024/3/2431BasicStepsofModelingandSimulation研究对象、数学模型及仿真模型之间的关系一般地，研究对象、数学模型及仿真模型之间的关系如下：仿真建模

仿真试验数学建模

研究对象：已有或设计中的系统

数学模型：系统的几何及数学模型

仿真模型：仿真算法及程序2024/3/2432IntroductionofMainSimulationSoftware

现代仿真软件开发广泛采用如下技术：

系统建模和仿真过程也存在着不少缺陷，如：缺乏有效的仿真建模方法、仿真模型的开发过程与仿真实验相互混淆、缺少有效的数据和模型管理工具等。

传统的仿真软件多采用面向应用和以语言为中心的开发模式。仿真系统的应用范围窄、适应性差，可扩展性和可维护性差。2024/3/2433IntroductionofMainSimulationSoftware①开放式结构

数据接口标准化，使软件能适用于多种网络接口、通信标准和操作系统，提高系统的适应性和可维护性。②“事件驱动”的编程方法早期的编程方法为“顺序驱动”，程序结构缺少灵活性；“事件驱动”将复杂多变的与仿真对象有关的数据和结构信息作为驱动事件别离出去，主程序中为通用性强、相对固定的程序结构，使系统灵活性增加。2024/3/2434IntroductionofMainSimulationSoftware③模块化建模模块化建模是实现事件驱动编程的根底，可以提高代码利用率，有利于减少软件规模，适应了面向对象编程。④数据处理技术数据是仿真的根底，仿真系统的运行实际是数据的交互活动。仿真数据可分为关系数据和实时数据两类，关系数据包括模型参数、监控信息等，而实时数据那么是仿真运行中产生的数据，它具备与仿真计算同步刷新的功能。2024/3/2435IntroductionofMainSimulationSoftware

从应用角度，仿真软件可以分为两类：

基于仿真语言

应用较为广泛，但缺乏针对性，且用户需要有一定的专业知识、建模能力及编程技巧，仿真模型开发的工作量也较大。GPSS、SIMSCRIPT、SIMAN、SLAM都是有代表性的仿真语言。

基于专用仿真环境

专用仿真环境针对特定的应用领域，可以使用户的精力集中于系统分析及建模，有利于提高仿真效率和仿真质量。典型软件包括ProModel、ARENA、FLEXSIM、ADAMS等。2024/3/2436IntroductionofMainSimulationSoftware

例如：ProModel采用面向对象的编程方法，打破了传统仿真软件面向过程的方式，使仿真建模、运行和结果分析更加方便，可以为生产流水线、装配流水线等复杂制造系统提供仿真和分析。

就制造系统而言，存在不同类型、适合于不同领域的仿真软件，如运动学仿真软件、动力学仿真软件、结构热设计仿真软件、数控编程及加工仿真软件、生产及装配线仿真软件、注塑模具成型仿真软件、铸造成型仿真软件、冲压成型仿真分析软件、流体传动仿真软件、物流系统仿真软件、生产管理仿真软件等。

2024/3/2437IntroductionofMainSimulationSoftware软件名称公司名称主要应用领域金银花V-CNC广州红地技术有限公司数控编程及加工仿真系统PAM-STAMP、OPTRIS法国ESIGroup冲压成型仿真软件PAM-CAST、PROCAST法国ESIGroup铸造成型仿真系统PAM-SAFE法国ESIGroup汽车被动安全性仿真软件PAM-CRASH法国ESIGroup碰撞、冲击仿真软件PAM-FORM法国ESIGroup塑料、非金属与复合材料热成形仿真软件SYSWELD法国ESIGroup热处理、焊接及焊接装配仿真软件2024/3/2438IntroductionofMainSimulationSoftware软件名称公司名称主要应用领域Flexsim美国ManufacturingEngineering，Inc离散事件系统仿真软件MATLAB美国MathWorks，Inc控制系统仿真语言及系统SIMPACK德国INTECGmbH机械系统运动学、动力学仿真系统WITNESS英国LannerGroup制造、汽车、运输、电子等仿真软件DEFORM美国ScientificFormingTech.Corp金属锻造成型仿真软件Moldflow美国MoldflowPtyLtd注塑模具成型仿真软件2024/3/2439IntroductionofMainSimulationSoftware软件名称公司名称主要应用领域MS