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第六章自动化制造系统的计算机仿真•第一节计算机仿真的基本概念及意义•第二节计算机仿真的基本理论及方法•第三节自动化制造系统仿真研究的主要内容•第四节仿真语言介绍•第五节仿真实例第一节计算机仿真的基本概念及意义仿真仿真就是将所研究的对象用其它手段加以模仿的一种活动。{实物仿真非实物仿真如曹冲称象、军事演习、飞行器风洞试验、核爆炸试验等，属于实物仿真的例子。计算机仿真的基本概念计算机仿真计算机仿真是一种非实物仿真方法，是用计算机对一个系统的结构和行为进行动态演示,以评价或预测一个系统的行为效果,为决策提供信息的一种方法.它是解决较复杂的实际问题的一条有效途径。计算机仿真的基本概念计算机仿真通过建立数学模型、编制计算机程序实现对真实系统的模拟,从而了解系统随时间变化的行为或特性。计算机仿真的基本概念仿真举例计算机仿真反映出新的科学技术的时代特征,它的应用为各个领域带来新气象和成果。应用的领域有：航空管理,公交车的调度,飞机设计,动画设计,三峡的安全、生态,道路的修建,医疗保险,国债的发行,家居装修,炼钢的温度估计,发电厂的操作训练,飞行员训练，鼠疫的检测和预报。计算机仿真的基本概念黑死病菌寄生于老鼠身上,是由跳蚤传染给人类，又叫鼠疫。病菌随着跳蚤叮咬进入人体，约2-5天的潜伏期之后，患者鼠蹊部及其他淋巴结开始红肿、疼痛，随之开始发高烧、疲倦、皮肤变黑，故被称为黑死病。死亡率高达60-90%……鼠疫的传播计算机仿真的基本概念最原始的生化武器1346年，蒙古大将去攻打黑海边富庶的卡法城，久攻不下，这时蒙古军中发生鼠疫，士兵死亡无数，眼看就要无法而退了，这时蒙古将军想出一个方法，把死亡士兵的尸体用弹弩投入城中，迫使城中流行鼠疫，城门自然不攻而破。在城破时，一位意大利热内亚的富商，帶着妻小和金银珠宝乘船逃了出來。他在地中海各国漂流很久，沒有国家敢收留他们，大家都害怕鼠疫的传染。最后回到家乡热內亚，他把所有的财富全部推在甲板上，对着守城的人说：“我离开卡法城已经六個月了，我若感染鼠疫早就死了，但我并沒有死，可见我并沒有瘟疫。假如你让我进城，甲板上的珠宝就是你们的。”我们现在知道鼠疫是由老鼠身上的跳蚤传染的，通常老鼠躲在船底污秽处，人们不易察觉。热内亚人打开城门让这艘船进來后，鼠疫就从热内亚传播开来，传遍整个欧洲，包括北方的斯堪尼亚半岛都无法幸免。每天黃昏时有人推著独轮车，手里摇着铃喊着：“bringoutthedead,bringoutthedead..…”（把尸体拿出來，把尸体拿出來……）家家户户就把尸体搬出来丟到城外焚烧，说死尸如山是一点都不为过。鼠疫肆虐欧洲一百多年，使得三分之一的人口死亡。计算机仿真的基本概念欧洲鼠疫流行时死亡无数计算机仿真的基本概念鼠疫期间贵族纷纷弃城逃往计算机仿真的基本概念疫如此让人恐怖，那么有没有什么好的预测方式呢？计算机仿真就是一个很好的预测方法。研究发现，鼠疫是由老鼠身上一种特殊的跳蚤传播的。跳蚤的多少决定是否发生鼠疫跳蚤老鼠水草我们可以用计算机根据一个地区的气候模拟出当年此地水草的情况就可以预测出是否有鼠疫要发生。计算机仿真的基本概念三峡水库总库容393亿立方米，总装机容量1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿真就可以很好的解决这一问题。长江三峡工程计算机仿真的基本概念飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。实际的风洞试验费用巨大。使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。飞机设计计算机仿真的意义•便于重复进行试验，便于控制参数，时间短，代价小。•可以在真实系统建立起来之前，预测其行为效果，从而可以从不同结构或不同参数的模型的结果比较之中，选择最佳模型。•对于缺少解析表示的系统，或虽有解析表示但无法精确求解的系统，可以通过仿真获得系统运行的数值结果。•对于随机性系统，可以通过大量的重复试验，获得其平均意义上的特性指标。系统建模与仿真技术的特点仿真是分析、评价和优化系统性能的一种技术手段。与运筹学（优化）模型等相比，仿真模型无需对系统作过多简化，能更真实地反映系统结构和性能特征。优化模型通常仅给出优化结果，而仿真可以再现系统的动态运行过程。目前，数字化仿真已广泛应用于产品开发和制造系统研制过程中，成为系统方案论证、规划设计、参数及性能优化研究的有效工具。建模与仿真技术在制造系统中的作用：（1）有利于提高产品及制造系统的开发质量（2）有利于缩短产品的开发周期（3）有利于降低产品及制造系统的开发成本（4）可以完成复杂产品或系统的操作培训一、计算机仿真的一般过程明确问题和提出总体方案。把被仿真系统的内容表达清楚；弄清仿真的目的、系统的边界；确定问题的目标函数和可控变量；找出系统的实体、属性和活动等。系统分析建立模型；选择合适的仿真方法（如时间步长法、事件表法等）；确定系统的初始状态；设计整个系统的仿真流程图。收集数据；编写程序、程序验证；模型确认。模型构造第二节计算机仿真的基本理论及方法仿真研究的步骤运行：确定具体的运行方案,如初始条件、参数、步长、重复次数等,然后输入数据,运行程序。改进：将得出的仿真结果与实际系统比较,进一步分析和改进模型,直到符合实际系统的要求及精度为止。模型的运行与改进设计出结构清晰的仿真结果输出。包括提供文件的清单,记录重要的中间结果等。输出格式要有利于用户了解整个仿真过程,分析和使用仿真结果.设计格式输出仿真结果仿真研究步骤问题的阐述设置目标及完整的项目研究计划建立模型收集数据编程序程序验证模型确认试验设计运行与分析进一步运行仿真结束输出结果是是是是否否否否系统分析模型构造模型运行输出结果二、离散事件系统仿真的基本技术系统分类连续系统（continuoussystem）离散事件动态系统（DEDS）确定性系统（deterministicsystem）随机系统（stochasticsystem）静态系统（staticsystem）动态系统（dynamicsystem）白箱（whitebox）灰箱（greybox）黑箱（blackbox）微观模型（microscopicmodel）宏观模型（macroscopicmodel）集中参数模型（lumpedparametersmodel）分布参数模型（distributionparametersmodel）离散事件系统建模与仿真中的基本元素包括：1．实体（entity）：系统内的对象,构成系统模型的基本要素临时实体（temporaryentity）永久实体（permanententity）2．属性（attribute）：实体的状态和特性3．状态（state）：任一时刻，系统中所有实体的属性的集合4．事件（event）：引起系统状态变化的行为和起因，是系统状态变化的驱动力5．活动（activity）：指两个事件之间的持续过程，它标志系统状态的转移6．进程（process）：与某类实体相关的若干有序事件及活动组成，它描述了相关事件及活动之间的逻辑和时序关系7．仿真时钟（simulationclock）：用于显示仿真时间的变化，是仿真模型运行时序的控制机构！！！仿真时钟是指所模拟的实际系统运行所需的时间，而不是指计算机执行仿真程序所需的时间。常用的仿真时钟的推进机制：仿真时钟可以按固定的长度向前推进，也可以按变化的节拍向前推进，将仿真时钟变化的机制称为仿真时钟的推进机制（timeadvancemechanism）①固定步长时间推进机制（fixed-incrementtimeadvancemechanism）②下次事件时间推进机制（nexteventtimeadvancemechanism）③混合时间推进机制（mixedtimeadvancemechanism）8.规则（rule）：用于描述实体之间的逻辑关系和系统运行策略的逻辑语句和约定常用的规则：①先进先出（FirstInFirstOut，FIFO）②后进先出（LastInFirstOut，LIFO）③加工或服务时间最短（shortesttime）④按优先级（highestpriority）⑤随机（random）选择三、仿真建模的基本理论•(一）、模型的基本概念及分类–建模：通过观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用数学的方法对实际系统进行描述，从而获得简化近似模型的过程–在系统研究中，模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体–模型是用以产生行为数据的一组指令•由实际系统构造模型–建立模型结构（确定系统的边界，鉴别系统的实体属性和活动）–提供数据（使活动中的属性间建立确定的关系）•系统模型应有的性质–相似性——模型与系统在属性上具有相似的特性和变化规律–简单性——实用的前提下，越简单越好–多面性——同一系统可能有不同层次的多种模型模型的分类•常用分类–根据模型的时间集合：连续时间模型、离散时间模型–根据模型的状态变量：连续变化模型、离散变化模型•①真正的连续系统，对应模型一般为常微分和偏微分方程•②常称为采样系统，对应模型为离散时间的偏微分方程和系统动力学模型•③离散事件模型，用流程图、表等非数学模型形式表示•④差分方程模型，有限状态自动机，马尔可夫链模型时间连续时间离散状态连续状态离散①②③④数学模型一览表数学模型特征方程式随机模型系统有确定的输入时，得到的输出是不确定的随机方程确定模型确定输入得到确定的输出非随机方程微观模型系统在局部或瞬时范围内存在规律微分方程、差分方程宏观模型系统在全局或一段时间范围内存在规律联立方程、积分方程线性模型系统的输入输出满足齐次性和叠加性线性方程非线性模型系统的输入输出不满足齐次性和叠加性非线性方程数学模型特征方程式连续模型系统的输入输出是连续时间的函数微分方程等连续方程离散模型系统的输入输出是时间的整标函数差分方程集中参数模型系统的输入能立刻到达系统内各点常微分方程等分布参数模型系统的输入要经过一段时间才能传播到系统内各点偏微分方程定常系统输出的形状取决于输入形状，与输入时间无关常系数方程时变系统输出的形状与输入的形状和输入时间有关变系数方程非存储系统输出仅与同时刻的输入有关代数方程存储系统某时刻输出依赖于到该时刻为止的某区间上的输入非代数方程（二）、建模过程中的信息来源•建模过程的信息源建模先验知识建模目标实验数据模型应用达到目的•建模活动：获取有关信息源、建立数学模型、模型应用•三类信息源–建模目标：由系统的研究内容决定，如•研究系统与外界的相互作用关系：以输入输出为主的系统外部行为模型•研究系统的内在活动规律：描述系统输入/输出集合，状态集合之间关系的内部结构状态模型–先验知识•前人的研究成果：公理、原理、定理及模型等，相关学科知识–实验数据•先验知识常常是普遍性规律，实际系统有其特殊性，有时只知道模型结构，其参数必须通过实验确定，有时甚至结构也是未知的•三者都可以用于模型检验，建模过程一般反复进行，直至达到建模目的（三）建模方法（主要由信息源决定）•演绎法：从一般到特殊–运用先验信息，建立某些假设和原理–通过数学的逻辑演绎建立数学模型–实验数据用来证实或者否定原始的原理•归纳法：从特殊到一般–基于实验数据建立数学模型–推导与观测一致的具有普遍性的理论结果–需要对数据进行内插或外推•工程应用中多为混合建模方法建模先验知识建模目标实验数据可信度分析最终模型归纳程序演绎分析目标协调模型可信性模型的真实程度，取决于模型种类及构造过程，与模型的有效性相对应。•在行为水平上的可信性：模型能否重现真实系统的行为•在状态结构水平上的可信性：模型能否与真实系统在状态上相互对应，应能对未来的行为进行唯一的预测•在分解结构水平上的可信性：模型能否表示出真实系统的内部的工作情况，而且应是唯一的表示第三节自动化制造系统仿真研究的主要内容•研究基于计算机的建模理论的目标：在交互式计算机的扶助下，使系统建模过程进行得更加有效、现实和高速•支持建模与仿真的计算机系统的基本功能–能对已知事实及已有模型作恰当的存储，即能处理各种局部模型–通过人机交互，对局部模型进行继承和综合