教學(xué)課件：《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》

生產(chǎn)系統(tǒng)建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)

生產(chǎn)系統(tǒng)建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真理論基礎(chǔ)知識(shí)第一章緒論主要內(nèi)容0引言1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展1.2計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)物流系統(tǒng)中的應(yīng)用1.3系統(tǒng)仿真1.4本課程的主要內(nèi)容生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真理論基礎(chǔ)知識(shí)第一章緒論主要內(nèi)容引言系統(tǒng)的概念：由相互聯(lián)系、相互作用的事物或元素構(gòu)成的具有特定功能、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的統(tǒng)一整體。研究系統(tǒng)的手段和方法：隨著人們認(rèn)識(shí)和改造自然的能力的增強(qiáng)，科學(xué)技術(shù)水平也得到了迅猛的發(fā)展。行星運(yùn)動(dòng)三大定律（開普勒）萬有引力（牛頓）相對(duì)論（愛因斯坦）利用數(shù)學(xué)手段對(duì)事物描述的理論越來越完善。而且研究的范圍也越來越廣，人們已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到用數(shù)學(xué)模型去描述所研究系統(tǒng)的優(yōu)越性。并逐漸發(fā)展出系統(tǒng)研究和系統(tǒng)分析理論。但是，由于數(shù)學(xué)手段的限制，人們對(duì)復(fù)雜事物和復(fù)雜系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行求解的能力也非常有限。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)科技的發(fā)展產(chǎn)生了無可估量的、深遠(yuǎn)的影響。許多復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型可以通過計(jì)算機(jī)來計(jì)算求解。因此利用數(shù)學(xué)模型描述系統(tǒng)的特征并進(jìn)行求解的手段逐漸的被計(jì)算機(jī)仿真的技術(shù)所替代。引言系統(tǒng)的概念：由相互聯(lián)系、相互作用的事物或元素構(gòu)成的具有特引言計(jì)算機(jī)仿真的的優(yōu)越性：（1）可以求解許多復(fù)雜而無法用數(shù)學(xué)手段解析求解的問題。（2）可以預(yù)演或再現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)過程。

(3)對(duì)無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究。

引言計(jì)算機(jī)仿真的的優(yōu)越性：§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

引例1：2008北京奧運(yùn)會(huì)開幕式全景式智能仿真編排系統(tǒng)導(dǎo)演只要說出自己創(chuàng)意，科研人員將具體參數(shù)輸入系統(tǒng)，電腦上就會(huì)呈現(xiàn)出和真人表演同樣逼真的效果。它還能實(shí)時(shí)漫游，也就是說能展示任意不同角度的鏡頭畫面，幫助導(dǎo)演隨時(shí)調(diào)整預(yù)案。如果靠想象或真人反復(fù)排練來調(diào)整表演方案，難度和效果可想而知。例如在下半場(chǎng)“星光”表演中，導(dǎo)演最初估計(jì)要5000人，計(jì)算機(jī)根據(jù)衣服、人體厚度、圖形范圍、人與人間距等各種因素，進(jìn)行智能填充及分布，并對(duì)自動(dòng)點(diǎn)位的密集程度進(jìn)行分析與調(diào)整，得出最優(yōu)的解決方案，建議2369人參演……§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展引例1：2008北京奧§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

引例2：仿真模擬系統(tǒng)確保60周年國(guó)慶游行萬無一失仿真階段，通過對(duì)游行隊(duì)伍各方陣隊(duì)容、隊(duì)形進(jìn)行智能化編排設(shè)計(jì)，對(duì)每名人員進(jìn)行數(shù)字定位；通過對(duì)方陣長(zhǎng)度、前后間距及方陣間隔的調(diào)整，對(duì)整個(gè)游行時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確控制；通過整合彩車、服裝、道具、行進(jìn)表演、動(dòng)作、音樂、口號(hào)、合唱、背景圖案、天安門地區(qū)實(shí)景等游行要素，進(jìn)行實(shí)景環(huán)境下系統(tǒng)的模擬仿真，為整體效果的體現(xiàn)和方案的優(yōu)化提供參考依據(jù)。仿真模擬組將計(jì)算機(jī)上的分解圖和動(dòng)作要求印成一本《首都國(guó)慶60周年聯(lián)歡晚會(huì)演員表演手冊(cè)》，導(dǎo)演組及每個(gè)演員人手一冊(cè)，每本手冊(cè)上對(duì)每一個(gè)動(dòng)作、配合的音樂節(jié)拍、形成的效果都有詳細(xì)說明。在50周年國(guó)慶游行時(shí)，因?yàn)闆]有計(jì)算機(jī)輔助，僅背景部分的群眾排位，10年前的坐標(biāo)圖完全靠人工繪制，十幾個(gè)人花了3個(gè)多月才完成。§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展引例2：仿真模擬系統(tǒng)確?！?.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

系統(tǒng)仿真可以被理解為在對(duì)一個(gè)已經(jīng)存在或尚不存在但正在開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行研究的過程中，為了了解系統(tǒng)的內(nèi)在特性，必須進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)；而由于系統(tǒng)不存在或其它一些原因，無法在原系統(tǒng)上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只能設(shè)法構(gòu)造既能反映系統(tǒng)特征又能符合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求的系統(tǒng)模型，并在該系統(tǒng)模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到了解或設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目的。§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展系統(tǒng)仿真可以被理解為在對(duì)§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

系統(tǒng)仿真的三個(gè)要素：系統(tǒng)，系統(tǒng)模型和實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)是問題的本源，是系統(tǒng)分析的目的；實(shí)驗(yàn)是解決問題達(dá)到目的的手段；系統(tǒng)模型則是連接系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)(目的和手段)之間的橋梁?！?.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展系統(tǒng)仿真方法的研究和應(yīng)用：第一階段：古代樸素的仿真思想萌芽：通過構(gòu)造模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)從而獲得系統(tǒng)特性。例如：古代的桁梁式建筑屋頂。第二階段：19世紀(jì)末20世紀(jì)初:隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用模擬電路去研究工業(yè)控制過程中的實(shí)際問題，（即現(xiàn)代控制理論）也就是以模擬電路作為工業(yè)控制系統(tǒng)的模型，通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)，來解決實(shí)際控制過程中的問題。還有比如:(1)將按一定比例縮小的飛行器模型置于風(fēng)洞中吹風(fēng),測(cè)出飛行器的升力、阻力、力矩等特性；(2)要建設(shè)一個(gè)大水電站,先建一個(gè)規(guī)?？s小的小水電站來取得建設(shè)水電站的經(jīng)驗(yàn)及其運(yùn)行規(guī)律.(3)指揮員利用沙盤來指揮一個(gè)戰(zhàn)役或一個(gè)戰(zhàn)斗.§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展系統(tǒng)仿真方法的研究和應(yīng)用：§1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

這些都是利用實(shí)物去構(gòu)造與實(shí)際系統(tǒng)成比例的物理模型。在模型上進(jìn)行試驗(yàn)。（有些實(shí)驗(yàn)是由破壞性的，每次實(shí)驗(yàn)都要重新構(gòu)造模型，帶來了很大的麻煩和浪費(fèi)）第三階段：現(xiàn)代仿真技術(shù)：隨著計(jì)算機(jī)的誕生，仿真與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合，現(xiàn)在所講的仿真一般就是計(jì)算機(jī)仿真。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，仿真技術(shù)也取得了飛速發(fā)展?！?.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展這些都是利用實(shí)物去構(gòu)造與§1.1.1仿真軟件的發(fā)展仿真軟件泛指一類面向仿真用途的應(yīng)用軟件。特點(diǎn)：面向問題和面向用戶。主要功能：模型描述的規(guī)范及處理、仿真實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行和控制、仿真結(jié)果的分析和演示、模型和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索。根據(jù)功能分為以下三大類:仿真程序包、仿真語(yǔ)言和仿真環(huán)境。仿真軟件的發(fā)展階段：歷史上第一個(gè)仿真軟件是1955年由塞爾弗里奇開發(fā)的。主要是完成了用辛普森積分的方法進(jìn)行數(shù)值積分的仿真程序設(shè)計(jì)。之后仿真軟件的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個(gè)階段;§1.1.1仿真軟件的發(fā)展仿真軟件泛指一類面向仿真用§1.1仿真軟件的發(fā)展第一階段：20世紀(jì)50年代到60年代初期，通用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言階段（以Fortran語(yǔ)言為代表，F(xiàn)ortran語(yǔ)言是達(dá)到成熟的第一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言）第二階段：20世紀(jì)60年代到70年代，出現(xiàn)了多種仿真程序包括初級(jí)的仿真語(yǔ)言。主要針對(duì)利用數(shù)字仿真方法求解常微分方程。比較典型的有1964年IBM公司的G.戈登開發(fā)的高度結(jié)構(gòu)化的利用進(jìn)程交互方法進(jìn)行排隊(duì)問題仿真的專用仿真語(yǔ)言GPSS(generalpurposesimulationsystem)第三階段：20世紀(jì)70年代到80年代初期，高級(jí)完善的商品化仿真語(yǔ)言。其完善表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面;§1.1仿真軟件的發(fā)展第一階段：20世紀(jì)50年代到6§1.1仿真軟件的發(fā)展(1)模型的表達(dá)能力

(2)數(shù)值性能和算法

(3)語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)特征

(4)模型驗(yàn)證

(5)數(shù)據(jù)管理和處理能力

(6)程序執(zhí)行方式

(7)輸入輸出特性例如：CSSL-IV(求解常微分方程)、ASCL(advancedcontinuoussimulation)(求解差分方程)、以及Simscript1.5(用于離散事件的可以用類似自然語(yǔ)言自由格式描述系統(tǒng)模型)和SLAM（隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)建模）仿真語(yǔ)言?！?.1仿真軟件的發(fā)展(1)模型的表達(dá)能力§1.1.1仿真軟件的發(fā)展第四階段：20世紀(jì)80年中期，一體化建模與仿真環(huán)境的研究。當(dāng)時(shí)的主要背景是：

(1)隨著建模與仿真要求的提高，以開發(fā)的軟件經(jīng)常不能協(xié)調(diào)工作。

(2)對(duì)仿真語(yǔ)言的要求越來越復(fù)雜。

(3)存在大量的數(shù)據(jù)處理及文檔化工作。

(4)不同的用戶對(duì)仿真工具有不同的要求一體化建模與仿真環(huán)境的主要性能表現(xiàn)在:(1)支持建模與仿真的全壽命周期活動(dòng)。

(2)集成化程度高。

(3)方便友好的用戶接口。

(4)初步的知識(shí)處理能力。

(5)模型與仿真的質(zhì)量保證措施。

(6)開放性§1.1.1仿真軟件的發(fā)展第四階段：20世紀(jì)80年中§1.1.1仿真軟件的發(fā)展在當(dāng)今市面上，仿真可使用專用軟件來實(shí)現(xiàn)。下面列舉了一些仿真軟件：20-sim、arena、Automod、Awesim、Easy5、Idef、Intrax、ManufacturingEngineering、Matlab、Modsim、Promodel、Prosolvia、Quest、SDIsupplychain以及Witness。

Witness：該軟件提供離散事件仿真。該軟件具備的多種工具使得對(duì)自動(dòng)化制造系統(tǒng)進(jìn)行仿真非常容易。周轉(zhuǎn)時(shí)間、損壞模式和定時(shí)，調(diào)整模式和定時(shí)，緩沖設(shè)備容量和保存時(shí)間，機(jī)器類型等連同路徑信息都為仿真提供了方便性。該軟件還包括物料流動(dòng)優(yōu)化，虛擬現(xiàn)實(shí)功能，有效地物流流動(dòng)可以最小化設(shè)備間物料和產(chǎn)品流動(dòng)的費(fèi)用?！?.1.1仿真軟件的發(fā)展在當(dāng)今市面上，仿真可使用專§1.1.2仿真建模方法學(xué)的發(fā)展

仿真就是在系統(tǒng)模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真就必須先建立能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別并能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行的系統(tǒng)模型。仿真的兩個(gè)主要方面：建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型、獲得正確的仿真結(jié)果。系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)建立系統(tǒng)模型建立仿真模型仿真實(shí)驗(yàn)§1.1.2仿真建模方法學(xué)的發(fā)展仿真就是在系統(tǒng)模型上§1.1.2仿真建模方法學(xué)的發(fā)展

早期計(jì)算機(jī)仿真的對(duì)象是對(duì)工程技術(shù)領(lǐng)域中的實(shí)際物理過程進(jìn)行仿真。(以時(shí)間為基準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型：連續(xù)時(shí)間模型和離散時(shí)間模型。（常微分方程、偏微分方程和差分方程）進(jìn)人70年代，仿真逐步向政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域滲透。（離散事件邏輯圖和網(wǎng)絡(luò)圖模型）（靜態(tài)模型向動(dòng)態(tài)模型(其仿真策略：事件調(diào)度法、活動(dòng)掃描法、進(jìn)程交互法）過渡）§1.1.2仿真建模方法學(xué)的發(fā)展早期計(jì)算機(jī)仿真§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)1.仿真技術(shù)已經(jīng)取得的成果和缺陷。

2，發(fā)展方向：一體化建模和仿真環(huán)境

§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)1.仿真技術(shù)已經(jīng)取得§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)

3.新的研究熱點(diǎn)

1)面向?qū)ο蠓抡妫╫bject-orientedsimulation,OOS)

面相對(duì)象的仿真從人類認(rèn)識(shí)世界的模式出發(fā)，可以使問題空間和求解空間相一致，使仿真框架自然直觀并且具有可維護(hù)性和可重用性。

2）定性仿真（qualitativesimulation,QS)

由于傳統(tǒng)的定量數(shù)字仿真的局限，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)必須引入定性仿真，力求非數(shù)字化，以非數(shù)字化的手段處理信息的輸入、建模、行為分析和結(jié)構(gòu)輸出，通過定性模型推導(dǎo)定性行為的描述

3）智能仿真(intelligencesimulation,IS)

以知識(shí)為核心和人類思維行為為背景，引入整個(gè)建模仿真過程構(gòu)造

§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)3.新的研究熱點(diǎn)§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)

能仿真平臺(tái)。其開發(fā)途徑：人工智能和仿真技術(shù)的集成化。

4）分布交互仿真(distributedinteractivesimulation,DIS)

就是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在各地的仿真設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)成時(shí)間與空間相互耦合的虛擬仿真環(huán)境。其中的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(基礎(chǔ)）、支撐環(huán)境技術(shù)（核心)、組織和管理(信號(hào)）。

5）可視化仿真(visualsimulation,VS)

通過為仿真過程和結(jié)果增加文本提示、圖形、圖像、動(dòng)畫表現(xiàn)、是仿真過程更加直觀，結(jié)果更易理解，并能驗(yàn)證仿真過程是否正確。動(dòng)畫仿真?！?.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)能仿真平臺(tái)。其§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)

6）多媒體仿真(MS)

在可視化仿真的基礎(chǔ)上再加入聲音，就可以實(shí)現(xiàn)多媒體仿真。是對(duì)傳統(tǒng)意義上數(shù)字仿真概念內(nèi)涵的擴(kuò)展和延伸。利用系統(tǒng)分析的原理和信息技術(shù)，以更加接近自然的多媒體形式建立描述系統(tǒng)內(nèi)在變化規(guī)律的模型，并在計(jì)算機(jī)上以多媒體的形式再現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變的過程，從而獲得有關(guān)系統(tǒng)的感性和理性認(rèn)識(shí)。

7）虛擬現(xiàn)實(shí)仿真(VRS)

在多媒體仿真的基礎(chǔ)上強(qiáng)調(diào)三維動(dòng)畫、交互功能、支持觸、嗅、味知覺，從而得到VRS系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)是由計(jì)算機(jī)全部或部分生成的多位感覺環(huán)境，給參與者產(chǎn)生多種感覺信號(hào)，§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)6）§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)

使參與者有身臨其境的感覺。能體驗(yàn)、接受和認(rèn)識(shí)客觀事物。8）Internet網(wǎng)上仿真

Internet的迅速崛起，利用面向?qū)ο蟮幕ヂ?lián)網(wǎng)程序語(yǔ)言Java,開發(fā)了多種面向WWW的仿真系統(tǒng)，比如:Simkit分布式仿真系統(tǒng)。近年來利用面向WWW的程序語(yǔ)言開發(fā)離散事件的仿真系統(tǒng)、基于WWW的仿真建模以及互聯(lián)網(wǎng)上的仿真運(yùn)行已經(jīng)成為系統(tǒng)仿真研究的熱點(diǎn)§1.1.3系統(tǒng)建模與仿真的發(fā)展趨勢(shì)使參與者有身臨其§1.2計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)物流中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到制造以至測(cè)試維護(hù)的整個(gè)生命周期。

階段

計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用

概念設(shè)計(jì)產(chǎn)品動(dòng)力學(xué)分析（應(yīng)力分析、強(qiáng)度分析）產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真（機(jī)構(gòu)之間的連接與碰撞）

細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)刀位軌跡仿真加工過程的仿真裝配仿真

加工制造制造車間設(shè)計(jì)生產(chǎn)計(jì)劃及作業(yè)調(diào)度制定，各級(jí)控制設(shè)計(jì)，故障處理

測(cè)試測(cè)試用仿真器

培訓(xùn)/維護(hù)訓(xùn)練用仿真器

銷售供應(yīng)鏈仿真器§1.2計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)物流中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)貫穿于產(chǎn)§1.2計(jì)算機(jī)仿真在物流生產(chǎn)中的應(yīng)用從發(fā)展歷程看，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域從傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域向產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和銷售領(lǐng)域擴(kuò)展。先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，為計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用提供了新的舞臺(tái)，也提出了更高的要求。目前，仿真技術(shù)應(yīng)用具有以下特點(diǎn)和趨勢(shì)：

1）仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍空前的擴(kuò)大；

2）與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合帶來的仿真的分布性；

3）與圖形和傳感器相結(jié)合，使仿真的交互性大大強(qiáng)；

4）仿真技術(shù)應(yīng)用的集成化?！?.2計(jì)算機(jī)仿真在物流生產(chǎn)中的應(yīng)用從發(fā)展歷程看，計(jì)算機(jī)仿§1.2.1計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)管理控制技術(shù)

策略中的應(yīng)用用于生產(chǎn)管理控制策略的仿真包括確定有關(guān)參數(shù)以及用于不同控制策略之間的比較。常見的控制策略有：

1)MRP（MaterialsRequirementPlanning)：是一種“推”式的控制策略，通過需求預(yù)測(cè)，綜合考慮生產(chǎn)設(shè)備的能力、原材料可用量和庫(kù)存量來制定生產(chǎn)計(jì)劃。

2）KANBAN（看板）：是一種“拉”式的控制策略，根據(jù)訂單來制定生產(chǎn)計(jì)劃，即通常所說的準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)。

3）LOC：面向負(fù)載能力的控制策略。根據(jù)庫(kù)存水平來控制生產(chǎn)過程。

4）DBR：面向瓶頸的控制策略。根據(jù)生產(chǎn)過程中的瓶頸環(huán)節(jié)來控制整個(gè)流程。每種控制策略中需要確定的參數(shù)包括：批量的大小、看板的數(shù)量、庫(kù)存水平等比較的衡量指標(biāo)一般包括產(chǎn)量、生產(chǎn)率等?！?.2.1計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)管理控制技術(shù)

§1.2.2計(jì)算機(jī)仿真在制造車間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用整個(gè)車間的設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段：初步設(shè)計(jì)階段：研究用戶的需求，然后由此確定初步設(shè)計(jì)方案；在此階段，可以在仿真程序中包含經(jīng)濟(jì)效益分析算法，運(yùn)行根據(jù)此設(shè)計(jì)方案建立的仿真模型給出的評(píng)價(jià)信息如下：（1)新車間中生產(chǎn)的產(chǎn)品類型和數(shù)量是否滿足用戶要求?(2)產(chǎn)品的質(zhì)量和精度能否滿足要求？（3）新車間的效率和投資回收率是否合理？細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段：在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)車間各個(gè)組成單元的詳盡而完整的描述，使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到進(jìn)行試驗(yàn)和投產(chǎn)決策的程度。即確定設(shè)備、刀具、夾具、托盤、物料處理系統(tǒng)車間布局等。此階段使用仿真技術(shù)可以對(duì)候選方案做出以下評(píng)價(jià)：§1.2.2計(jì)算機(jī)仿真在制造車間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用整個(gè)車間的設(shè)計(jì)§1.2.2計(jì)算機(jī)仿真在制造車間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1)在制造主要零件時(shí)，車間中的主要加工設(shè)備是否能夠得到充分的利用?負(fù)載是否平衡？

(2)物料處理系統(tǒng)是否能和車間的柔性程度相適應(yīng)？（3）新車間的整體布局是否能夠滿足生產(chǎn)調(diào)度的要求？是否具有一定的可重構(gòu)能力？（4）發(fā)生故障時(shí)，車間生產(chǎn)系統(tǒng)能否維持一定的生產(chǎn)能力？目前用于車間制造設(shè)計(jì)的成熟的軟件主要有：PURDUE大學(xué)開發(fā)的GCMS、清華大學(xué)開發(fā)的IMMS等?！?.2.2計(jì)算機(jī)仿真在制造車間設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（1)§1.2.3計(jì)算機(jī)仿真在制造車間運(yùn)行中的應(yīng)用FMS(FlexibleManufactureSystem)中的調(diào)度問題可定義為分配和協(xié)調(diào)可獲得的生產(chǎn)資源，如加工機(jī)器、自動(dòng)引導(dǎo)運(yùn)輸工具AGV(AutomatedGuidedVehicle、機(jī)器人以及加班時(shí)間等以滿足指定的目標(biāo)。這些目標(biāo)主要是滿足交貨日期、產(chǎn)量達(dá)到最大，機(jī)器的利用率達(dá)到最高，或上述目標(biāo)的組合。FMS中的調(diào)度過程包括：

1）選擇進(jìn)入FMS的工件；

2）為工件加工選擇加工路線；

3）選擇在機(jī)器上進(jìn)行加工的工作；

4）為AGV選擇派遣規(guī)則仿真方法主要就是以上方面對(duì)調(diào)度問題的分析和評(píng)價(jià)。§1.2.3計(jì)算機(jī)仿真在制造車間運(yùn)行中的應(yīng)用FMS(Fl§1.2.4計(jì)算機(jī)仿真在庫(kù)存管理中的應(yīng)用

在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，庫(kù)存子系統(tǒng)起著重要的作用。按照庫(kù)存材料在生產(chǎn)線中的作用可分為在線倉(cāng)庫(kù)和中央倉(cāng)庫(kù)。按照庫(kù)存材料的性質(zhì)可分為原材料及外購(gòu)件庫(kù)、在制品庫(kù)、成品庫(kù)和維修備件及工具庫(kù)。庫(kù)存控制的目的在于是庫(kù)存投資最少，且滿足生產(chǎn)和銷售的要求。對(duì)于庫(kù)存管理的仿真主要包括：

1）確定訂貨策略；

2）確定訂貨點(diǎn)和訂貨批量

3）確定倉(cāng)庫(kù)的分布；§1.2.4計(jì)算機(jī)仿真在庫(kù)存管理中的應(yīng)用 在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)§1.2.5計(jì)算機(jī)仿真在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用

產(chǎn)品開發(fā)過程分為：概念設(shè)計(jì)、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、評(píng)審和再設(shè)計(jì)等階段。每個(gè)階段又可以進(jìn)一步細(xì)分，如詳細(xì)設(shè)計(jì)階段又可分為總體CAD、零部件CAD、計(jì)算機(jī)輔助工程、可制造性設(shè)計(jì)、可裝配性設(shè)計(jì)等。為了減少產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，需要將上述過程所用的各種工具集成起來，以實(shí)現(xiàn)并行作業(yè)。 產(chǎn)品開發(fā)過程的仿真就是用于模擬上述各種方案，從中選擇集成的最優(yōu)方案。 仿真的指標(biāo)包括：進(jìn)度、資源和成本等。

§1.2.5計(jì)算機(jī)仿真在產(chǎn)品開發(fā)過程中的應(yīng)用 產(chǎn)品開發(fā)過§1.2.6計(jì)算機(jī)仿真在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用

產(chǎn)品價(jià)值鏈上的商業(yè)伙伴間的合作和協(xié)調(diào)是虛擬企業(yè)的核心概念之一，因此供應(yīng)鏈管理是其研究和開發(fā)的主要焦點(diǎn)。供應(yīng)鏈管理涉及整個(gè)產(chǎn)品價(jià)值鏈上事務(wù)過程的集成，供應(yīng)鏈：供應(yīng)商、制造商、銷售商和用戶。他被認(rèn)為是虛擬企業(yè)業(yè)務(wù)流程集成的關(guān)鍵所在。 對(duì)供應(yīng)鏈進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要仿真器：

1）在Arena仿真平臺(tái)上開發(fā)的單機(jī)后勤鏈仿真器。

2）基于Internet的虛擬企業(yè)內(nèi)供應(yīng)鏈集成仿真環(huán)境。包括在線的

internet應(yīng)用和離線的信息管理兩個(gè)模塊。

§1.2.6計(jì)算機(jī)仿真在供應(yīng)鏈中的應(yīng)用 產(chǎn)品價(jià)值鏈上的商§1.2.7計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)物流中的應(yīng)用實(shí)例演示

應(yīng)用實(shí)例一演示

應(yīng)用實(shí)例二演示

應(yīng)用實(shí)例三演示

應(yīng)用實(shí)例四演示

應(yīng)用實(shí)例五演示

§1.2.7計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)物流中的應(yīng)用實(shí)例演示

系統(tǒng)仿真是針對(duì)真實(shí)系統(tǒng)建立相關(guān)模型，用模型代替真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)行系統(tǒng)性能研究的方法。 成功的系統(tǒng)仿真模型能直接或間接地反復(fù)效仿出真實(shí)系統(tǒng)的各種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)活動(dòng)，記錄動(dòng)態(tài)過程的瞬間狀況，并提供研究分析系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，使人們通過分析模型，了解并把握系統(tǒng)運(yùn)行的本質(zhì)規(guī)律。目前，系統(tǒng)仿真一般指使用計(jì)算機(jī)建立和運(yùn)行系統(tǒng)模型，通過計(jì)算機(jī)演示系統(tǒng)中有關(guān)要素的變化狀況，模擬出真實(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的狀況及隨時(shí)間變化的規(guī)律，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)所要進(jìn)行的系統(tǒng)試驗(yàn)的全過程?！?.3系統(tǒng)仿真概述 系統(tǒng)仿真是針對(duì)真實(shí)系統(tǒng)建立相關(guān)模型，用模型代替真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行

通過對(duì)仿真模型運(yùn)行過程的觀察和統(tǒng)計(jì)，可收集有關(guān)被仿真系統(tǒng)的各種變量的變化狀況及參量數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)基本特性的研究。這些由計(jì)算機(jī)得出的數(shù)據(jù)和基本特性，結(jié)合真實(shí)系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，就可進(jìn)行真實(shí)系統(tǒng)的性能和實(shí)際參數(shù)值的估計(jì)和推斷，進(jìn)而反映出系統(tǒng)運(yùn)行的本質(zhì)規(guī)律，做出建立和改進(jìn)個(gè)系統(tǒng)的決策。就如同飛機(jī)駕駛操縱的計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，列車操縱運(yùn)行模擬系統(tǒng)等等。

概述§1.3系統(tǒng)仿真 通過對(duì)仿真模型運(yùn)行過程的觀察和統(tǒng)計(jì)，可收集有關(guān)被仿真系統(tǒng)的

應(yīng)用實(shí)例：列車操縱運(yùn)行模擬系統(tǒng) 應(yīng)用實(shí)例：列車操縱運(yùn)行模擬系統(tǒng)

所以，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的一種模仿活動(dòng),是用計(jì)算機(jī)的技術(shù)功能，從建立仿真模型的目的出發(fā)，通過計(jì)算機(jī)語(yǔ)言對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行一種抽象的、本質(zhì)的描述，這種描述與人們?yōu)橄到y(tǒng)建立模型緊密聯(lián)系在一起。系統(tǒng)、模型、仿真是計(jì)算機(jī)仿真的三個(gè)基本構(gòu)成。概述 所以，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真是對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的一種模仿活動(dòng),是用計(jì)算機(jī)（1）系統(tǒng)系統(tǒng)是指相互聯(lián)系又相互作用著的對(duì)象的有機(jī)組合。劃分為：工程系統(tǒng)和非工程系統(tǒng)。

非工程系統(tǒng)：指自然和社會(huì)在發(fā)展過程中形成的，被人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)勞動(dòng)和社會(huì)實(shí)踐中逐漸認(rèn)識(shí)的系統(tǒng)。例如社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、管理、交通、生物系統(tǒng)等屬于非工程系統(tǒng)。

工程系統(tǒng)：指人們?yōu)闈M足某種需要或?qū)崿F(xiàn)某個(gè)預(yù)定的功能，利用某種手段構(gòu)造而成的系統(tǒng)。工程系統(tǒng)的例子非常多，如機(jī)械、電氣，動(dòng)力、化工、武器系統(tǒng)等。

§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念（1）系統(tǒng)§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念系統(tǒng)的三個(gè)要素：

實(shí)體：指組成系統(tǒng)的具體對(duì)象。系統(tǒng)中的各個(gè)實(shí)體既具有一定的相對(duì)獨(dú)立性，又相互聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)整體。

屬性：指實(shí)體所具有的每一項(xiàng)有效特性。

活動(dòng)：指隨著時(shí)間的推移、在系統(tǒng)內(nèi)部由于各種原因而發(fā)生的變化過程?！?.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念系統(tǒng)的三個(gè)要素：§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念系統(tǒng)的特點(diǎn)：

系統(tǒng)是在不斷地運(yùn)動(dòng)、發(fā)展、變化的；(狀態(tài)變量）系統(tǒng)不是孤立存在的；（系統(tǒng)環(huán)境、系統(tǒng)邊界）系統(tǒng)在某些條件下是可以分解的。系統(tǒng)研究的主要方面：

系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合、系統(tǒng)預(yù)測(cè)等方面。研究系統(tǒng)首先需要描述清楚所研究系統(tǒng)的實(shí)體、屬性、活動(dòng)和環(huán)境。因?yàn)橄到y(tǒng)的概念不僅與實(shí)體有關(guān)。而且與研究者的目的有關(guān)，只有對(duì)實(shí)體、屬性、活動(dòng)、環(huán)境做了明確的描述之后，系統(tǒng)才是確定的。§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念系統(tǒng)的特點(diǎn)：§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念系統(tǒng)的實(shí)例分析：

§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念飛機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)工廠管理系統(tǒng)陀螺控制器機(jī)體給定航向?qū)嶋H航向管理部門用戶訂單原材料產(chǎn)品采購(gòu)部門制造部門裝配部門銷售部門系統(tǒng)的實(shí)例分析：§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念陀螺控制器機(jī)（2）模型定義：為了達(dá)到系統(tǒng)研究的目的，用于收集和描述系統(tǒng)有關(guān)信息的實(shí)體。。模型是對(duì)相應(yīng)的真實(shí)對(duì)象和真實(shí)關(guān)系中那些有用的和令人感興趣的特性的抽象，是對(duì)系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述，它以各種可用的形式提供被研究系統(tǒng)的信息。模型在所研究系統(tǒng)的某一側(cè)面具有與系統(tǒng)相似的數(shù)學(xué)描述或物理描述。從某種意義上說，模型是系統(tǒng)的代表，同時(shí)也是對(duì)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。另一方面，模型應(yīng)足夠詳細(xì)，以便從模型的實(shí)驗(yàn)中取得關(guān)于實(shí)際系統(tǒng)的有效結(jié)論。一般來說，系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)具有相似性、簡(jiǎn)單性、多面性等性質(zhì)。。§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念（2）模型§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念

一般來說，系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)具有相似性、簡(jiǎn)單性、多面性等性質(zhì)。例如：?！?.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念 一般來說，系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)具有相似性、簡(jiǎn)單性、多面性等性質(zhì)§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念--表2-1模型分類模型描述變量的軌跡模型形式變量范圍模型的時(shí)間集合連續(xù)離散空間連續(xù)變化模型偏微分方程√連續(xù)時(shí)間模型空間不連續(xù)變化模型常微分方程√差分方程√離散時(shí)間模型離散（變化）模型有限狀態(tài)機(jī)√馬爾可夫鏈√活動(dòng)掃描√連續(xù)時(shí)間模型事件調(diào)度√進(jìn)程交互√§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念--表2-1模型分類模型描述變（3）仿真給出一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之后，有時(shí)用分析手段就直接可以求解系統(tǒng)有關(guān)的信息，但是當(dāng)不能應(yīng)用分析法的時(shí)候，就需要應(yīng)用仿真方法求解。系統(tǒng)、模型、仿真三者之間的關(guān)系：系統(tǒng)是研究對(duì)象，模型是系統(tǒng)特性的描述，仿真則包含建立模型及對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)兩個(gè)過程?！?.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念（3）仿真§1.3.1系統(tǒng)仿真的常用概念1.根據(jù)模型的類型（物理屬性）分類系統(tǒng)仿真可以分成物理仿真、數(shù)學(xué)仿真和物理-數(shù)學(xué)仿真。

物理仿真：按照真實(shí)系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是：直觀、形象，也稱為“模擬”。物理仿真的缺點(diǎn)是：模型改變困難，實(shí)驗(yàn)限制多，投資較大。

數(shù)學(xué)仿真：而按照真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)關(guān)系構(gòu)造系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在數(shù)學(xué)模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；數(shù)學(xué)仿真的特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、方便。計(jì)算機(jī)為數(shù)學(xué)模型的建立與實(shí)驗(yàn)提供了較大的靈活性，目前數(shù)學(xué)仿真一般就是在計(jì)算機(jī)上建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此數(shù)學(xué)仿真通常也稱為計(jì)算機(jī)仿真。

§1.3.2仿真的分類1.根據(jù)模型的類型（物理屬性）分類§1.3.2仿真的分類

物理-數(shù)學(xué)仿真：把系統(tǒng)的一部分寫成數(shù)學(xué)模型，而另一部分則構(gòu)造其物理模型，然后將它們聯(lián)接成系統(tǒng)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也稱為半實(shí)物仿真。2.根據(jù)仿真中所用計(jì)算機(jī)的類型，計(jì)算機(jī)仿真又可以分為模擬仿真，數(shù)字仿真和混合仿真。

模擬(計(jì)算機(jī)）仿真是基于數(shù)學(xué)模型相似原理上的一種方法，仿真的主要工具是模擬計(jì)算機(jī)，模擬計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是一種通用的電氣裝置，這是50－60年代普遍采用仿真設(shè)備。將系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在模擬機(jī)上加以實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)稱為模擬機(jī)仿真。模擬仿真的特點(diǎn)是直觀、運(yùn)算速度快，但精度較差。（并行仿真）

數(shù)字（計(jì)算機(jī)）仿真基于數(shù)值計(jì)算原理，仿真的主要工具是數(shù)字計(jì)算機(jī)和仿真軟件。數(shù)字仿真自動(dòng)化程度高，具有復(fù)雜邏輯判斷的能力，而且可以獲得較高的精度。（串行仿真）

§1.3.2仿真的分類物理-數(shù)學(xué)仿真：把系統(tǒng)的一部分寫成數(shù)學(xué)模型，而另教學(xué)課件：《生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真》

混合仿真是將模擬仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合的一種方法，仿真的主要工具是混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?；旌戏抡婕?zhèn)淠M仿真和數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)，可以快速地進(jìn)行多次仿真研究，因此特別適用于參數(shù)尋優(yōu)，統(tǒng)計(jì)分析等方面的應(yīng)用，尤其是在復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真方面體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。3.根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系分類：實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致（在線仿真）（模型仿真速度和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行速度相同）亞實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘（離線仿真）超實(shí)時(shí)仿真：仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘§1.3.2仿真的分類 混合仿真是將模擬仿真和數(shù)字仿真相結(jié)合的一種方法，仿真的主要

4.根據(jù)仿真的研究對(duì)象，系統(tǒng)仿真可以分成：

CVDS(ContinuousVariableDynamicSystems)

連續(xù)（變量動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)。

DEDS(DiscreteEventDynamicSystems)

離散事件（動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)。

HDS(HybridDynamicSystems)

混合（動(dòng)態(tài)）系統(tǒng)。連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)的狀態(tài)隨時(shí)間連續(xù)變化的系統(tǒng)。這里要注意有些連續(xù)系統(tǒng)如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)是在離散時(shí)間點(diǎn)上獲得的，是非連續(xù)的，但其狀態(tài)本身則是連續(xù)變化的。連續(xù)系統(tǒng)的模型可以用一組連續(xù)的方程(常微分或偏微分）描述。集中參數(shù)系統(tǒng)模型:一般用常微分方程（組）描述。（如電路系統(tǒng)，機(jī)械動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)等）分布參數(shù)系統(tǒng)模型:一般用偏微分方程（組）描述。如各種物理和工程領(lǐng)域中的“場(chǎng)”的問題?！?.3.2仿真的分類4.根據(jù)仿真的研究對(duì)象，系統(tǒng)仿真可以分成：§1.

常用的連續(xù)系統(tǒng)的三種數(shù)學(xué)模型：微分方程模型、傳遞函數(shù)模型、狀態(tài)空間模型。連續(xù)系統(tǒng)系統(tǒng)（CVDS）實(shí)例§1.3.2仿真的分類 常用的連續(xù)系統(tǒng)的三種數(shù)學(xué)模型：微分方程模型、傳遞函數(shù)模型離散事件系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的狀態(tài)變化只在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生，且發(fā)生時(shí)刻往往是隨機(jī)的，系統(tǒng)的狀態(tài)變化是由隨機(jī)事件驅(qū)動(dòng)的。如交通管理、庫(kù)存控制、通信系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等。這類系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難用人們熟悉的數(shù)學(xué)方程形式加以描述，一般只能借助于流程圖或活動(dòng)圖。研究的主要目標(biāo)是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能，而不是行為的點(diǎn)軌跡?！?.3.2仿真的分類離散事件系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的狀態(tài)變化只在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生，且

離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類 離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類

離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類 離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類

離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類 離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類

離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類 離散事件系統(tǒng)實(shí)例§1.3.2仿真的分類

計(jì)算機(jī)仿真就是采用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)代的仿真系統(tǒng)主體(包括硬件和軟件)都離不開計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)仿真方法主要解決下述兩個(gè)問題：

1）提供計(jì)算機(jī)能夠接受的仿真模型；

2）提供在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算和進(jìn)行仿真研究的方法。

計(jì)算機(jī)仿真擺脫了物理模型的傳統(tǒng)概念，不同的數(shù)學(xué)模型可在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。而且由于可以對(duì)物理性質(zhì)截然不同的各種系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、靈活、可靠的研究，這就使現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)提高到了一個(gè)新的水平。

§1.3.3計(jì)算機(jī)仿真§1.3.3計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展是與計(jì)算機(jī)應(yīng)用和發(fā)展緊密聯(lián)系的。

計(jì)算機(jī)仿真的三要素及其關(guān)系：系統(tǒng)、模型、計(jì)算機(jī)。三個(gè)基本活動(dòng)。§1.3.3計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)模型計(jì)算機(jī)建立系統(tǒng)模型仿真試驗(yàn)建立仿真模型計(jì)算機(jī)仿真三要素及其關(guān)系計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展是與計(jì)算機(jī)應(yīng)用和發(fā)展緊密聯(lián)系的。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仿真的步驟：

1）調(diào)研系統(tǒng)，明確問題（確定模型的邊界)2）設(shè)立目標(biāo)，收集數(shù)據(jù)。(模型進(jìn)行形式化處理)3）建立仿真模型。(選擇合適的算法，算法的穩(wěn)定性、計(jì)算精度、計(jì)算速度)4）編制程序。（仿真模型用計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序來描述。程序中要包括仿真實(shí)驗(yàn)的要求、仿真運(yùn)行參數(shù)、控制參數(shù)、輸出要求）

5）運(yùn)行模型，計(jì)算結(jié)果。(程序調(diào)試，檢驗(yàn)所選仿真算法的合理、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的正確性（Verification）)6）統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)行決策。(對(duì)系統(tǒng)性能作出評(píng)價(jià)、模型可信性檢驗(yàn)（Validation）只有可信的模型才能作為仿真的基礎(chǔ))§1.3.4系統(tǒng)仿真的一般步驟系統(tǒng)仿真的步驟：§1.3.4系統(tǒng)仿真的一般步驟系統(tǒng)仿真的一般步驟——流程圖§1.3.4系統(tǒng)仿真的一般步驟系統(tǒng)仿真的一般步驟——流程圖§1.3.4系統(tǒng)仿真的一般步驟實(shí)例：機(jī)車運(yùn)行仿真系統(tǒng)流程圖

§1.3.4系統(tǒng)仿真的一般步驟待機(jī)狀態(tài)

初始化運(yùn)行環(huán)境

進(jìn)行通訊？與車載微機(jī)裝置聯(lián)掛聯(lián)掛成功否?設(shè)置仿真時(shí)鐘運(yùn)行完畢否？演示模擬運(yùn)行系統(tǒng)開始模擬操縱控制數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)傳送進(jìn)入安全推理區(qū)?x?是否到推理間隔？Y牽引計(jì)算預(yù)測(cè)距離計(jì)算安全推理置推理計(jì)數(shù)器為初始值Y運(yùn)行結(jié)束YNNNY實(shí)例：機(jī)車運(yùn)行仿真§1.3.4系統(tǒng)仿真的一般步驟待機(jī)狀態(tài)§1.4本課程的主要內(nèi)容

上篇生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的理論基礎(chǔ)知識(shí)

第1章緒論

1.1仿真技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

1.2計(jì)算機(jī)仿真在生產(chǎn)物流中的應(yīng)用

1.3系統(tǒng)仿真

第一章+連續(xù)系統(tǒng)的建模和仿真方法（參考書齊歡）第2章離散事件系統(tǒng)建模方法第3章離散事件系統(tǒng)仿真方法

第4章隨機(jī)數(shù)與隨機(jī)變量的生成（仿真的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)）

§1.4本課程的主要內(nèi)容 上篇生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真的理論基§1.4本課程的主要內(nèi)容下篇基于Witness系統(tǒng)建模與仿真的實(shí)例

第5章Witness仿真基礎(chǔ)第6章基于Witness的生產(chǎn)系統(tǒng)可視化建模與仿真第7章典型生產(chǎn)系統(tǒng)的Witness仿真應(yīng)用實(shí)例

7.1排隊(duì)系統(tǒng)（加工系統(tǒng)）

7.2庫(kù)存系統(tǒng)7.3供應(yīng)鏈系統(tǒng)7.4液體灌裝線仿真設(shè)計(jì)

7.5混合流水線系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)仿真思路：輸入數(shù)據(jù)的分析仿真的輸出分析

§1.4本課程的主要內(nèi)容下篇基于Witnes第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法微分方程描述——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述設(shè)微分算子：則：又設(shè)：則：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法微分方程描述——一、連續(xù)系統(tǒng)第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法微分方程建模方法：1）按照變化規(guī)律直接列方程2）模擬近似法微分方程建模：1）翻譯和轉(zhuǎn)化2）建立瞬時(shí)表達(dá)式3）配備物理單位4）確定條件（初始化邊界條件）一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法微分方程建模方法：一、連續(xù)系第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法傳遞函數(shù)描述——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述（續(xù)1）對(duì)上式兩邊取LaplaceTransformation，則：設(shè)：則：上式中的復(fù)數(shù)域變量s與微分算子p是等價(jià)的。第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法傳遞函數(shù)描述——一、連續(xù)系第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法權(quán)函數(shù)（脈沖響應(yīng)函數(shù)）描述——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述（續(xù)2）零初始條件下，系統(tǒng)對(duì)理論脈沖函數(shù)輸入的響應(yīng)稱之為權(quán)函數(shù)，或脈沖響應(yīng)函數(shù)。這里脈沖函數(shù)滿足：對(duì)于任意函數(shù)作用的系統(tǒng)響應(yīng)，可用卷積描述為：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法權(quán)函數(shù)（脈沖響應(yīng)函數(shù)）描述第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法狀態(tài)空間描述——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述（續(xù)3）微分方程、傳遞函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)描述的均是系統(tǒng)的外部特性，它們只確定了輸入與輸出之間的關(guān)系，故稱之為外部模型。為了能夠描述系統(tǒng)內(nèi)部特性，需要引進(jìn)系統(tǒng)的內(nèi)部變量——狀態(tài)變量。第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法狀態(tài)空間描述——一、連續(xù)系第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法狀態(tài)空間描述——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述（續(xù)4）其中，系數(shù)矩陣：狀態(tài)空間描述的是系統(tǒng)的內(nèi)部模型，它所對(duì)應(yīng)的外部模型為：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法狀態(tài)空間描述——一、連續(xù)系第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法外部模型到內(nèi)部模型的變換——實(shí)現(xiàn)問題——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述（續(xù)5）假設(shè)有一個(gè)連續(xù)系統(tǒng)，它的微分方程模型為：引進(jìn)n個(gè)狀態(tài)變量：則有：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法外部模型到內(nèi)部模型的變換—第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法外部模型到內(nèi)部模型的變換——實(shí)現(xiàn)問題——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述（續(xù)6）將上述n個(gè)一階微分方程寫成矩陣形式可得：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法外部模型到內(nèi)部模型的變換—第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法外部模型到內(nèi)部模型的變換——實(shí)現(xiàn)問題——一、連續(xù)系統(tǒng)模型描述（續(xù)7）將上述數(shù)學(xué)模型表示為模擬機(jī)上進(jìn)行仿真的仿真模型，則可表示為：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法外部模型到內(nèi)部模型的變換—第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法例1：設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單電路系統(tǒng)如圖示，試建立該物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。二、連續(xù)系統(tǒng)建模應(yīng)用實(shí)例解：微分方程形式：根據(jù)電路的克希霍夫電流定律知

傳遞函數(shù)形式：以電流電壓作為輸入輸出變量

狀態(tài)空間形式：電容器積累的電荷量q作為狀態(tài)變量

脈沖響應(yīng)函數(shù)形式：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法例1：設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單電路系統(tǒng)如第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法例2：有一質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)如圖示，試建立該機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。二、連續(xù)系統(tǒng)建模應(yīng)用實(shí)例（續(xù)1）解：微分方程形式：

傳遞函數(shù)形式：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法例2：有一質(zhì)量-彈簧-阻尼第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法二、連續(xù)系統(tǒng)建模應(yīng)用實(shí)例（續(xù)2）解：微分方程形式：

狀態(tài)空間形式：設(shè)第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法二、連續(xù)系統(tǒng)建模應(yīng)用實(shí)例（第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法二、連續(xù)系統(tǒng)建模應(yīng)用實(shí)例（續(xù)3）解：仿真模型：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法二、連續(xù)系統(tǒng)建模應(yīng)用實(shí)例（第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法假定系統(tǒng)的輸入、輸出變量和狀態(tài)變量均為離散時(shí)間序列，其四種模型為三、連續(xù)系統(tǒng)的離散時(shí)間模型

若系統(tǒng)的初始條件為零，即差分方程——Z域傳遞函數(shù)——Ztransformation脈沖響應(yīng)函數(shù)——第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法假定系統(tǒng)的輸入、輸出變量和第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法三、連續(xù)系統(tǒng)的離散時(shí)間模型（續(xù)1）狀態(tài)空間描述——依據(jù)上述的系數(shù)矩陣可以唯一的確定z域傳遞函數(shù)：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法三、連續(xù)系統(tǒng)的離散時(shí)間模型第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法從數(shù)字仿真的建模方法學(xué)角度來看，雖然采樣控制系統(tǒng)有它自身的特點(diǎn)，但與連續(xù)系統(tǒng)沒有本質(zhì)的區(qū)別，因而一般將其歸類為連續(xù)系統(tǒng)仿真。四、連續(xù)系統(tǒng)的采樣控制模型r(t)+－y(t)A/D采樣器數(shù)字控制器D/A（信號(hào)重構(gòu)器）被控對(duì)象（1）采樣開關(guān)或模數(shù)轉(zhuǎn)換器（3）離散的數(shù)字控制器（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換器或信號(hào)重構(gòu)器（4）連續(xù)的被控對(duì)象或被控過程TR(s)+－Y(s)TU*(s)E(s)E*(s)U(z)U(s)D(z)H(s)G(s)第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法從數(shù)字仿真的建模方法學(xué)角度第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法與離散相似法所得到的系統(tǒng)進(jìn)行比較，兩者結(jié)構(gòu)相近：被控對(duì)象連續(xù)，系統(tǒng)中均有采樣器和保持器，離散相似法可以很方便地用于采樣控制系統(tǒng)的仿真。四、連續(xù)系統(tǒng)的采樣控制模型采樣系統(tǒng)仿真特點(diǎn)

連續(xù)系統(tǒng)仿真所用的虛擬采樣間隔對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說一般是相同的，且是同步的。采樣控制系統(tǒng)采樣周期、采樣器所處位置及保持器的類型則是實(shí)際存在的。連續(xù)部分離散化模型中的仿真步距與實(shí)際采樣周期可能相同，也可能不同。對(duì)于給定的采樣控制系統(tǒng)，首先必須解決的是：如何來確定仿真步距？實(shí)際系統(tǒng)分為離散和連續(xù)兩部分，如何處理在不同采樣間隔下的差分模型？采樣系統(tǒng)仿真的研究方法離散化第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法與離散相似法所得到的系統(tǒng)進(jìn)第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法與連續(xù)系統(tǒng)仿真完全相同。條件：采樣周期比較小，系統(tǒng)的階次比較低。四、連續(xù)系統(tǒng)的采樣控制模型采樣系統(tǒng)仿真的采樣周期與仿真步距記為采樣周期，T為仿真步距仿真步距的選擇有三種情況：（1）采樣周期與仿真步距T相等；（2）仿真步距T小于采樣周期；（3）改變數(shù)字控制器的采樣間隔。

實(shí)例：采樣周期與仿真步距T相等TV(s)+-Y(s)TU*(s)E(s)E*(s)U(z)U(s)D(z)圖4.2采樣控制系統(tǒng)方塊圖H(s)G(s)TsTsTsTs第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法與連續(xù)系統(tǒng)仿真完全相同。條第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法模型ZH(s)G(s)=G(z)?；颍核?、連續(xù)系統(tǒng)的采樣控制模型實(shí)例：采樣周期與仿真步距T相等連續(xù)部分離散化：虛擬采樣開關(guān)及信號(hào)重構(gòu)器的數(shù)目應(yīng)盡量少：在連續(xù)部分入口加采樣器和信號(hào)重構(gòu)器，連續(xù)部分H(s)G(s)內(nèi)部不再增加虛擬采樣開關(guān)和信號(hào)重構(gòu)器。

TsR(s)+-X(z)圖4.3T=Ts時(shí)仿真模型R(z)D(z)G(z)z-1U(z)T=Ts特別是當(dāng)為零階信號(hào)重構(gòu)器時(shí)，可得：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法模型ZH(s)G(s)第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法五、離散相似原理被仿真系統(tǒng)數(shù)值及時(shí)間上的連續(xù)性——在數(shù)值及時(shí)間上離散的計(jì)算機(jī)仿真本質(zhì)上講，原連續(xù)系統(tǒng)的仿真就是從時(shí)間、數(shù)值兩個(gè)方面對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行離散，并選擇合適的數(shù)值計(jì)算方法來近似積分運(yùn)算。

離散模型≈原連續(xù)模型？相似原理：設(shè)系統(tǒng)模型為：，其中u(t)為輸入變量，y(t)為系統(tǒng)變量；令仿真時(shí)間間隔為T，離散化后的輸入變量為系統(tǒng)變量為，其中表示t=nh。

，，如果即（對(duì)所有n=0,1,2,…），則可認(rèn)為兩模型等價(jià)。

第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法五、離散相似原理被仿真系統(tǒng)第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法五、離散相似原理（續(xù)1）原連續(xù)模型仿真模型u(t)hy(t)-+對(duì)仿真建模方法三個(gè)基本要求：（1）穩(wěn)定性：不改變?cè)到y(tǒng)的穩(wěn)定性若原連續(xù)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，則離散化后得到的仿真模型也應(yīng)是穩(wěn)定的。若原連續(xù)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，則離散化后得到的仿真模型也應(yīng)是不穩(wěn)定的。（2）準(zhǔn)確性：有不同的準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，最基本的準(zhǔn)則是：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法五、離散相似原理（續(xù)1）原第一章+

連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法五、離散相似原理（續(xù)2）（3）快速性：若第n步計(jì)算對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)間間隔為計(jì)算機(jī)由計(jì)算

需要的時(shí)間為Tn，若Tn=hn

稱為實(shí)時(shí)仿真；Tnhn稱為超實(shí)時(shí)仿真；

Tnhn

稱為亞實(shí)時(shí)仿真，對(duì)應(yīng)于離線仿真

絕對(duì)誤差準(zhǔn)則：相對(duì)誤差準(zhǔn)則：第一章+連續(xù)系統(tǒng)建模仿真方法五、離散相似原理（續(xù)2）（由初始點(diǎn)的，對(duì)上式兩邊積分：第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法在連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真中，主要的數(shù)值計(jì)算工作是對(duì)一階微分方程（或狀態(tài)方程）求解?，F(xiàn)假設(shè)一階微分方程及初值為：一、數(shù)值積分法的基本原理由初始點(diǎn)的第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法計(jì)算步距或仿真步長(zhǎng)：一、數(shù)值積分法的基本原理（續(xù)1）數(shù)值積分法的基本原理：通過對(duì)具有初始值問題的微分方程離散化，將連續(xù)變量問題轉(zhuǎn)化為離散變量問題，而后根據(jù)已知的初始條件，逐步遞推求出以后各個(gè)時(shí)刻的數(shù)值。依據(jù)數(shù)值積分原理，通常的數(shù)值積分為三類：

單步法；多步法；預(yù)報(bào)－校正法第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法計(jì)算步距或仿真步長(zhǎng)：一、第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法一、數(shù)值積分法的基本原理（續(xù)1）歐拉法

t1

時(shí)刻對(duì)任意tn+1時(shí)刻截?cái)嗾`差正比于是隱函數(shù)形式。預(yù)報(bào)－—?dú)W拉法估計(jì)初值，校正－—用梯形法校正：

梯形法:

預(yù)報(bào)公式

校正公式反復(fù)迭代，直到滿足。第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法一、數(shù)值積分法的基本原理第一章+

連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法為求解式中的Qn，假設(shè)在積分區(qū)間足夠小的情況下，用矩形面積近似代替：二、歐拉法（Euler法）和改進(jìn)的歐拉法則有：由此可知?dú)W拉公式：上述數(shù)值積分的歐拉法，計(jì)算簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，但是其精度較低，在仿真精度要求高的場(chǎng)合很少采用。而且Qn是原積分函數(shù)的近似截?cái)啵浣財(cái)嗾`差正比于步長(zhǎng)h

的平方。第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法為求解式第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法截?cái)嗾`差分析：設(shè)微分方程在tn時(shí)的精確解析解為yn，則有泰勒級(jí)數(shù)展開式可求得tn+1處的精確解，即：二、歐拉法（Euler法）和改進(jìn)的歐拉法（續(xù)1）第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法截?cái)嗾`差分析：二、歐拉法第一章+

連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法改進(jìn)的歐拉法：矩形→梯形二、歐拉法（Euler法）和改進(jìn)的歐拉法（續(xù)2）矩形：梯形：梯形公式：梯形公式是隱函數(shù)形式。需要借助其他算法預(yù)先計(jì)算fn+1的值。通常采用歐拉法求出yn+1，計(jì)算出fn+1，最后利用梯形公式計(jì)算修正后的yn+1第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法改進(jìn)的歐拉法：矩形→梯第一章+

連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法改進(jìn)的歐拉法：矩形→梯形二、歐拉法（Euler法）和改進(jìn)的歐拉法（續(xù)3）上述計(jì)算過程即稱之為改進(jìn)歐拉法，也稱之為預(yù)報(bào)－校正法。改進(jìn)歐拉法與歐拉法和梯形公式相比，是一種多步法，其計(jì)算量比歐拉法多一倍，但是精度比歐拉法高。預(yù)報(bào)公式:

校正公式:

反復(fù)迭代直至滿足:

第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法改進(jìn)的歐拉法：矩形→梯第一章+

連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Runge-Kutta）法根據(jù)經(jīng)典數(shù)值積分原理：在t0附近展開為泰勒級(jí)數(shù)，則有假設(shè)將上式改寫為如下的形式龍格－庫(kù)塔法是連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真中最常用的數(shù)值積分算法，它分為顯式、隱式和半隱式方法。

第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Run第一章+

連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Runge-Kutta）法（續(xù)1）則有對(duì)K2的右端函數(shù)運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)展開，可得

假設(shè)a1=a2，則第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Run第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Runge-Kutta）法（續(xù)2）由此可得計(jì)算公式：

將其改寫為一般的遞推形式，則有該數(shù)值計(jì)算公式的截?cái)嗾`差正比于步長(zhǎng)的立方，稱之為二階龍格－庫(kù)塔法；同理可知，截?cái)嗾`差為步長(zhǎng)四次方的計(jì)算公式，稱之為為三階的龍格－庫(kù)塔法；截?cái)嗾`差正比于步長(zhǎng)5次方的計(jì)算公式稱之為四階的龍格－庫(kù)塔法。第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Rung第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Runge-Kutta）法（續(xù)3）

四階的龍格－庫(kù)塔法：

第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Rung第一章+

連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Runge-Kutta）法（續(xù)4）

實(shí)時(shí)仿真：要求仿真模型的執(zhí)行速度與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度保持一致。但是一般的數(shù)值積分法難以滿足實(shí)時(shí)仿真的要求，這不僅僅是因?yàn)橛蛇@些方法所得到的模型的執(zhí)行速度較慢，而且這些方法的機(jī)理不符合實(shí)時(shí)仿真的特點(diǎn)。

分析RK-2公式：

第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Run第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Runge-Kutta）法（續(xù)4）

實(shí)時(shí)2階龍格－庫(kù)塔法：

第一章+連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字仿真的基本算法三、龍格－庫(kù)塔（Rung1.連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真從本質(zhì)上講，就是要找出一個(gè)與本系統(tǒng)等價(jià)的離散模型(即離散相似原理）。2.采樣控制系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的離散化模型形式相同，但后者是一種近似模型，在建模的過程中人為的加入了采樣開關(guān)和保持器，其采樣周期是根據(jù)需要人為設(shè)定的，建立的離散模型只是近似描述原來系統(tǒng)。采樣控制系統(tǒng)是一精確模型。2.離散系統(tǒng)的仿真，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)那些由隨機(jī)系統(tǒng)定義的，用數(shù)值方式或邏輯方式描述的動(dòng)態(tài)模型的處理過程。

§第一章+

本章總結(jié)1.連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字仿真從本質(zhì)上講，就是要找出一個(gè)與本系統(tǒng)等價(jià)生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真

生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真理論基礎(chǔ)知識(shí)第2章離散事件系統(tǒng)建模方法主要內(nèi)容2.1離散事件系統(tǒng)模型2.2離散事件系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述2.3實(shí)體流圖法2.4

活動(dòng)周期圖法（ACD法）2.5Petri網(wǎng)法2.6系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真理論基礎(chǔ)知識(shí)第2章離散事件系統(tǒng)建模

2.1離散事件系統(tǒng)模型離散事件系統(tǒng)（discreteeventsystem）是指其活動(dòng)和狀態(tài)變化僅在離散時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生的一類系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的狀態(tài)僅與離散的時(shí)間點(diǎn)相關(guān)，當(dāng)離散的時(shí)間點(diǎn)上有事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)才發(fā)生變化。如交通運(yùn)輸、庫(kù)存控制、加工系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等，這類系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性很難用人們熟悉的數(shù)學(xué)方程形式加以描述，一般只能借助于流程圖或活動(dòng)圖加以描述。離散系統(tǒng)研究的主要目標(biāo)是系統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)性能，而不是行為的點(diǎn)軌跡。如果離散事件系統(tǒng)的活動(dòng)和狀態(tài)發(fā)生頻繁的變化，就稱其為離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（DiscreteEventDynamicSystems)，簡(jiǎn)寫為DEDS。

第2章離散事件系統(tǒng)建模方法2.1離散事件系統(tǒng)模型離散事件系統(tǒng)（discretee(1)事件

事件是引起系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化的行為。從某種意義上說，離散事件系統(tǒng)就是由事件來驅(qū)動(dòng)的。在一個(gè)系統(tǒng)中往往存在多類事件，事件的發(fā)生一般與某一類實(shí)體相聯(lián)系，而且還可能引起別的事件發(fā)生，或者是另一類事件發(fā)生的條件。事件一般分為兩類：必然事件和條件事件。只與時(shí)間有關(guān)的事件稱為必然事件。如果事件發(fā)生不僅與時(shí)間因素有關(guān)，而且還與其他條件有關(guān)，則稱為條件事件。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（2）實(shí)體或設(shè)備實(shí)體是仿真系統(tǒng)中定義的物理對(duì)象。

根據(jù)實(shí)體在系統(tǒng)中的性質(zhì)和作用，可將其分為兩大類臨時(shí)實(shí)體，它在系統(tǒng)中只存在一段時(shí)間，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)待處理信息、生產(chǎn)線上待加工的零件、醫(yī)院或超市中排隊(duì)等待的顧客等。

持久實(shí)體，它在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（相對(duì)于企業(yè)的一個(gè)經(jīng)營(yíng)過程而言）保留在系統(tǒng)中，是系統(tǒng)處于活動(dòng)的必要條件，如自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV）、緩沖站、倉(cāng)庫(kù)、機(jī)床、貨物、營(yíng)業(yè)員、醫(yī)生等。臨時(shí)實(shí)體按一定的規(guī)律到達(dá)系統(tǒng)，在持久實(shí)體的作用下通過系統(tǒng)，最后離開系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)性。目前，通用方法是將實(shí)體和設(shè)備通稱為“實(shí)體”，但前者稱為“臨時(shí)實(shí)體”，后者設(shè)備稱為“持久實(shí)體”。臨時(shí)實(shí)體持久實(shí)體

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素臨時(shí)實(shí)體持久實(shí)體2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（3）活動(dòng)離散事件系統(tǒng)中的活動(dòng)，通常用于表示兩個(gè)可以區(qū)分的事件之間的過程，它標(biāo)志著系統(tǒng)狀態(tài)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)移。通常，一項(xiàng)活動(dòng)因?yàn)槟硞€(gè)事件而開始，而活動(dòng)結(jié)束時(shí)又產(chǎn)生另一個(gè)事件。如在排隊(duì)系統(tǒng)中，顧客的到達(dá)事件與該顧客開始接受服務(wù)事件之間可稱為一個(gè)活動(dòng)，該活動(dòng)使系統(tǒng)的狀態(tài)（隊(duì)長(zhǎng)）發(fā)生了變化。（4）進(jìn)程

進(jìn)程由若干個(gè)有序事件及若干個(gè)有序活動(dòng)組成,它描述了所包含的事件及活動(dòng)間的相互邏輯關(guān)系及時(shí)序關(guān)系。例如，一份訂單下達(dá)，經(jīng)過原材料準(zhǔn)備，多道工序生產(chǎn)，直到生產(chǎn)出最終產(chǎn)品并交到用戶手中的過程。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（3）活動(dòng)2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素事件、活動(dòng)、進(jìn)程三者之間的關(guān)系可用圖3.1來描述：

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素事件、活動(dòng)、進(jìn)程三者之間的關(guān)系可用圖3.1來描述：2.1.（5）仿真鐘仿真鐘用于表示仿真時(shí)間的變化。在離散事件系統(tǒng)中，由于事件發(fā)生時(shí)間的隨機(jī)性，仿真鐘的推進(jìn)步長(zhǎng)是隨機(jī)的，而且可以跨越?jīng)]有事件發(fā)生的“不活動(dòng)”區(qū)域，從一個(gè)事件發(fā)生時(shí)刻推進(jìn)到下一事件發(fā)生時(shí)刻，仿真鐘的推進(jìn)呈現(xiàn)跳躍性，推進(jìn)速度具有隨機(jī)性。因此，仿真鐘一般是仿真的主要自變量，仿真鐘的推進(jìn)是系統(tǒng)仿真的核心部分。仿真鐘所顯示的是系統(tǒng)仿真的時(shí)間，不是計(jì)算機(jī)運(yùn)行模型的時(shí)間。仿真時(shí)間與真實(shí)時(shí)間成比例關(guān)系。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（5）仿真鐘2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（6）規(guī)則（rule）描述實(shí)體之間、實(shí)體與仿真時(shí)鐘之間相互影響的規(guī)則。例如超市服務(wù)系統(tǒng)中，顧客這類實(shí)體與服務(wù)員這類實(shí)體之間，顧客是主動(dòng)實(shí)體，服務(wù)員是被動(dòng)實(shí)體，服務(wù)員的狀態(tài)受顧客的影響（作用），作用的規(guī)則是：如果服務(wù)員狀態(tài)為閑，顧客到達(dá)收款臺(tái)則改變當(dāng)前狀態(tài)，使其由閑轉(zhuǎn)為忙，如果服務(wù)員忙，則不對(duì)服務(wù)員起作用，而作用到自身——顧客進(jìn)入排隊(duì)狀態(tài)。實(shí)際上，主動(dòng)實(shí)體與被動(dòng)實(shí)體之間產(chǎn)生作用，而主動(dòng)實(shí)體與主動(dòng)實(shí)體、被動(dòng)實(shí)體與被動(dòng)實(shí)體之間也可能產(chǎn)生作用。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（6）規(guī)則（rule）2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（7）隨機(jī)變量復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)常包含有隨機(jī)因素，在物流系統(tǒng)中工件的到達(dá)、運(yùn)輸車輛的到達(dá)和運(yùn)輸事件等都是隨機(jī)的。這些復(fù)雜的隨機(jī)系統(tǒng)很難找到與其相應(yīng)的解析式來描述和求解，系統(tǒng)仿真技術(shù)成了解決這類問題的有效辦法。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（7）隨機(jī)變量2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（7）隨機(jī)變量對(duì)有隨機(jī)因素影響的系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，首先要建立隨機(jī)變量模型，即確定系統(tǒng)的隨機(jī)變量并確定這些隨機(jī)變量的分布類型和函數(shù)。對(duì)于分布類型是已知或者是可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的隨機(jī)變量，只要確定他們的參數(shù)就可以了。無論是確定隨機(jī)變量的分布類型還是確定其參數(shù)，都要以調(diào)研觀測(cè)的數(shù)據(jù)為依據(jù)。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（7）隨機(jī)變量2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（8）屬性屬性即為給定實(shí)體的特性（如一個(gè)等待中的顧客的優(yōu)先級(jí)，作業(yè)通過加工車間的路徑等）。一般是實(shí)體所擁有的全部特性的子集，用特征參數(shù)或變量表示。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（8）屬性2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（9）統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器

離散系統(tǒng)的狀態(tài)隨事件的不斷發(fā)生也呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化過程，但仿真的目的主要是要得到這些狀態(tài)是如何變化的。由于這種變化是隨機(jī)的，某一次仿真運(yùn)行得到的狀態(tài)變化過程只是隨機(jī)過程的一次取樣，如果進(jìn)行另一次獨(dú)立的仿真運(yùn)行所得到的狀態(tài)變化過程可能完全是另一種情況。它們只有在統(tǒng)計(jì)意義下才有參考價(jià)值。 在仿真模型中,需要有一個(gè)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)部件,以便統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)中的有關(guān)變量。

2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素（9）統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器2.1.1離散事件系統(tǒng)的基本要素采用了事件時(shí)間推進(jìn)法的大多數(shù)離散事件仿真模型，一般具有以下部件：統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器。用于控制與存儲(chǔ)關(guān)于仿真過程中的結(jié)果的統(tǒng)計(jì)信息，在計(jì)算機(jī)仿真中經(jīng)常設(shè)計(jì)一些工作單元來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)中的計(jì)數(shù)用，這些工作單元就叫做統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器。定時(shí)子程序。該程序根據(jù)時(shí)間表來確定下一事件，并將仿真時(shí)鐘推移到下一事件的發(fā)生時(shí)間。

2.1.2離散事件仿真模型的部件與結(jié)構(gòu)采用了事件時(shí)間推進(jìn)法的大多數(shù)離散事件仿真模型，一般具有以下部采用了事件時(shí)間推進(jìn)法的大多數(shù)離散事件仿真模型，一般具有以下部件：系統(tǒng)狀態(tài)。它由一組系統(tǒng)狀態(tài)變量構(gòu)成，用它來描述系統(tǒng)在不同時(shí)刻的狀態(tài)。仿真時(shí)鐘。用來提供仿真時(shí)間的當(dāng)前時(shí)刻的變量，它描述了系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)間變化。事件表。在仿真系統(tǒng)中按時(shí)間順序所發(fā)生的事件類型和時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系的一張表。

2.1.2離散事件仿真模型的部件與結(jié)構(gòu)采用了事件時(shí)間推進(jìn)法的大多數(shù)離散事件仿真模型，一般具有以下部采用了事件時(shí)間推進(jìn)法的大多數(shù)離散事件仿真模型，一般具有以下部件：初始化子程序。在仿真開始時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作。事件子程序。一個(gè)事件子程序?qū)?yīng)一種類型的事件，它在相應(yīng)的事件發(fā)生時(shí)，就轉(zhuǎn)入該事件的處理子程序，并更新系統(tǒng)狀態(tài)。仿真報(bào)告子程序。在仿真結(jié)束后，用來計(jì)算和打印仿真結(jié)果。主程序。調(diào)用定時(shí)子程序，控制整個(gè)系統(tǒng)的仿真過程，并確定下一事件，傳遞控制給各事件子程序以更新系統(tǒng)狀態(tài)。

2.1.2離散事件仿真模型的部件與結(jié)構(gòu)采用了事件時(shí)間推進(jìn)法的大多數(shù)離散事件仿真模型，一般具有以下部離散事件系統(tǒng)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)圖如圖所示離散事件系統(tǒng)仿真模型的總體結(jié)構(gòu)圖如圖所示在這個(gè)過程中有三類典型的活動(dòng)發(fā)生：修改系統(tǒng)狀態(tài)以記下第i類事件已經(jīng)發(fā)生過這一事實(shí)；修改統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)器以收集系統(tǒng)性能的信息；生成將來事件發(fā)生的時(shí)間并將該信息加到事件表中。????

2.1.2離散事件仿真模型的部件與結(jié)構(gòu)在這個(gè)過程中有三類典型的活動(dòng)發(fā)生：2.1.2離散事件2.2離散事件系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（建模方法概述）1.離散事件系統(tǒng)建模存在的困難：發(fā)生時(shí)刻離散。系統(tǒng)的性能指標(biāo)具有一定離散的特性（顧客服務(wù)時(shí)間等）系統(tǒng)中普遍存在一些隨機(jī)特性。復(fù)雜離散系統(tǒng)通常具有分層和遞階特征。存在“狀態(tài)爆炸”和計(jì)算可行性問題。2.2離散事件系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（建模方法概述）1.離散事件系統(tǒng)2.2離散事件系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（建模方法概述）2.離散事件系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述

離散事件系統(tǒng)仿真模型是一個(gè)數(shù)集，它用以表示系統(tǒng)的狀態(tài)。模型難以采用某種規(guī)范的形式，而一般采用流程圖或網(wǎng)絡(luò)圖的形式才能準(zhǔn)確地定義實(shí)體在系統(tǒng)中的活動(dòng)。3.離散事件系統(tǒng)研究方法（主要工具）差分方程，Z域傳遞函數(shù)法（連續(xù)事件的時(shí)間離散模型）實(shí)體流圖，活動(dòng)循環(huán)圖，Petri網(wǎng)法排隊(duì)論，庫(kù)存模型（數(shù)學(xué)規(guī)劃）

形式語(yǔ)言/有限狀態(tài)機(jī)、Markov、動(dòng)力學(xué)分析方法、極大極小代數(shù)法等等2.2離散事件系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（建模方法概述）2.離散事件系統(tǒng)2.2離散事件系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（建模方法）這里主要介紹：實(shí)體流圖法活動(dòng)周期法Petri網(wǎng)法系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法2.2離散事件系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述（建模方法）這里主要介紹：實(shí)體流2.3實(shí)體流圖法實(shí)體流圖法采用與計(jì)算機(jī)程序流圖類似的圖示符號(hào)和原理，簡(jiǎn)單表示臨時(shí)實(shí)體產(chǎn)生、在系統(tǒng)中流動(dòng)、接受永久實(shí)體“服務(wù)”以及消失等過程的流程圖。借助實(shí)體流程圖，可以表示事件、狀態(tài)變化及實(shí)體間相互作用的邏輯關(guān)系。2.3實(shí)體流圖法實(shí)體流圖法采用與計(jì)算機(jī)程序流圖類似的圖示符2.3實(shí)體流圖法建立實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)體流圖，一是要對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的工作有深刻的理解和認(rèn)識(shí)，二是將事件、狀態(tài)變化、活動(dòng)和隊(duì)列等概念貫穿于建模過程中。常用的圖示符號(hào)有菱形框（表示判斷）、矩形框（表事件、狀態(tài)、活動(dòng)等中間過程）、圓端矩形框（表示開始和結(jié)束）及箭頭線（表示邏輯關(guān)系）等。2.3實(shí)體流圖法建立實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)體流圖，一是要對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的建模步驟可按如下思路進(jìn)行：（1）明確實(shí)體及其各自的屬性。（2）分析各實(shí)體的狀態(tài)和活動(dòng)，及其相互間的影響。（3）考察能夠?qū)е逻@種活動(dòng)開始或結(jié)束的事件（標(biāo)志），并合并條件事件。（2）分析各事件引起的事件變化，引起系統(tǒng)狀態(tài)的變化。（5）分析一些特殊操作，如排隊(duì)系統(tǒng)中的換隊(duì)。（6）通過分析，以臨時(shí)實(shí)體的流動(dòng)為主線，用約定的符

號(hào)畫出被仿真系統(tǒng)的實(shí)體流程圖。（7）確定模型參數(shù)的取值，以及參變量的計(jì)算方法、屬

性描述變量的取值方法。屬性描述變量是隨機(jī)變量

時(shí)，應(yīng)給出其分布函數(shù)。（8）給出隊(duì)列的排隊(duì)規(guī)則。建模步驟可按如下思路進(jìn)行：需要說明的是：實(shí)體流圖是為描述實(shí)體流動(dòng)和