制造系统建模与仿真在工业工程中的应用 摘要：建模与仿真技术是21世纪信息技术和制造技术结合的桥梁，是使企业产生最大经济效益的核心技术，也是21世纪制造业的一项关键支撑技术。本文阐述了仿真技术在制造业的地位和作用，总结建模与仿真技术的特点，给出了制造业建模与仿真技术的方展方向。 关键词：制造系统建模仿真 仿真应用系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废(全生命周期)活动的一门多学科的综合性技术 1制造业建模与仿真技术的地位 制造业是国民经济和社会发展的物质基础，是国家综合国力的重要体现；21世纪的制造业仍然是国家经济和国防建设的命脉，也是国家经济实现快速增长的重要因素。制造业是所有与制造有关的企业机构的总体，是国民经济的支柱产业，它一方面创造价值，生产物质财富和新的知识，另一方面为国民经济各个部门包括国防和科学技术的进步与发展提供先进的手段和装备。现代制造的基本特点是大制造和全过程。“大制造”应包括光机电产品的制造、工业流程制造、材料制备等，它是一种广义制造概念。“全过程”，不仅包括从毛坯到成品的加工制造过程，还包括产品的市场信息分析，产品决策，产品的设计、加工和制造过程，产品的销售和售后服务，报废产品的处理和回收，以至产品的全寿命过程的设计、制造和管理。由于国内外市场竞争的加剧，科学技术发展迅速，产品更新换代速度加快及人们对产品多样化的需求增加，先后出现了柔性制造，计算机集成制造、并行工程、虚拟制造、敏捷制造、网络化制造、现代集成制造、下一代制造、综合制造等新的先进制造理念和哲理。但是，从整体来看，制造业的发展离不开先进的信息与知识技术、全面的建模与仿真技术、精密的工艺与装备技术和高效的企业集成技术共四大关键技术。建模与仿真作为一种重要手段，通常可以渗透到先进制造当中去，并帮助先进制造实现集成，从而促进一些先进制造技术的发展。建模与仿真（M＆S）技术在改进产品和过程，缩短市场响应时间，以及降低产品实现的成本方面，具有其它技术 无法比拟的重要作用。 2制造业建模与仿真技术的作用 当今的制造系统是集现代机械制造、计算机科学和管理工程于一体的综合应用，由于它技术复杂、投资巨大，采用建造实体系统进行研究显然是不合理的。
系统建模方法 2、1系统抽象与数学描述 2、1、1 实际系统的抽象 本质上讲,系统数学模型就是从系统概念出发的关于现实世界的一小部分或几个方面的抽象的“映像”。 为此,系统数学模型的建立需要建立如下抽象:输入、输出、状态变量及其间的函数关系。这种抽象过程称为模型构造。抽象中,必须联系真实系统与建模目标,其中描述变量起着很重要的作用,它可观测,或不可观测。 从外部对系统施加影响或干扰的可观测变量称为输入变量。 系统对输入变量的响应结果称为输出变量。 输入、输出变量对的集合,表征着真实系统的“输入-输出”性状(关系)。 综上述,真实系统可视为产生一定性状数据的信息源,而模型则就是产生与真实系统相同性状数据的一些规则、指令的集合,抽象在其中则起着媒介作用。系统数学建模就就是将真实系统抽象成相应的数学表达式(一些规则、指令的集合)。
2、1、2 系统模型的一般描述及描述级(水平) 2、1、2、1 系统模型的一般描述: 一个系统的数学模型可以用如下七元组集合来描述: (可观测) 输出变量 (可观测) 输入变量 黑箱 灰箱 白箱 ω(t t ) ω(t )、ρ(t )---输入输出变量对 真实系统建模的抽象过程
2、1、2、2 系统模型描述级(水平): 按照系统论的观点,实际系统可在某种级(水平)上被分解,因此系统的数学模型可以有不同的描述级(水平): ⑴ 性状描述级 性状描述级或称为行为描述级(行为水平)。在此级上描述系统就是将系统堪称黑箱,并施加输入信号,同时测得输出响应,结果就是得出一个输入-输出对:(ω,ρ) 及其关系R s ={(ω,ρ):Ω,ω,ρ}。 因此,系统的性状级描述只给出输入-输出观测结果。其模型为五元组集合结构: S=(T ,X ,Ω,Y , R ) 当ω,ρ满足ρ =f (ω)函数关系时,其集合结构变为: ()λδ,,,,,,Y Q X T S Ω= 其中： :T 时间基，描述系统变化的时间坐标，T 为整数则称为离散时间系统，为实数则称为连续时间系统； :X 输入集，代表外部环境对系统的作用。 :Ω输入段集，描述某个时间间隔内的输入模式，是()T X ,的一个子集。 :Q 内部状态集，描述系统内部状态量，是系统内部结构建模的核心。 :δ状态转移函数，定义系统内部状态是如何变化的，是一个映射。 :Y 输出集，系统通过它作用于环境。 :λ输出函数，是一个映射，给出了一个输出段集。
一、基本概念 1、数字正弦载波调制 在通信中不少信道不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使得载波的这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓数字正弦载波调制。 2、数字正弦载波调制的分类。 在二进制时, 数字正弦载波调制可以分为振幅键控（ASK）、移频键控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本信号形式。如黑板所示。 2、高斯白噪声信道 二、实验原理 1、实验系统组成 2、实验系统结构框图
图 1 2FSK信号在高斯白噪声信道中传输模拟框图 各个模块介绍p12 3、仿真程序 x=0:15;% x表示信噪比 y=x;% y表示信号的误比特率，它的长度与x相同FrequencySeparation=24000;% BFSK调制的频率间隔等于24KHz BitRate=10000;% 信源产生信号的bit率等于10kbit/s SimulationTime=10;% 仿真时间设置为10秒SamplesPerSymbol=2;% BFSK调制信号每个符号的抽样数等于2 for i=1:length(x)% 循环执行仿真程序 SNR=x(i);% 信道的信噪比依次取中的元素 sim('project_1');% 运行仿真程序得到的误比特率保存在工作区变量BitErrorRate中 y(i)=mean(BitErrorRate); end hold off% 准备一个空白的图 semilogy(x,y);%绘制的关系曲线图，纵坐标采用对数坐标 三、实验结论
图 4 2FSK信号误比特率与信噪比的关系曲线图 系统建模与仿真（二） ——BFSK在多径瑞利衰落信道中的传输性能 一、基本概念 多径瑞利衰落信道 二、实验原理 1、实验系统组成
知识点1 1. 在查阅资料的基础上，了解系统建模与仿真技术在经济建设、新品研发、企业运作以及 社会发展中的功能与作用，包括： ①系统建模与仿真技术在制造企业规划与运营中的应用，如企业选址、车间布局、生产线 平衡、瓶颈分析等。 ②系统建模与仿真技术在工程开发中的应用，如三峡大坝建设、机场选址、城市及区域规 划、大型体育设施建设等。 ③系统建模与仿真技术在工业产品研制中的应用，如长征火箭、神舟飞船、军用及民用飞 机研制、高铁列车开发、汽车产品研制等。 ④系统建模与仿真技术在社会服务系统中的作用，如商业服务企业选址、医院选址与布局、 商业设施的布局规划、游乐设施规划布局、公交线路布点及班次优化等。 ⑤系统建模与仿真技术在物流系统中的应用，如物流企业选址、配送中心选址与布局、物 流系统规划开发、物流设备研制等。 ⑥围绕具体产品（如汽车）或系统（如载人航天工程），分析系统建模与仿真技术的具体应 用。 2．什么是系统，它有哪些特点？结合具体的制造系统、物流系统或服务系统，分析系统的组成要素、功能和边界。 3. 什么是制造系统？它有哪些特点？常见的制造系统有哪些类型？ 4. 什么是机械制造系统，它具有哪些特点？简要分析机械制造系统的运行过程。 5. 以机械制造系统为例，分析此类系统运作的基本特点，系统与环境之间存在哪些交互作 用？ 6. 在查阅资料的基础上，以汽车整车制造企业为例，分析此类系统中物料流、能量流和信 息流涵盖的内容。 7. 以家用电气产品（如电视机、冰箱、手机等）制造系统为例，分析此类系统在设计及运 行过程可能存在的各类动态和随机性因素。 8．什么是连续系统和离散系统，它们存在哪些区别。结合具体案例，分析连续系统和离散系统分别具有哪些特点。 9．分析系统、模型与仿真三者之间的关系。对系统而言，建模与仿真技术具有哪些作用？10．对制造系统而言，哪些方法能够分析此类系统的性能，它们各具有什么特点？为什么计算机仿真技术的应用越来越普遍？ 11. 与实物试验相比，基于模型的试验具有哪些优点？ 12. 总体上，系统模型可以分为哪些类型？简要分析每类模型的特点，并给出具体案例。13．制造系统的建模与仿真具有哪些特点？ 14. 对制造系统而言，仿真研究的目标可以分为哪几种类型？ 15. 分别从“设计决策”和“运行决策”的角度出发，分析仿真技术可以为制造系统设计及运行 提供决策支持。 16. 仿真技术本身具有优化系统设计的功能吗？为什么？试解释之。 17. 在查阅资料的基础上，比较仿真技术与运筹学方法的异同之处。 18. 从建模和仿真研究的角度，机械制造系统建模和仿真时通常涉及哪些类型的建模元素？ 19. 以制造系统及物流系统为对象，在查阅资料的基础上，了解下列术语在系统性能评估中 的作用，分析仿真技术与它们之间的关系。 ⑴系统（system）
《生产系统建模与仿真》教学大纲 （理论课程） 开课系（部）：工程学院课程编号：010396 课程类型：专业课总学时：48 学分：3 适用专业：工业工程开课学期：2014-2015学年第一学期 先修课程：概率论与数理统计、C语言程序设计、系统工程导论 一、课程简述 《生产系统建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。 本课程具有较强的理论性，同时具有较强的实践性和应用性，能够有效增强学生的系统仿真理论基础，提高学生对系统仿真、分析工作的适应性，培养其开发创新能力。 本课程的教学目标是培养学生的设计能力、创新能力和工程意识。课程以制造型生产企业为核心，通过理论教学和实践环节相结合，阐述了离散事件系统建模与仿真技术在生产企业分析中的基本原理和方法。其容涉及计算机仿真技术在生产系统分析中的作用和原理、仿真软件的介绍，重点介绍排队系统、库存系统、加工系统以及输入、输出数据分析。本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理；并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能；使学生了解计算机仿真的基本步骤。 二、课程要求 （一）教学方法 1、启发式课堂讨论 针对关键知识点、典型题和难题，通过教师提问，鼓励学生回答问题或请到讲台前做题，并请其他学生评判或提出不同的答案或不同的解决方法。目的是加强学生自主学习的能力和判断能力，培养主动思考的习惯，启发学生的探索精神。 2、重视在教学中加强知识演进的逻辑规律的讲解 提高学生的逻辑思维能力，培养学生分析问题、解决问题的能力。 3、加强计算机辅助设计、分析 将Flexsim仿真软件引入教学中。应用计算机辅助设计、分析，能方便的改变系统
系统建模与仿真 开课对象：工业工程开课学期：6 学分：2学分；总学时：48学时；理论课学时：40学时； 实验学时：0 学时；上机学时：8学时 先修课程：概率论与数理统计 教材：系统建模与发展，齐欢，王小平编著，清华大学出版社，2004.7 参考书： 【1】离散事件系统建模与仿真，顾启泰，清华大学出版社 【2】现代系统建模与仿真技术，刘兴堂，西北工业大学出版社 【3】离散事件系统建模与仿真，王维平，国防科技大学出版社 【4】系统仿真导论，肖田元，清华大学出版社 【5】建模与仿真，王卫红，科学出版社 【6】仿真建模与分析(Simulaton Modeling and Analysis)(3rd eds.)，Averill M. Law, W.David Kelton，清华大学出版社/McGraw-Hill 一、课程的性质、目的和任务 建模与仿真是当代现代科学技术的主要内容，其技术已渗透到各学科和工程技术领域。本课程以一般系统理论为基础，让学生掌握适用于任何领域的建模与仿真的一般理论框架和基本方法。 本课程的目的和任务是使学生： 1．掌握建模基本理论； 2．掌握仿真的基本方法； 3．掌握一种仿真语言及仿真软件； 4．能够运用建模与仿真方法分析、解决工业工程领域的各种常见问题。 二、课程的基本要求 1．了解建模与仿真的作用和发展，理解组成要素。 2．掌握建模的几种基本方法，及模型简化的技术手段。 3．掌握建模的一般系统理论，认识随机数的产生的原因及统计控制方式。 4．能对离散事件进行仿真，并能分析运行结果。 三、课程的基本内容及学时分配 第一章绪论（3学时） 1．系统、模型、仿真的基本概念
《系统建模理论与自适应控制》试卷 一、已知三阶线性离散系统的输入、输出数据，共有40个采样值，分别用最小二乘法（LS ）的一次完成算法和递推算法、广义最小二乘法（GLS ）进行参数估计，并阐述各种算法的辨识原理，给出各种算法的程序流程图及程序注释。 k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 u (k ) 0.8251 0.0988 0.4628 -0.9168 2.2325 0.0777 2.3654 0.3476 1.1473 -1.9035 y (k ) 1.5333 -1.0680 1.0666 -0.5284 -0.5835 3.1471 -3.7185 6.2149 -6.3026 7.2705 k 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 u (k ) -0.9229 1.6400 -0.8410 0.7599 -0.4739 -0.1784 -1.7760 -1.6722 1.2959 -0.0591 y (k ) -9.0552 8.1735 -5.9004 3.9870 -2.2486 0.9525 -0.5325 -1.5227 0.4200 1.0786 k 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 u (k ) -1.0576 -1.0071 1.1342 -0.0740 0.6759 0.5221 0.9954 0.5271 -1.7656 0.4936 y (k ) -1.5579 0.6640 -1.4222 2.6444 -2.9572 3.6340 -3.1281 3.8334 -3.2542 1.1568 k 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 u (k ) 1.4810 0.9591 -3.1293 -0.3604 -0.4251 0.4185 -0.6728 -0.0027 2.1145 1.1157 y (k ) 0.0615 0.9120 -0.0692 -3.2731 3.7486 -4.3194 4.7230 -5.2781 5.1507 -2.7235 一、最小二乘法（LS ） 1、数学模型 设时不变SISO 动态过程的数学模型为 )()()()()(11k n k u z B k z z A +=-- （1.1.1） 其中，)(k u 为过程的输入量，)(k z 为过程的输出量，)(k n 是噪声，多项式)(1-z A 和 )(1-z B 为： ?? ???+++=++++=--------nb n n n z b z b z b z B z a z a z a z A b a a 221112 2111)(1)( 在本题中，a n =b n =3.即 ???++=+++=--------3 3221113 322111)(1)(z b z b z b z B z a z a z a z A 将此模型写成最小二乘格式 )()()(k n k k z +=θh τ （1.1.2） 其中， 是过程的输出量；)(k τh 是可观测的数据向量； 是均值为零的随机
生产系统建模与仿真 实验报告 实验一Witness仿真软件认识 一、实验目的 1、学习、掌握Witness仿真软件的主要功能与使用方法； 2、学习生产系统的建模与仿真方法。 二、实验内容 学习、掌握Witness仿真软件的主要功能与使用方法 三、实验报告要求 1、写出实验目的: 2、写出简要实验步骤； 四、主要仪器、设备 1、计算机（满足Witness仿真软件的配置要求） 2、Witness工业物流仿真软件。 五、实验计划与安排 计划学时4学时 六、实验方法及步骤 实验目的： 1、对Witness的简单操作进行了解、熟悉，能够做到基本的操作，并能够进行简单的基础建模。 2、进一步了解Witness的建模与仿真过程。 实验步骤： Witness仿真软件是由英国lanner公司推出的功能强大的仿真软件系统。它可以用于离散事件系统的仿真，同时又可以用于连续流体（如液压、化工、水力）系统的仿真。目前已成功运用于国际数千家知名企业的解决方案项目，有机场设施布局
优化、机场物流规划、电气公司的流程改善、化学公司的供应链物流系统规划、工厂布局优化和分销物流系统规划等。 ◆Witness的安装与启动： ?安装环境：推荐P4 1.5G以上、内存512MB及以上、独立显卡64M以上显存，Windows98、Windows2000、Windows NT以及Windows XP的操作系统支持。 ?安装步骤：⑴将Witness2004系统光盘放入CD-ROM中，启动安装程序； ⑵选择语言（English）；⑶选择Manufacturing或Service；⑷选择授权方式（如加密狗方式）。 ?启动：按一般程序启动方式就可启动Witness2004，启动过程中需要输入许可证号。 ◆Witness2004的用户界面： ?系统主界面：正常启动Witness系统后，进入的主界面如下图所示： 主界面中的标题栏、菜单栏、工具栏状态栏等的基本操作与一般可视化界面操作大体上一致。这里重点提示元素选择窗口、用户元素窗口以及系统布局区。 ?元素列表窗口：共有五项内容，分类显示模型中已经建立和可以定义的模型元素。Simulation中显示当前建立的模型中的所有元素列表；Designer中显示当前Designer Elements中的所有元素列表；System中显示系默认的特殊地点；Type中
《生产物流系统建模与仿真》课程设计 2012-2013学年度第一学期 姓名孙会芳 学号 099094090 班级工093 指导老师暴伟霍颖
目录 一、课程任务书 (3) 1.题 目............................................................... (3) 2.课程设计内容 (3) 3.课程设计要求 (4) 4.进度安排 (4) 5.参考文献 (4) 二、课程设计正文 (5) 1、题目 (5) 2、仿真模型建立 (5) （1）实体元素定义 (5) （2）元素可视化的设置 (6) （3）元素细节设计 (8) (4 ) 模型运行和数据.................................................................. . (10) （5）模型代码 (12) （6）模型改进 (16) 3.实验感想 (17)
三、参考文献 (18) 《生产物流系统建模与仿真》课程设计任务书 1. 题目 离散型流水作业线系统仿真 2. 课程设计内容 系统描述与系统参数： （1）一个流水加工生产线，不考虑其流程间的空间运输。 （2）两种工件A，B分别以正态分布和均匀分布的时间间隔进入系统，A进入队列Q1, B进入队列Q2，等待检验。（学号最后位数对应的仿真参数设置按照下表进行） （3）操作工人labor1对A进行检验，每件检验用时2分钟，操作工人labor2对B进行检验，每件检验用时2分钟。 （4）不合格的工件废弃，离开系统；合格的工件送往后续加工工序，A的合格率为65%，B的合格率为95%。 （5）工件A送往机器M1加工，如需等待，则在Q3队列中等待；B送往机器M2加工，如需等待，则在Q4队列中等待。 （6）A在机器M1上的加工时间为正态分布（5，1）分钟；B在机器M2上的加工时间为正态分布（8，1）分钟。
机械系统建模与仿真 机理建模法 所谓机理模型，实际上就是采用由一般到特殊的推理理演绎方法，对巳知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理，经过合理分析简化建立起来描述系统各物理员动、静态变化性能的数学模型。 因此，机理建模法主要是通过理论分析推导方法建立系统模型。根据确定元件或系统行为所遵循的自然机理，如常用的物质不灭定律(用于液位、压力调节等)、能量守恒定律(用于温度调节等)、牛顿第二定律(用于速度、加速度调节等)、基尔霍夫定律(用于电气网络)等等，对系统各种运功规律的本质进行描述，包括质量、能量的变换和传递等过程，从而建立起变量间相互制约又相互依存的精确的数学关系。通常情况下，是给出微分方程形式或其派生形式——状态方程、传
递函数等。 实验建模法 所谓实验建模法，就是采用出特殊到一般的逻辑归纳方法，根据一定数量的在系统运行过程中的实测、观察的物理量数据，运用统计规律、系统辨识等理论合理估计出反映系统各物理量相互制约关系的数学模型。其主要依据是来自系统的大量实测数据．出此义称之为实验测定法。 当对所研究系统的内部结构和特性尚不清楚、甚至无法了解时,系统内部的机理变化规律就不能确定,通常称之为·黒箱”或“灰箱”问题,机理建模法也就无法应用。而根据所测到的系统输入输出数据,采用一定方法进行分析及处理来获得数学模型的统计模型法正好适应这种情况。通过对系统施加激励,观察和测取其响应,了解其内部変量的特性,并建立能近似反映同样变化的模拟系统的数学模型,就相当于建立起实际系统的数学描述(方程、曲线或图表等)。 （1）频率特性法 频率特性法是研究控制系统的一种应用广泛的工程实用方法。其特点在是通过建立系统频率响应与正弦输入信号之间的稳态特性关系，不仅可以反映系统的稳态性能，而且可以用来研究系统的稳定性和暂态性能;可以根据系统的开环频率特性，判别系统闭环后的各种性能；可以较方便地分析系统参数对动态性能的影响，并能大致指出改善系统性能的途径。 （2）系统辨识法 系统辨识法是现代控制理论与系统建模中常用的方法，它是依据测量到的输人与输出数据来建方静态与动态系统的数学模型，但其输出响应不局限于频率响应，阶压响应或脉冲响应等时间响应都可作为反映系统模型静态与动态特性的重要信息；而且，确定模型的过程更依赖于各种高效率的最优算法以及如何保证所测取数据的可靠性。因
数据建模目前有两种比较通用的方式1983年，数学建模作为一门独立的课程进入我国高等学校，在清华大学首次开设。1987年高等教育出版社出版了国内第一本《数学模型》教材。20多年来，数学建模工作发展的非常快，许多高校相继开设了数学建模课程，我国从1989年起参加美国数学建模竞赛，1992年国家教委高教司提出在全国普通高等学校开展数学建模竞赛，旨在“培养学生解决实际问题的能力和创新精神，全面提高学生的综合素质”。近年来，数学模型和数学建模这两个术语使用的频率越来越高，而数学模型和数学建模也被广泛地应用于其他学科和社会的各个领域。本文主要介绍了数学建模中常用的方法。 一、数学建模的相关概念 原型就是人们在社会实践中所关心和研究的现实世界中的事物或对象。模型是指为了某个特定目的将原型所具有的本质属性的某一部分信息经过简化、提炼而构造的原型替代物。一个原型，为了不同的目的可以有多种不同的模型。数学模型是指对于现实世界的某一特定对象，为了某个特定目的，进行一些必要的抽象、简化和假设，借助数学语言，运用数学工具建立起来的一个数学结构。 数学建模是指对特定的客观对象建立数学模型的过程，是现实的现象通过心智活动构造出能抓住其重要且有用的特征的表示，常常是形象化的或符号的表示，是构造刻画客观事物原型的数学模型并用以分析、研究和解决实际问题的一种科学方法。 二、教学模型的分类 数学模型从不同的角度可以分成不同的类型，从数学的角度，按建立模型的数学方法主要分为以下几种模型：几何模型、代数模型、规划模型、优化模型、微分方程模型、统计模型、概率模型、图论模型、决策模型等。 三、数学建模的常用方法 1.类比法 数学建模的过程就是把实际问题经过分析、抽象、概括后，用数学语言、数学概念和数学符号表述成数学问题，而表述成什么样的问题取决于思考者解决问题的意图。类比法建模一般在具体分析该实际问题的各个因素的基础上，通过联想、归纳对各因素进行分析，并且与已知模型比较，把未知关系化为已知关系，
《建模与仿真》课程教学大纲 (Modeling and Simulation) 课程编码： 学分：2.5 总学时：40 适用专业：工业工程 先修课程：生产计划与控制、工程统计学、工程数学、运筹学、计算机编程技术 一、课程的性质、目的和任务 《建模与仿真》是面向工程实际的应用型课程，是工业工程系的主导课程之一。学生通过本课程的学习能够初步运用仿真技术来发现生产系统中的关键问题，并通过改进措施的实现，提高生产能力和生产效率。本课程的目的是要求学生通过学习、课堂教育和上机训练，能了解如何运用计算机仿真技术模拟生产系统的布置和调度管理。并熟悉和掌握计算机仿真软件的基本操作和能够实现的功能。使学生了解计算机仿真的基本步骤。结合本课程的特点，使学生掌握或提高系统化分析问题和解决问题的能力,为系统化管理生产打下基础。二、教学基本要求 具体在教学过程中要求学生应该达到： 1.全面了解本课程的性质与任务、框架内容以及理论和方法； 2.掌握仿真的概率统计基础知识。 3.掌握供理论模型建模方法。 4.掌握仿真模型的设计与实现方法。 5.熟练应用建模理论,对排队系统、库存系统、加工制造系统进行建模仿真。 三、教学内容与学时分配 离散事件系统仿真是仿真技术的重要领域，在规划论证、方案评估、计划调度、 加工制造、产品试验、生产培训、训练模拟、管理决策等方面得到广泛应用。本课程 深入地介绍了离散事件系统建模仿真的理论、方法和技术，突出对理论建模方法和计 算机实现技术的讲解，对离散事件系统建模仿真的发展和应用情况做了比较详尽的介 绍。 具体教学内容如下： 第一章绪论 4学时
本章分析了系统和制造系统定义、组成与特点，介绍了系统建模与仿真的基本概念和使用步骤，并给出应用案例。 本章教学目标： 本章教学基本要求： 了解常用术语及常用的仿真软件，了解仿真技术的的发展状况及应用。 理解系统与制造系统的定义及系统建模与仿真的概念及系统、模型与仿真之间的关系。 掌握制造系统建模与仿真的基本概念及基本步骤。 本章教学重点：制造系统建模与仿真的原则及基本步骤。 本章教学难点：制造系统建模与仿真的原则及基本步骤 第一节系统与制造系统 0.3学时 （一）什么是系统 （二）制造系统的组成与特点 第二节系统建模与仿真的基本概念。 0.3学时 (一)系统、模型与仿真的关系 (二)系统建模与仿真技术的特点 第三节制造系统建模与仿真的基本概念。 0.3学时 （一）制造系统建模与仿真的特点分析 （二）制造系统类型及建模元素 （三）制造系统仿真的功能分析 第四节系统建模与仿真的基本步骤 0.4学时 第五节系统建模与仿真的案例分析 0.5学时 （一）连杆生产线的组成与功能分析 （二）连杆生产线仿真模型的构建 （三）仿真逻辑的分析与定义 （四）仿真结果分析及系统优化 第二章系统建模与仿真的基本原理 2学时 本章在分析离散事件系统模型的分类和元素组成的基础上，介绍了建立系统模型的常用方法。 本章教学目标：使学生掌握常用的系统建模方法 本章教学基本要求：
知识点2 1. 结合具体制造系统或服务系统，分析离散事件动态系统的基本特征。 2. 什么叫“状态空间爆炸”？产生状态空间爆炸的原因是什么？它给系统性能分析带来哪些 挑战？ 3. 常用的离散事件系统建模方法有哪些，它们是如何分类的？ 4. 什么是马尔可夫特性？它在离散事件系统建模与分析中有什么作用？ 5. 根据功能不同，仿真模型（程序）可以分为哪三个层次？分析三个层次之间的关系。 6. 分析事件调度法、活动循环法、进程交互法和消息驱动法等仿真调度方法的特点，在分 析每种调度方法基本原理的基础上，阐述几种仿真调度方法之间的区别与联系，并绘制每种仿真调度方法的流程图。 7. 结合具体的离散事件系统，如银行、理发店、餐厅、超市、医院、作业车间等，采用事 件调度法、活动循环法或进程交互法分析建立此类系统的仿真模型，试分析仿真模型中的建模元素以及仿真调度流程。 8. 从系统描述、建模要点、仿真时钟推进机制等层面，比较事件调度法、活动循环法和进 程交互法的异同之处。 9. 什么叫仿真时钟，它在系统仿真中有什么作用？什么叫仿真时钟推进机制？常用的仿真 时钟推进机制有哪些？它们的主要特点是什么，分别适合于怎样的系统？ 10.结合具体的离散事件系统，分析若采用固定步长时间推进机制、下次事件时间推进机制 或混合时间推进机制时，分别具有哪些优点和缺点，以图形或文字等形式分析时钟推进流程。 11.什么叫仿真效率？什么叫仿真精度？分析影响仿真效率和仿真精度的因素？ 12.从仿真效率和仿真精度的角度，分析和比较三种仿真时钟推进机制的特点，并分析三种 仿真时钟推进机制分别适合于什么样的系统？ 13. 什么是蒲丰投针试验？绘制蒲丰投针试验原理图，通过推导蒲丰投针试验中针与任一直 线相交的概率，分析采用随机投针试验方法来确定圆周率π的原理。 14. 按照蒲丰投针试验的条件和要求，完成投针试验，在统计投针次数、针与直线的相交次 数的基础上，求解π的估计值，并以报表或图形等形式表达试验结果。具体要求如下： ①自行确定针的长度、直线之间的距离。 ②投针10次、20次、30次、40次、50次、…、100次、…、200次、…，分别计算针 与直线相交的概率、π的估计值。 ③以一随机变量描述上述试验结果，并通过编程或采用商品化软件，以图形、报表等形 式表示投针试验结果，分析其中的规律，并给出结论。 ④写出试验报告。 ⑤在熟悉投针试验原理的基础上，编制投针试验仿真程序，动态运行投针试验的过程。15．什么是蒙特卡洛仿真？它有什么特点，蒙特卡洛仿真应用的基本步骤是什么？ 16．采用C或C++等语言，分别编写产生均匀分布、正态分布、指数分布以及威布尔分布的伪随机数序列，通过改变每种分布中参数的数值，分析不同参数数值对随机数值的影响；通过对所产生的伪随机数分布区间的统计、分析和绘图，检验伪随机数的特性及其数值特征。 17. 对于制造系统而言，库存有哪些作用和功能？ 18. 在制造企业中，库存大致可以分成四种类型。简要论述四种库存的名称和功能。 19. 什么是安全库存、订货提前期？确定安全库存和订货提前期时分别需要考虑哪些因素？ 20. 什么叫“订货点法”？要确定订货点，需要哪些条件？订货点法适合于怎样的库存系统？
一、物流系统建模与仿真软件简介 由于物流系统变得越来越复杂并且内部关联性越来越强。仿真是公司检验其物流系统及决策是否真的高效的唯一可用技术了。在设计一个新的工厂或系统，对已由系统添加新设备或重新优化，仿真都是非常必要的。同时仿真还用来提供直觉的和经验的决策支持。在当今市面上，仿真可用使用专用软件来实现。由于存在着如此多的仿真软件，如何正确的选择软件至关重要。下面列举出典型的系统仿真软件[3]。 软件名称简介 （1）20-sim 20-sim是由Twente大学控制实验室开发的运行于Windows系统下的建模与仿真软件。作为著名软件包TUTSIM的后续产品，它完全支持图形建模，让用户在直观和友善的方式对动态系统进行设计和分析，同MATLAB和Simulink可以方便的进行建模与仿真的交互。使用20-sim，我们可以仿真动态系统（例如电力、机械、水动力系统或它们的组合系统）的各种行为。 （2）arena该软件可以用来模拟服务、制造、运输、物流、供应链和其它系统。（3）Automod该软件提供了真实的三维虚拟现实动画，使得仿真模型非常用以理 解；提供了高级的特征让用户可以仿真复杂的活动，如机器人、设 备工具、生产线等的运动和转动。该软件还为用户提供了一套基于 专家系统的物料搬运系统，它是根据工业自动化的真实运行经验开 发的。这些包括输送链、自动存储和检索系统，桥式起重机等。（4）Awesim Awesim提供生产系统动态模型的仿真机。动画使用图形界面构建， 用户可以对交互式仿真进行特定的控制。 （5）Easy5由波音公司开发的用来模拟和仿真包含水力、风力、机械、热、电 子和数字等子系统的动态系统软件包。包括了一整套控制系统建 模、分析和设计功能。 （6）Idef该软件是一种流程图析软件，可以非常容易的适用流程图来绘制和 表述流程。它能够提供比传统流程图更多的信息。流程中包含的流 程、流程约束、人和其他资源能够被整合到一起。 （7）Intrax该软件能够提供许多被建模和仿真实际流程的管理决策。它能够被 用来执行战略（同战略视图，同步价值链视图相符合的现实），流 程改善（工序改善、生产力改善、节约循环时间），同步价值链（动 态视觉，同步约束）和日常运作（可对比的运作替代方案，短期变 化影响力的检验）等的模拟和仿真。 （8）Manufacturing Engineering 该软件提供离散仿真功能来解决制造问题和设计制造方案。它在广阔的应用领域中预测产出率，人工和其他的绩效。 （9）Matlab该软件是组合的数字计算、高级图形技术和可视化、高级编程语言 的集成计算机算环境。Simulink式用来对动态系统进行建模、仿真 和分析的交互式工具。它可以构建图形化的结构图，模拟动态系统， 评估系统绩效和精炼设计。 （10）Modsim该软件可以用来仿真像港口，铁路网和航空管制等的管理模型。还 可以用来仿真制造系统。 （11）Promodel该软件可以对制造系统、仓储系统和物流系统的评估、规划或重新 设计进行仿真。典型应用包括精益制造的实施，周期事件的降低， 设备投资决策，产出率和能力分析，识别和排除瓶颈，资源分配等。
第一章习题 1-1什么是仿真？它所遵循的基本原则是什么？ 答：仿真是建立在控制理论，相似理论，信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识，统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的试验性科学。 它所遵循的基本原则是相似原理。 1-2在系统分析与设计中仿真法与解析法有何区别？各有什么特点？ 答：解析法就是运用已掌握的理论知识对控制系统进行理论上的分析，计算。它是一种纯物理意义上的实验分析方法，在对系统的认识过程中具有普遍意义。由于受到理论的不完善性以及对事物认识的不全面性等因素的影响，其应用往往有很大局限性。 仿真法基于相似原理，是在模型上所进行的系统性能分析与研究的实验方法。 1-3数字仿真包括那几个要素？其关系如何？ 答: 通常情况下，数字仿真实验包括三个基本要素，即实际系统，数学模型与计算机。由图可见，将实际系统抽象为数学模型，称之为一次模型化，它还涉及到系统辨识技术问题，统称为建模问题；将数学模型转化为可在计算机上运行的仿真模型，称之为二次模型化，这涉及到仿真技术问题，统称为仿真实验。 1-4为什么说模拟仿真较数字仿真精度低？其优点如何？。 答：由于受到电路元件精度的制约和容易受到外界的干扰，模拟仿真较数字仿真精度低 但模拟仿真具有如下优点： （1）描述连续的物理系统的动态过程比较自然和逼真。 （2）仿真速度极快，失真小，结果可信度高。 （3）能快速求解微分方程。模拟计算机运行时各运算器是并行工作的，模拟机的解题速度与原系统的复杂程度无关。 （4）可以灵活设置仿真试验的时间标尺，既可以进行实时仿真，也可以进
制造系统建模与仿真学习心得 一、制造系统建模与仿真的含义 1．制造系统制造系统是制造过程及其所涉及的硬件、软件和人员所组成的一个将制造资源转变为产品或半成品的输入／输出系统，它涉及产品生命周期(包括市场分析、产品设计、工艺规划、加工过程、装配、运输、产品销售、售后服务及回收处理等)的全过程或部分环节。其中，硬件包括厂房、生产设备、工具、刀具、计算机及网络等；软件包括制造理论、制造技术(制造工艺和制造方法等)、管理方法、制造信息及其有关的软件系统等；制造资源包括狭义制造资源和广义制造资源；狭义制造资源主要指物能资源，包括原材料、坯件、半成品、能源等；广义制造资源还包括硬件、软件、人员等。随着科技的进步，制造系统的发展也经历了传统手工生产、机械化、自动化孤岛、集成制造、并行工程和敏捷制造等几个阶段。 2．模型与仿真模型是对真实对象和真实关系中那些有用的和让人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的描述。它以各种可用的形式描述被研究系统的信息。系统模型并不是对真实系统的完全复现，而是对系统的抽象，而仿真是通过对模型的实验以达到研究系统的目的，当制造系统尚未建立或者研究时间长成本高以及从安全性考虑我们有必要对制造系统预先进行建模并仿真以确定系统的最佳结构和配置方案、防止较大的经济损失、确定合理高效的作业计划，从而提高经济效益。 制造系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的制造系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废(全生命周期)活动的一门多学科的综合性技术。 二、系统建模与仿真的发展及类型 1．系统建模与仿真的发展大致经历了这么几个阶段：1600—1940年左右，这一时期的建模仿真主要是在物理科学基础上的建模；20世纪40年代，由于电子计算机的出现，建模仿真技术开始飞速发展；20世纪50年代中期，建模仿真开始应用与航空领域；20世纪60年代，这一阶段主要是工业控制过程中的仿真；20世纪70年代，开始出现了包括经济、社会和环境因素的大系统仿真。到70年代中期，出现了系统与仿真的结合，如用于随机网络建模的SLAM仿真系统。在这一时期，系统仿真开始与更高级的决策结合，出现了决策支
制造系统建模与仿真在工业工程中的应用0713020 工业工程刘鹏 [摘要]介绍了企业发展和建模的必要性和必然性，分析了制造系统的建模与仿真在优化企业资源中的作用及意义，详细地论述了制造系统的建模与仿真在优化企业资源中的具体应用。 关键词：制造系统；建模与仿真；企业优化；仿真应用 系统建模与仿真技术的含义 系统建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术以及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型参与已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废(全生命周期)活动的一门多学科的综合性技术。 仿真科学和技术的通用性和战略性 仿真的通用性表现在一切基础学科(如物理、化学、天文?)都可以通过仿真来研究；并可以极大地提高研究的安全性。仿真的战略性表现在一切复杂巨系统的研究都离不开仿真技术，可以说研究复杂巨系统采用仿真技术是唯一的途径。正如宋健院士所说：“系统仿真是科学实验的利器。 国内仿真技术发展 在我国仿真技术经过半个多世纪的发展，已经从军工走向国民经济。已经从工程走向非工程；已经从确定的小系统走向不确定的复杂巨系统。最初的仿真技术只是用计算机来求解方程，为了实时性，大
都采用电子模拟计算机。现在的仿真技术已经融合了信息技术、网络技术、系统技术、控制技术和高性能的计算技术，以完全崭新的面貌出现在我们的面前。 现在，摆在我们仿真工作者面前的任务是：在虚拟世界与真实世界之间架起一座桥梁；通过仿真技术构筑起一个平台，来勾画出创新型国家的轮廓，例如，国家正投入几个亿，来建设国家级研究经济模型的仿真实验室。 仿真技术，一方面反映了我国仿真技术和仿真技术应用发展的现状，另一方面，又对我国仿真技术今后的发展方向产生了指导作用。近年来，我国仿真技术及其应用的发展是十分迅猛的。仿真技术的发展，使人感到震惊。研究天文、地理、宇宙进化论等等，要依靠仿真，几乎没有哪个领域能离开仿真技术。凡是能写成方程的都要进行仿真。故应鼓励仿真界的科技人员发挥聪明才智，搞好仿真技术。 仿真技术的广度、深度、高度的提高，正反映了我国仿真技术和应用的发展。例如，“面向复杂性地理问题的虚拟研讨厅体系研究”，“复杂系统建模中的几个问题”等都是有代表性的好文章，反映了我国仿真技术已经在军事和国民经济的一些复杂巨系统研究建设中发挥越来越重要的作用。 1、制造系统的建模与仿真在优化企业资源中的作用及意义 计算机仿真技术作为一门高新技术，其方法学建立在计算机能力的基础之上。随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也越来越大。尤其在航空、航天、国防及其他大
《系统辨识》 实验手册 哈尔滨工业大学控制与仿真中心 2018年5月
目录 实验1 白噪声和M序列的产生---------------------------------------------------------- 2 实验2 脉冲响应法的实现---------------------------------------------------------------- 5 实验3 递推最小二乘法的实现---------------------------------------------------------- 9 附录实验报告模板---------------------------------------------------------------------- 13
实验1 白噪声、M 序列的产生 一、实验目的 1、熟悉并掌握产生均匀分布随机序列方法以及进而产生高斯白噪声方法 2、熟悉并掌握M 序列生成原理及仿真生成方法 二、实验原理 1、混合同余法 混合同余法是加同余法和乘同余法的混合形式，其迭代式如下： 11 1(*)mod /n n n n x a x b M R x M +++=+?? =? 式中a 为乘子，0x 为种子，b 为常数，M 为模。混合同余法是一种递归算法，即先提供一个种子0x ，逐次递归即得到一个不超过模M 的整数数列。 2、正态分布随机数产生方法 由独立同分布中心极限定理有：设随机变量12,,....,,...n X X X 相互独立，服从同一分布，且具有数学期望和方差： 2(),()0,(1,2,...)k k E X D X k μσ==>= 则随机变量之和1 n k i X =∑的标准化变量 : () n n n k k k X E X X n Y μ --= = ∑∑∑近似服从(0,1)N 分布。 如果n X 服从[0, 1]均匀分布，则上式中0.5μ=，2 1 12 σ= 。即 0.5n k X n Y -= ∑近似服从(0,1)N 分布。