教学课件：《生产系统建模与仿真》.ppt

1、 主要内容0 引言1.1 仿真技术的产生和发展1.2 计算机仿真在生产物流系统中的应用1.3 系统仿真1.4 本课程的主要内容引言 系统的概念：由相互联系、相互作用的事物或元素构成的具有特定功能、结构和环境的统一整体。研究系统的手段和方法：随着人们认识和改造自然的能力的增强，科学技术水平也得到了迅猛的发展。行星运动三大定律（开普勒）万有引力（牛顿）相对论（爱因斯坦）利用数学手段对事物描述的理论越来越完善。而且研究的范围也越来越广，人们已经充分认识到用数学模型去描述所研究系统的优越性。并逐渐发展出系统研究和系统分析理论。但是，由于数学手段的限制，人们对复杂事物和复杂系统建立数学模型并对其进行求解

2、的能力也非常有限。电子计算机的出现，对科技的发展产生了无可估量的、深远的影响。许多复杂的数学模型可以通过计算机来计算求解。因此利用数学模型描述系统的特征并进行求解的手段逐渐的被计算机仿真的技术所替代。引言 计算机仿真的的优越性：（1）可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题。（2）可以预演或再现系统的运动规律和运动过程。(3)对无法进行实验的的系统进行仿真试验研究。1.1 仿真技术的产生与发展 引例1：2008北京奥运会开幕式全景式智能仿真编排系统导演只要说出自己创意，科研人员将具体参数输入系统，电脑上就会呈现出和真人表演同样逼真的效果。它还能实时漫游，也就是说能展示任意不同角度的镜头画

3、面，帮助导演随时调整预案。如果靠想象或真人反复排练来调整表演方案，难度和效果可想而知。例如在下半场“星光”表演中，导演最初估计要5000人，计算机根据衣服、人体厚度、图形范围、人与人间距等各种因素，进行智能填充及分布，并对自动点位的密集程度进行分析与调整，得出最优的解决方案，建议2369人参演 1.1 仿真技术的产生与发展 引例2：仿真模拟系统确保60周年国庆游行万无一失 仿真阶段，通过对游行队伍各方阵队容、队形进行智能化编排设计，对每名人员进行数字定位；通过对方阵长度、前后间距及方阵间隔的调整，对整个游行时间进行准确控制；通过整合彩车、服装、道具、行进表演、动作、音乐、口号、合唱、背景图案、

4、天安门地区实景等游行要素，进行实景环境下系统的模拟仿真，为整体效果的体现和方案的优化提供参考依据。仿真模拟组将计算机上的分解图和动作要求印成一本首都国庆60周年联欢晚会演员表演手册，导演组及每个演员人手一册，每本手册上对每一个动作、配合的音乐节拍、形成的效果都有详细说明。在50周年国庆游行时，因为没有计算机辅助，仅背景部分的群众排位，10年前的坐标图完全靠人工绘制，十几个人花了3个多月才完成。1.1 仿真技术的产生与发展 系统仿真可以被理解为在对一个已经存在或尚不存在但正在开发的系统进行研究的过程中，为了了解系统的内在特性，必须进行一定的实验；而由于系统不存在或其它一些原因，无法在原系统上直接

5、进行实验，只能设法构造既能反映系统特征又能符合系统实验要求的系统模型，并在该系统模型上进行实验，以达到了解或设计系统的目的。1.1 仿真技术的产生与发展 系统仿真的三个要素：系统，系统模型和实验。系统是问题的本源，是系统分析的目的；实验是解决问题达到目的的手段；系统模型则是连接系统和实验(目的和手段)之间的桥梁。1.1 仿真技术的产生与发展 系统仿真方法的研究和应用：第一阶段：古代朴素的仿真思想萌芽：通过构造模型并进行实验从而获得系统特性。例如：古代的桁梁式建筑屋顶。第二阶段：19世纪末20世纪初:随着电子技术的发展，人们开始利用模拟电路去研究工业控制过程中的实际问题，（即现代控制理论）也就是

6、以模拟电路作为工业控制系统的模型，通过对模型的实验，来解决实际控制过程中的问题。还有比如:(1)将按一定比例缩小的飞行器模型置于风洞中吹风,测出飞行器的升力、阻力、力矩等特性；(2)要建设一个大水电站,先建一个规模缩小的小水电站来取得建设水电站的经验及其运行规律.(3)指挥员利用沙盘来指挥一个战役或一个战斗.1.1 仿真技术的产生与发展 这些都是利用实物去构造与实际系统成比例的物理模型。在模型上进行试验。（有些实验是由破坏性的，每次实验都要重新构造模型，带来了很大的麻烦和浪费）第三阶段：现代仿真技术：随着计算机的诞生，仿真与计算机技术紧密结合，现在所讲的仿真一般就是计算机仿真。随着计算机的发展

7、，仿真技术也取得了飞速发展。1.1.1 仿真软件的发展 仿真软件泛指一类面向仿真用途的应用软件。特点：面向问题和面向用户。主要功能：模型描述的规范及处理、仿真实验的执行和控制、仿真 结果的分析和演示、模型和数据的存储和检索。根据功能分为以下三大类:仿真程序包、仿真语言和仿真环境。仿真软件的发展阶段：历史上第一个仿真软件是1955年由塞尔弗里奇开发的。主要是完成了用辛普森积分的方法进行数值积分的仿真程序设计。之后仿真软件的发展经历了以下四个阶段;1.1 仿真软件的发展 第一阶段：20世纪50年代到60年代初期，通用程序设计语言阶段（以Fortran语言为代表，Fortran语言是达到成熟的第一个

8、高级语言）第二阶段：20世纪60年代到70年代，出现了多种仿真程序包括初级的仿真语言。主要针对利用数字仿真方法求解常微分方程。比较典型的有1964年IBM公司的G.戈登开发的高度结构化的利用进程交互方法进行排队问题仿真的专用仿真语言GPSS(general purpose simulation system)第三阶段：20世纪70年代到80年代初期，高级完善的商品化仿真语言。其完善表现在以下几个方面;1.1 仿真软件的发展 (1)模型的表达能力 (2)数值性能和算法 (3)语言的结构特征 (4)模型验证 (5)数据管理和处理能力 (6)程序执行方式 (7)输入输出特性例如：CSSL-IV(求解

9、常微分方程)、ASCL(advanced continuous simulation)(求解差分方程)、以及Simscript1.5(用于离散事件的可以用类似自然语言自由格式描述系统模型)和SLAM（随机网络建模）仿真语言。1.1.1 仿真软件的发展 第四阶段：20世纪80年中期，一体化建模与仿真环境的研究。当时的主要背景是：(1)随着建模与仿真要求的提高，以开发的软件经常不能协调工作。(2)对仿真语言的要求越来越复杂。(3)存在大量的数据处理及文档化工作。(4)不同的用户对仿真工具有不同的要求 一体化建模与仿真环境的主要性能表现在:(1)支持建模与仿真的全寿命周期活动。(2)集成化程度高。(

10、3)方便友好的用户接口。(4)初步的知识处理能力。(5)模型与仿真的质量保证措施。(6)开放性 1.1.1 仿真软件的发展 在当今市面上，仿真可使用专用软件来实现。下面列举了一些仿真软件：20-sim、arena、Automod、Awesim、Easy5、Idef、Intrax、Manufacturing Engineering、Matlab、Modsim、Promodel、Prosolvia、Quest、SDI supply chain 以及Witness。Witness：该软件提供离散事件仿真。该软件具备的多种工具使得对自动化制造系统进行仿真非常容易。周转时间、损坏模式和定时，调整模式和定

11、时，缓冲设备容量和保存时间，机器类型等连同路径信息都为仿真提供了方便性。该软件还包括物料流动优化，虚拟现实功能，有效地物流流动可以最小化设备间物料和产品流动的费用。1.1.2 仿真建模方法学的发展 仿真就是在系统模型上进行实验的过程。利用计算机进行仿真就必须先建立能够被计算机识别并能在计算机上进行运行的系统模型。仿真的两个主要方面：建立准确的系统模型、获得正确的仿真结果。系统系统模型模型计算机计算机建立系统模型建立系统模型建立仿真模型建立仿真模型仿真实验仿真实验 1.1.2 仿真建模方法学的发展 早期计算机仿真的对象是对工程技术领域中的实际物理过程进行仿真。(以时间为基准的数学模型：连续时间模

12、型和离散时间模型。（常微分方程、偏微分方程和差分方程）进人70 年代，仿真逐步向政治、经济、军事等社会科学领域渗透。（离散事件逻辑图和网络图模型）（静态模型向动态模型(其仿真策略：事件调度法、活动扫描法、进程交互法）过渡）1.1.3 系统建模与仿真的发展趋势1.仿真技术已经取得的成果和缺陷。2，发展方向：一体化建模和仿真环境 1.1.3 系统建模与仿真的发展趋势 3.新的研究热点 1)面向对象仿真（object-oriented simulation,OOS)面相对象的仿真从人类认识世界的模式出发，可以使问题空间和求解空间 相一致，使仿真框架自然直观并且具有可维护性和可重用性。2）定性仿真（q

13、ualitative simulation,QS)由于传统的定量数字仿真的局限，对于复杂系统必须引入定性仿真，力求非 数字化，以非数字化的手段处理信息的输入、建模、行为分析和结构输出，通过定性模型推导定性行为的描述 3）智能仿真(intelligence simulation,IS)以知识为核心和人类思维行为为背景，引入整个建模仿真过程构造 1.1.3 系统建模与仿真的发展趋势 能仿真平台。其开发途径：人工智能和仿真技术的集成化。4）分布交互仿真(distributed interactive simulation,DIS)就是通过计算机网络将分散在各地的仿真设备互联，构成时间与空间相互耦合的

14、虚拟仿真环境。其中的关键技术是网络技术(基础）、支撑环境技术（核心)、组织和管理(信号）。5）可视化仿真(visual simulation,VS)通过为仿真过程和结果增加文本提示、图形、图像、动画表现、是仿真过程更加直观，结果更易理解，并能验证仿真过程是否正确。动画仿真。1.1.3 系统建模与仿真的发展趋势 6）多媒体仿真(MS)在可视化仿真的基础上再加入声音，就可以实现多媒体仿真。是对传统意义上数字仿真概念内涵的扩展和延伸。利用系统分析的原理和信息技术，以更加接近自然的多媒体形式建立描述系统内在变化规律的模型，并在计算机上以多媒体的形式再现系统动态演变的过程，从而获得有关系统的感性和理性认

15、识。7）虚拟现实仿真(VRS)在多媒体仿真的基础上强调三维动画、交互功能、支持触、嗅、味知觉，从而得到VRS系统。虚拟现实是由计算机全部或部分生成的多位感觉环境，给参与者产生多种感觉信号，1.1.3 系统建模与仿真的发展趋势 使参与者有身临其境的感觉。能体验、接受和认识客观事物。8）Internet网上仿真Internet的迅速崛起，利用面向对象的互联网程序语言Java,开发了多种面向WWW的仿真系统，比如:Simkit分布式仿真系统。近年来利用面向WWW的程序语言开发离散事件的仿真系统、基于WWW的仿真建模以及互联网上的仿真运行已经成为系统仿真研究的热点1.2 计算机仿真在生产物流中的应用计

16、算机仿真技术贯穿于产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周期。阶 段 计算机仿真的应用 概念设计概念设计产品动力学分析（应力分析、强度分析）产品动力学分析（应力分析、强度分析）产品运动学仿真（机构之间的连接与碰撞）产品运动学仿真（机构之间的连接与碰撞）细节设计细节设计刀位轨迹仿真刀位轨迹仿真加工过程的仿真加工过程的仿真装配仿真装配仿真 加工制造加工制造制造车间设计制造车间设计生产计划及作业调度制定，各级控制设计，故障生产计划及作业调度制定，各级控制设计，故障处理处理 测试测试测试用仿真器测试用仿真器 培训培训/维护维护训练用仿真器训练用仿真器 销售销售供应链仿真器供应链仿真器1.2 计算机仿真

17、在物流生产中的应用从发展历程看，计算机仿真技术的应用领域从传统的制造领域向产品设计开发和销售领域扩展。先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提供了新的舞台，也提出了更高的要求。目前，仿真技术应用具有以下特点和趋势：1）仿真技术的应用范围空前的扩大；2）与网络技术结合带来的仿真的分布性；3）与图形和传感器相结合，使仿真的交互性大大 强；4）仿真技术应用的集成化。1.2.1 计算机仿真在生产管理控制技术 策略中的应用用于生产管理控制策略的仿真包括确定有关参数以及用于不同控制策略之间的比较。常见的控制策略有：1)MRP（Materials Requirement Planning)：是一种“推”式的

18、控制策略，通过需求预测，综合考虑生产设备的能力、原材料可用量和库存量来制定生产计划。2）KANBAN（看板）：是一种“拉”式的控制策略，根据订单来制定生产计划，即通常所说的准时生产。3）LOC：面向负载能力的控制策略。根据库存水平来控制生产过程。4）DBR：面向瓶颈的控制策略。根据生产过程中的瓶颈环节来控制整个流程。每种控制策略中需要确定的参数包括：批量的大小、看板的数量、库存水平等比较的衡量指标一般包括产量、生产率等。1.2.2 计算机仿真在制造车间设计中的应用整个车间的设计分为两个阶段：初步设计阶段：研究用户的需求，然后由此确定初步设计方案；在此阶段，可以在仿真程序中包含经济效益分析算法，

19、运行根据此设计方案建立的仿真模型给出的评价信息如下：（1)新车间中生产的产品类型和数量是否满足用户要求?(2)产品的质量和精度能否满足要求？（3）新车间的效率和投资回收率是否合理？细节设计阶段：在初步设计的基础上，提出对车间各个组成单元的详尽而完整的描述，使设计结构能够达到进行试验和投产决策的程度。即确定设备、刀具、夹具、托盘、物料处理系统车间布局等。此阶段使用仿真技术可以对候选方案做出以下评价：1.2.2计算机仿真在制造车间设计中的应用 （1)在制造主要零件时，车间中的主要加工设备是否能够得到充分的利 用?负载是否平衡？(2)物料处理系统是否能和车间的柔性程度相适应？（3）新车间的整体布局是

20、否能够满足生产调度的要求？是否具有一定的 可重构能力？（4）发生故障时，车间生产系统能否维持一定的生产能力？目前用于车间制造设计的成熟的软件主要有：PURDUE大学开发的GCMS、清华大学开发的IMMS等。1.2.3 计算机仿真在制造车间运行中的应用FMS(Flexible Manufacture System)中的调度问题可定义为分配和协调可获得的生产资源，如加工机器、自动引导运输工具AGV(Automated Guided Vehicle、机器人以及加班时间等以满足指定的目标。这些目标主要是满足交货日期、产量达到最大，机器的利用率达到最高，或上述目标的组合。FMS中的调度过程包括：1）选择

21、进入FMS 的工件；2）为工件加工选择加工路线；3）选择在机器上进行加工的工作；4）为AGV选择派遣规则仿真方法主要就是以上方面对调度问题的分析和评价。1.2.4计算机仿真在库存管理中的应用在整个生产系统中，库存子系统起着重要的作用。按照库存材料在生产线中的作用可分为在线仓库和中央仓库。按照库存材料的性质可分为原材料及外购件库、在制品库、成品库和维修备件及工具库。库存控制的目的在于是库存投资最少，且满足生产和销售的要求。对于库存管理的仿真主要包括：1）确定订货策略；2）确定订货点和订货批量 3）确定仓库的分布；1.2.5计算机仿真在产品开发过程中的应用产品开发过程分为：概念设计、细节设计、评审

22、和再设计等阶段。每个阶段又可以进一步细分，如详细设计阶段又可分为总体CAD、零部件CAD、计算机辅助工程、可制造性设计、可装配性设计等。为了减少产品的开发周期，降低开发成本，需要将上述过程所用的各种工具集成起来，以实现并行作业。产品开发过程的仿真就是用于模拟上述各种方案，从中选择集成的最优方案。仿真的指标包括：进度、资源和成本等。1.2.6计算机仿真在供应链中的应用产品价值链上的商业伙伴间的合作和协调是虚拟企业的核心概念之一，因此供应链管理是其研究和开发的主要焦点。供应链管理涉及整个产品价值链上事务过程的集成，供应链：供应商、制造商、销售商和用户。他被认为是虚拟企业业务流程集成的关键所在。对供

23、应链进行分析和设计的两个主要仿真器：1）在Arena仿真平台上开发的单机后勤链仿真器。2）基于Internet 的虚拟企业内供应链集成仿真环境。包括在线的 internet应用和离线的信息管理两个模块。1.2.7计算机仿真在生产物流中的应用实例演示 应用实例一演示 应用实例二演示 应用实例三演示 应用实例四演示 应用实例五演示系统仿真是针对真实系统建立相关模型，用模系统仿真是针对真实系统建立相关模型，用模型代替真实系统进行各种实验，从而进行系统性能研型代替真实系统进行各种实验，从而进行系统性能研究的方法。究的方法。成功的系统仿真模型能直接或间接地反复效仿成功的系统仿真模型能直接或间接地反复效仿

24、出真实系统的各种静态、动态活动，记录动态过程的出真实系统的各种静态、动态活动，记录动态过程的瞬间状况，并提供研究分析系统所需的数据，使人们瞬间状况，并提供研究分析系统所需的数据，使人们通过分析模型，了解并把握系统运行的本质规律。目通过分析模型，了解并把握系统运行的本质规律。目前，系统仿真一般指使用计算机建立和运行系统模型，前，系统仿真一般指使用计算机建立和运行系统模型，通过计算机演示系统中有关要素的变化状况，模拟出通过计算机演示系统中有关要素的变化状况，模拟出真实系统运行的状况及随时间变化的规律，在计算机真实系统运行的状况及随时间变化的规律，在计算机上实现所要进行的系统试验的全过程。上实现所要

25、进行的系统试验的全过程。1.3 系统仿真系统仿真概述概述通过对仿真模型运行过程的观察和统计，可收集有通过对仿真模型运行过程的观察和统计，可收集有关被仿真系统的各种变量的变化状况及参量数据，进行系关被仿真系统的各种变量的变化状况及参量数据，进行系统基本特性的研究。这些由计算机得出的数据和基本特性，统基本特性的研究。这些由计算机得出的数据和基本特性，结合真实系统经过进一步的统计分析，就可进行真实系统结合真实系统经过进一步的统计分析，就可进行真实系统的性能和实际参数值的估计和推断，进而反映出系统运行的性能和实际参数值的估计和推断，进而反映出系统运行的本质规律，做出建立和改进个系统的决策。就如同飞机的

26、本质规律，做出建立和改进个系统的决策。就如同飞机驾驶操纵的计算机模拟系统，驾驶操纵的计算机模拟系统，列车操纵运行模拟系统列车操纵运行模拟系统等等。等等。概述概述1.3 系统仿真系统仿真应用实例：列车操纵运行模拟系统应用实例：列车操纵运行模拟系统所以，计算机系统仿真是对真实系统的一种模所以，计算机系统仿真是对真实系统的一种模仿活动仿活动,是用计算机的技术功能，从建立仿真模型的目是用计算机的技术功能，从建立仿真模型的目的出发，通过计算机语言对真实系统进行一种抽象的、的出发，通过计算机语言对真实系统进行一种抽象的、本质的描述，这种描述与人们为系统建立模型紧密联本质的描述，这种描述与人们为系统建立模型

27、紧密联系在一起。系统、模型、仿真是计算机仿真的三个基系在一起。系统、模型、仿真是计算机仿真的三个基本构成。本构成。概述概述（1 1）系统）系统系统系统是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。是指相互联系又相互作用着的对象的有机组合。划分为：工程系统和非工程系统。划分为：工程系统和非工程系统。非工程系统非工程系统：指自然和社会在发展过程中形成的，：指自然和社会在发展过程中形成的，被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系被人们在长期的生产劳动和社会实践中逐渐认识的系统。例如社会、经济、管理、交通、生物系统等属于统。例如社会、经济、管理、交通、生物系统等属于非工程系统。非工程系统。工程系统工

28、程系统：指人们为满足某种需要或实现某个预：指人们为满足某种需要或实现某个预定的功能，利用某种手段构造而成的系统。工程系统定的功能，利用某种手段构造而成的系统。工程系统的例子非常多，如机械、电气，动力、化工、武器系的例子非常多，如机械、电气，动力、化工、武器系统等。统等。1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念系统的三个要素：实体：实体：指组成系统的具体对象。系统中的指组成系统的具体对象。系统中的各个实体既具有一定的相对独立性，又相互联各个实体既具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体。系构成一个整体。属性：属性：指实体所具有的每一项有效特性。指实体所具有的每一项有效特性。活

29、动：活动：指随着时间的推移、在系统内部由指随着时间的推移、在系统内部由于各种原因而发生的变化过程。于各种原因而发生的变化过程。1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念系统的特点：系统是在不断地运动、发展、变化的；(状态变量）状态变量）系统不是孤立存在的；（系统环境、系统边界）（系统环境、系统边界）系统在某些条件下是可以分解可以分解的。系统研究的主要方面：系统分析、系统综合、系统预测等方面。研究系统首先需要描述清楚所研究系统的实体、属性、活动和环境。因为系统的概念不仅与实体有关。而且与研究者的目的有关，只有对实体、属性、活动、环境做了只有对实体、属性、活动、环境做了明确的描述之后

30、，系统才是确定的。明确的描述之后，系统才是确定的。1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念系统的实例分析：1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念飞机自动驾驶系统工厂管理系统陀螺陀螺控制器控制器 机体机体给定航向给定航向实际航向实际航向管理部门管理部门用户订单用户订单原材料原材料产品产品采购部门采购部门制造部门制造部门装配部门装配部门销售部门销售部门（2 2）模型）模型定义：定义：为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系为了达到系统研究的目的，用于收集和描述系统有关信息的实体。统有关信息的实体。模型是对相应的真实对象和真实关系中那些有用的和模型是对相应的真实对象

31、和真实关系中那些有用的和令人感兴趣的特性的抽象，是对系统某些本质方面的令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提供被研究系统的信息。描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的信息。模型在所研究系统的某一侧面具有与系统相似的数学模型在所研究系统的某一侧面具有与系统相似的数学描述或物理描述。从某种意义上说，模型是系统的代描述或物理描述。从某种意义上说，模型是系统的代表，同时也是对系统的简化。另一方面，模型应足够表，同时也是对系统的简化。另一方面，模型应足够详细，以便从模型的实验中取得关于实际系统的有效详细，以便从模型的实验中取得关于实际系统的有效结论。结论。一般来说，系

32、统模型的结构具有相似性、简单性、一般来说，系统模型的结构具有相似性、简单性、多面性等性质。多面性等性质。1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念 一般来说，系统模型的结构具有相似性、简单一般来说，系统模型的结构具有相似性、简单性、多面性等性质。性、多面性等性质。例如：例如：。1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念MBK tF tERL 2222d xdxMBKxF tdtdtd qdqLRCqE tdtdt1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念-表表2-12-1模型分类模型分类模型描述变量的轨迹模型形式变量范围模型的时间集合连续离散空间连续变

33、化模型偏微分方程连续时间模型空间不连续变化模型常微分方程差分方程离散时间模型离散（变化）模型有限状态机马尔可夫链活动扫描连续时间模型事件调度进程交互（3 3）仿真）仿真给出一个系统的数学模型之后，有时用分析手段就直给出一个系统的数学模型之后，有时用分析手段就直接可以求解系统有关的信息，但是当不能应用分析法接可以求解系统有关的信息，但是当不能应用分析法的时候，就需要应用仿真方法求解。的时候，就需要应用仿真方法求解。系统、模型、仿真三者之间的关系：系统、模型、仿真三者之间的关系：系统是研究对象，模型是系统特性的描述，仿真则包系统是研究对象，模型是系统特性的描述，仿真则包含建立模型及对模型进行实验两

34、个过程。含建立模型及对模型进行实验两个过程。1.31.3.1.1系统仿真的常用概念系统仿真的常用概念1.根据模型的类型（物理属性）分类根据模型的类型（物理属性）分类 系统仿真可以分成物理仿真、数学仿真和物理系统仿真可以分成物理仿真、数学仿真和物理-数学仿真。数学仿真。物理仿真物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并：按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并 在在 物理模型上进行实验；物理模型上进行实验；物理仿真的优点是：直观、形象，也称为物理仿真的优点是：直观、形象，也称为“模拟模拟”。物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验限制多，投资较大。物理仿真的缺点是：模型改变困难，实验

35、限制多，投资较大。数学仿真数学仿真：而按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，并：而按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，并 在数学模型上进行实验；在数学模型上进行实验；数学仿真的特点是经济、方便。数学仿真的特点是经济、方便。计算机为数学模型的建立与实计算机为数学模型的建立与实 验提供了较大的灵活性，目前数学仿真一般就是在计算机上建验提供了较大的灵活性，目前数学仿真一般就是在计算机上建 立系统的数学模型并进行实验。因此数学仿真通常也称为立系统的数学模型并进行实验。因此数学仿真通常也称为计算机计算机 仿真仿真。1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类 物理物理-数学仿真数学仿真：把系统的一

36、部分写成数学模型，而另一部：把系统的一部分写成数学模型，而另一部 分则分则 构造构造 其物理模型，然后将它们联接成系统模型进行其物理模型，然后将它们联接成系统模型进行 实验，也称为半实物仿真。实验，也称为半实物仿真。2.根据仿真中所用根据仿真中所用计算机的类型计算机的类型，计算机仿真又可以分为模拟，计算机仿真又可以分为模拟仿真，数字仿真和混合仿真。仿真，数字仿真和混合仿真。模拟模拟(计算机）仿真计算机）仿真是基于数学模型相似原理上的一种方法，是基于数学模型相似原理上的一种方法，仿真的主要工具是仿真的主要工具是模拟计算机模拟计算机，模拟计算机本质上是一种，模拟计算机本质上是一种通用通用的电气装置

37、的电气装置，这是，这是5060年代普遍采用仿真设备。将系统数学年代普遍采用仿真设备。将系统数学模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。模拟仿模型在模拟机上加以实现并进行实验称为模拟机仿真。模拟仿真的特点是直观、运算速度快，但精度较差。真的特点是直观、运算速度快，但精度较差。（并行仿真）（并行仿真）数字（计算机）仿真数字（计算机）仿真基于数值计算原理，仿真的主要工具基于数值计算原理，仿真的主要工具是是数字计算机和仿真软件数字计算机和仿真软件。数字仿真自动化程度高，具有复杂。数字仿真自动化程度高，具有复杂逻辑判断的能力，而且可以获得较高的精度。逻辑判断的能力，而且可以获得较高的精度。（串行

38、仿真）（串行仿真）1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类模拟仿真模拟仿真模拟仿真的运算器模拟仿真的运算器质量质量-阻尼阻尼-弹簧系统的弹簧系统的 模拟仿真图模拟仿真图1uouiuiuououououiuiu2u3uiopuutiodtuTu01332211upupupuoaioauu iZoZiioouZZuxdtdx22dtxd)(tF0 x0混合仿真是将模拟仿真和数字仿真相结合的一是将模拟仿真和数字仿真相结合的一种方法，仿真的主要工具是混合计算机系统。混合仿种方法，仿真的主要工具是混合计算机系统。混合仿真兼备模拟仿真和数字仿真的优点，可以快速地进行真兼备模拟仿真和数字仿真的优点，可以快速

39、地进行多次仿真研究，因此特别适用于参数寻优，统计分析多次仿真研究，因此特别适用于参数寻优，统计分析等方面的应用，尤其是在复杂系统的实时仿真方面体等方面的应用，尤其是在复杂系统的实时仿真方面体现出极大的优越性。现出极大的优越性。3.根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类：根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类：实时仿真：仿真时钟与实际时钟完全一致（在线仿真）：仿真时钟与实际时钟完全一致（在线仿真）（模型仿真速度（模型仿真速度 和实际系统运行速度相同）和实际系统运行速度相同）亚实时仿真：仿真时钟慢于实际时钟（离线仿真）：仿真时钟慢于实际时钟（离线仿真）超实时仿真：仿真时钟快于实际时钟：仿真时钟快于实际

40、时钟1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类 4.4.根据仿真的研究对象根据仿真的研究对象，系统仿真可以分成：系统仿真可以分成：CVDS(Continuous Variable Dynamic Systems)连连 续（变量动态）系统。续（变量动态）系统。DEDS(Discrete Event Dynamic Systems)离散事件（动态）系统。离散事件（动态）系统。HDS(Hybrid Dynamic Systems)混合（动态）系统。混合（动态）系统。连续系统是指系统的状态随时间连续变化的系统。这里要注是指系统的状态随时间连续变化的系统。这里要注意有些连续系统如数据采集系统的状态数据是在

41、离散时间点意有些连续系统如数据采集系统的状态数据是在离散时间点上获得的，是非连续的，但其状态本身则是连续变化的。连上获得的，是非连续的，但其状态本身则是连续变化的。连续系统的模型可以用一组连续的方程续系统的模型可以用一组连续的方程(常微分或偏微分）描述。常微分或偏微分）描述。集中参数系统模型集中参数系统模型:一般用常微分方程（组）描述。（如一般用常微分方程（组）描述。（如 电路系统，机械动力学系统，生态系统等）电路系统，机械动力学系统，生态系统等）分布参数系统模型分布参数系统模型:一般用偏微分方程（组）描述。如各一般用偏微分方程（组）描述。如各 种物理和工程领域中的种物理和工程领域中的“场场”

42、的问题。的问题。1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类常用的连续系统的三种数学模型：微分方程模型、传递常用的连续系统的三种数学模型：微分方程模型、传递函数模函数模 型、状态空间模型。型、状态空间模型。连续系统系统（CVDS）实例1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类离散事件系统的特点是系统的状态变化只在离散的时间点上发的特点是系统的状态变化只在离散的时间点上发生，且发生时刻往往是随机的，系统的状态变化是由随机事件生，且发生时刻往往是随机的，系统的状态变化是由随机事件驱动的。如交通管理、库存控制、通信系统、物流系统等。这驱动的。如交通管理、库存控制、通信系统、物流系统等。这类系统的动态特性很

43、难用人们熟悉的数学方程形式加以描述，类系统的动态特性很难用人们熟悉的数学方程形式加以描述，一般只能借助于流程图或活动图。研究的主要目标是系统行为一般只能借助于流程图或活动图。研究的主要目标是系统行为的统计性能，而不是行为的点轨迹。的统计性能，而不是行为的点轨迹。1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类离散事件系统实例1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类A n A irport离散事件系统实例1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类A Typical DEDS TrajectorytimeDiscrete statex1x2x3x4x5e1e2e4e5e6e3HoldingtimeSTATE

44、S are piecewiseconstantHOLDING TIMES aredeterministic/randomEVENTS triggers statetransitionTRAJECTORY definedby(state,holding time)sequence离散事件系统实例1.31.3.2.2仿真的分类仿真的分类Comparison with a CVDS TrajectorytimeDiscretestatedx/dt=f(x,u,t)Hybrid System:can hideeach stateCVDS behavior离散事件系统实例1.31.3.2.2仿真的分类仿

45、真的分类Historical Perspective on the Control andOptimization of DEDS and CVDSHistory for CVDS:Development ofmechanics forCVDSSelf regulatinggovernor for steamenginesWWII Servo-mechanismModerncontrol theoryand practice1940History of DEDS:Birth of OREmergence ofhuman madesystemsTheoreticalfoundations&pra

46、ctical successstories19451970spresent计算机仿真就是采用计算机对数学模型进行仿真实计算机仿真就是采用计算机对数学模型进行仿真实验。验。现代的仿真系统主体现代的仿真系统主体(包包 括硬件和软件括硬件和软件)都离不开计算机，都离不开计算机，计算机仿真方法主要解决下述两个问题：计算机仿真方法主要解决下述两个问题：1）提供计算机能够接受的仿真模型；）提供计算机能够接受的仿真模型；2）提）提 供在计算机上运行计算和进行仿真研究的方法。供在计算机上运行计算和进行仿真研究的方法。计算机仿真摆脱了物理模型的传统概念，不同的数计算机仿真摆脱了物理模型的传统概念，不同的数学模型

47、可在同一台计算机上运行。而且由于可以对物理性学模型可在同一台计算机上运行。而且由于可以对物理性质截然不同的各种系统进行准确、灵活、可靠的研究，这质截然不同的各种系统进行准确、灵活、可靠的研究，这就使现代科学实验技术提高到了一个新的水平。就使现代科学实验技术提高到了一个新的水平。1.31.3.3.3计算机仿真计算机仿真计算机仿真技术的发展是与计算机应用和发展紧密联系的。计算机仿真技术的发展是与计算机应用和发展紧密联系的。计算机仿真计算机仿真的三要素及其关系：系统、模型、计算机的三要素及其关系：系统、模型、计算机。三个基本活动。三个基本活动。1.31.3.3.3计算机仿真计算机仿真系统模型 计算机

48、建立系统模型仿真试验建立仿真模型计算机仿真三要素及其关系 系统仿真的步骤：1）调研系统，明确问题（确定模型的边界)2）设立目标，收集数据。(模型进行形式化处理)3）建立仿真模型。(选择合适的算法，算法的稳定性、计算精度、计算速度)4）编制程序。（仿真模型用计算机能执行的程序来 描述。程序中要包括仿真实验的要求、仿真运行参数、控制参数、输出要求）5）运行模型，计算结果。(程序调试，检验所选仿真算法的合理、检验模型计算的正确性（Verification）)6）统计分析，进行决策。(对系统性能作出评价、模型可信性检验（Validation）只有可信的模型才能作为仿真的基础)1.31.3.4.4系统仿

49、真的一般步骤系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤流程图流程图1 1.3.3.4.4 系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤实例：机车运行仿真实例：机车运行仿真系统流程图系统流程图1.31.3.4.4系统仿真的一般步骤系统仿真的一般步骤待机状态 初始化运行环境 进行通讯？与车载微机装置联挂联挂成功否?设置仿真时钟运行完毕否？演示模拟运行系统开始模拟操纵控制数据处理数据传送进入安全推理区?x?是否到推理间隔？Y牵引计算预测距离计算安全推理置推理计数器为初始值Y运行结束YNNNY1.4本课程的主要内容上篇 生产系统建模与仿真的理论基础知识第1章 绪论 1.1 仿真技术的产生与发展 1

50、.2 计算机仿真在生产物流中的应用 1.3 系统仿真 第一章+连续系统的建模和仿真方法（参考书 齐欢）第2章 离散事件系统建模方法 第3章 离散事件系统仿真方法 第4章 随机数与随机变量的生成 （仿真的数学基础）1.4本课程的主要内容 下篇 基于Witness系统建模与仿真的实例 第5章 Witness仿真基础第6章 基于Witness的生产系统可视化建模与仿真第7章 典型生产系统的Witness仿真应用实例 7.1 排队系统（加工系统）7.2 库存系统 7.3 供应链系统 7.4 液体灌装线仿真设计 7.5 混合流水线系统仿真设计仿真思路：输入数据的分析 仿真的输出分析 第一章+连续系统建模