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1、2019/5/25,Su Chun, Southeast University,1,制造系统建模与仿真 （Modeling and Simulation for Manufacturing System）,电话：13851875437 E-mail：,苏 春 机械工程学院工业工程系,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,2,教学内容,制造系统建模与仿真目录,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,3,教学要求,Understand the benefits and limitations of computer
2、simulation. Know how to construct a simulation model using software. Translate data into model input and understand the importance of good input data. Appreciate the value of animation and use techniques for animation Understand the importance of good statistical analysis of simulation output and ho
3、w to avoid or deal with fundamental statistical problems resulting from using simulation Know the difference between verification and validation and why each are important. Understand possible advanced simulation uses. Conduct a simulation study in the real world. Evaluate a simulation presented by
4、a third-party. Supervise a simulation study,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,4,成绩评定方法,按百分制评定成绩： 考勤及平时表现占10% 作业及综合实践作业占20% 期末考试占70%,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,5,第1章 绪论,1.1 系统与制造系统 1.1.1 什么是系统 1.1.2 制造系统的组成与特点 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 1.2.2 系统建模与仿真技术的特点 1.3 制造系统建模与仿真的基本概念
5、 1.3.1 制造系统建模与仿真的特点分析 1.3.2 制造系统类型及其建模元素 1.3.3 制造系统仿真的功能分析 1.4 系统建模与仿真的基本步骤 1.5 系统建模与仿真案例分析 1.5.1 连杆生产线的组成与功能分析 1.5.2 连杆生产线仿真模型的构建 1.5.3 仿真逻辑的分析与定义 1.5.4 仿真结果分析及系统优化,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,6,1.1 系统与制造系统,古希腊哲学家德谟克利特（Democritus，约公元前460- 370年）在其著作世界大系统中关于系统的描述： “任何事物都是在联系中显现出来的，都存在于系统
6、中，系统联系规定了每一个事物，而每一个联系又能反映 系统联系的总貌。”,1.1.1 什么是系统,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,7,1.1 系统与制造系统,为什么成都平原被称为天府之国？,图1-1 都江堰工程,据史记记载，都江堰使成都平原“水旱从人，不知饥馑，时无荒年，天下谓之天府也”。,公元前256年，蜀郡太守李冰父子组织建造都江堰工程，它主要由鱼嘴、飞沙堰和宝瓶口等三个部分组成。都江堰工程巧妙地利用地形，科学地解决了江水的自动分流、自动排沙和自动控制进水流量等难题，起到了“行水灌田，防洪抗灾”的功效，使成都平原获得“天府之国”的美誉。,201
7、9/5/25,Su Chun, Southeast University,8,1.1 系统与制造系统, 具有边界（boundary）。,系统（system）是由诸多相互作用、相互依存的要素按照一 定规律构成的集合体，它们共同组成具有特定结构和功能的 整体。它具有以下特点：, 由两个或两个以上要素组成。, 构成系统的要素之间具有一定的联系，并在系统内部形成特 定的结构。, 系统具有特定的功能，具有存在的价值和作用，并且系统功 能受到系统结构和环境的影响。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,9,1.1 系统与制造系统,制造系统案例汽车装配线,2019/
8、5/25,Su Chun, Southeast University,10,1.1.2 制造系统的组成与特点,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（continuous system） 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性变化的系统。,连续系统的数学模型有常微分方程、偏微分方程、状态空间 方程以及脉冲响应函数等形式。,例如：电力生产、供电网络、石油炼制、自来水生产、电路系 统、生物体的生长和发育等都是典型的连续系统。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,11,1.1
9、.2 制造系统的组成与特点,连续系统案例某地区用电负荷,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,12,1.1.2 制造系统的组成与特点,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 （discrete event dynamic system，DEDS）。, 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、
10、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。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,13,1.1.2 制造系统的组成与特点,根据事件及其发生次序的不同，同一种系统状态可能会演变 成多种新的状态。,对于离散事件系统，系统状态通常难以用准确的函数加以描 述，但是可以通过统计分析得到系统处于不同状态的概率。,车间待加工零件数量与时间的关系,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,14,1.1.2 制造系统的组成与特点,制造系统（manufacturing system）是指以生产产品为目的， 由制
11、造过程中的人员、原材料、能源、加工设备、物流设备 和其它辅助装置以及设计方法、加工工艺、生产调度、系统 维护、管理规范等组成的具有特定功能的有机整体。,制造系统具有以下特点：, 制造系统涵盖市场分析、设计、工艺规划、加工、调度、装 配、销售、售后服务以及回收处理等环节。, 制造系统是由产品制造过程中相关软硬件所组成的有机整体。, 制造系统的输入为物流、能源、信息等制造资源，输出为产 品或半产品，它是一个动态输入输出系统。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,15,1.1.2 制造系统的组成与特点,制造系统的性能要受到市场与客户需求、原材料供应、系统
12、结构及参数等多方面因素的影响。,经济的全球化使得企业之间的竞争日趋激烈，交货期（time to market）、产品质量（quality）、生产成本（cost） 以及服务水平（service）等成为制造企业竞争力的主要表现 形式和追求目标。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,16,1.1.2 制造系统的组成与特点,机械制造系统举例： 单台加工设备（machining equipment） 制造单元（manufacturing cell） 制造车间（manufacturing shop或production shop） 生产线/装配线（product
13、ion line/assembly line） 柔性制造系统（flexible manufacturing system，FMS） 计算机集成制造系统（CIMS） 制造企业（manufacturing enterprise）,机械制造系统由机床、夹具、刀具、加工工艺、原材料（毛 坯或半成品等）以及操作人员、管理人员、操作规范、管理 规定等组成。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,17,1.1.2 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
14、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,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,18,1.2 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：, 构造系统模型（model of system），通过对系统模的试验 来了解和验证系统的性能指标。, 直接以实际系统为对象进行试验；,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,19,1.2 系
15、统建模与仿真的基本概念,基于模型的试验具有以下优点：, 新系统还处于开发阶段，尚没有可供试验的真实系统。 例如：新型飞机、汽车等新产品的研制等。, 对真实系统的试验可能会引起系统故障或破坏，给系统、环 境、操作人员及其用户等带来危害或产生重大损失。 例如：采用新技术的火箭、卫星以及载人飞船的发射，电力 系统、铁路机车调度系统的操作培训等。, 为得到系统真实的性能指标，往往需要进行多次试验，使得 基于实物的试验成本高、试验周期长。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,20,1.2 系统建模与仿真的基本概念, 试验条件的一致性是保证试验结果的准确性和可信
16、性的重要 条件，基于实物的试验在此方面存在较大难度。,随着科学技术进步和系统复杂性的提高，基于模型的试验方法得到越来越广泛的应用。,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,21,1.2 系统建模与仿真的基本概念,建立系统模型是开展模型试验的前提条件，该过程称为系统 建模（system modeling）。,模型（model）是对实际或设计中系统的某种形式的抽象、 简化与描述，通过模型可以分析系统的结构、状态、动态 行为和能力。,系统模型可以分为： 物理模型 数学模型 物理-数学模型,2019/5/25,Su Chun, Southeast University,22,1.2 系统建模与仿真的基本概念,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； 开发新型轮船时，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； 工程建设或发电站选址时需要建立沙盘
