生产系统建模与仿真课件.ppt

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1、第四章制造系统建模方法4.1系统建模方法概述连续系统可以借助相关数学理论，对系统加以描述和求解。离散事件系统研究最早以排队现象和排队网络为对象。上世纪70年代前后，FMS、大规模计算机、网络通信、机场调度等复杂离散事件系统的相继出现，推动了离散事件动态系统（DEDS)理论的形成和发展。第四章制造系统建模方法DEDS系统的特征：①离散事件是构成系统的基本要素，也是导致系统状态演变并触发新的事件的基本原因。②离散事件发生的时刻受系统结构、参数、状态以及环境的共同影响，具有随机性和不确定性，使得系统状态的变化也具有不确定性。第四章制造系统建模方法③研究

2、DEDS的过程就是分析因离散事件发生而导致的系统状态演变的过程，研究的目标包括：控制不期望事件的发生，使事件按预定的时刻或顺序发生。④DEDS的运行和控制多基于人为的运行规则或决策逻辑，而不是物理学定律。第四章制造系统建模方法模型反映了系统结构、参数及其主要行为之间的关系，是系统设计、运行和控制的基础。模型的表征形式：数学方程、曲线、图表、程序、语言、数据集等。与连续系统相比，离散事件系统建模存在不少困难，主要表现在：①离散事件发生在某个时刻，具有离散性。第四章制造系统建模方法②离散系统的性能指标常具有离散特征，如制造系统的产量、零件的加工时间。

3、③系统中随机性因素和概率化特征普遍存在。④复杂离散系统常具有分层和递阶特征。如：企业生产计划：长期、中期和短期，组织结构：集团、公司、分公司、车间、班组等第四章制造系统建模方法对于复杂离散事件系统，为降低建模和分析的难度，通常将系统分解为若干既相对独立又相互作用的子系统。在完成局部和低层次系统建模的基础上，再构建整个系统模型。如进销存系统：采购子系统、销售子系统和库存管理子系统。第四章制造系统建模方法⑤存在状态爆炸性和计算可行性问题。离散事件系统的状态数量与系统变量之间呈排列组合的关系。一般地，系统状态随着系统规模按指数方式增加，存在“状态爆炸”

4、问题，由此导致模型求解时计算量的急剧增加，给模型的求解带来困难。第四章制造系统建模方法根据建模手段和目标，可以将DEDS模型分为三个层次：逻辑层次代数层次统计性能层次。第四章制造系统建模方法逻辑层次：分析和研究事件与系统状态的对应关系。主要数学工具：形式语言／有限自动机、活动循环图法、Petri网、马尔可夫链（Markovchain）等。代数层次：研究DEDS的代数特性和运动过程。主要数学工具：极大极小代数等第四章制造系统建模方法统计性能层次：研究随机条件下DEDS的统计性能特性及其优化问题。主要建模工具：排队论、库存模型、摄动分析法、半马尔可夫

5、过程等。第四章制造系统建模方法离散事件动态系统是一门处于发展中的学科。目前还没有形成统一的和具有普适性的建模理论与方法。本章以制造系统为主要建模对象，介绍几种体系较完整且得到较多工程应用的离散事件系统建模方法。第四章制造系统建模方法4.2活动循环图法4.2.1活动循环图法的基本原理活动循环图（ACD）法：以图形直观地显示系统状态及其变化，具有形象、便于理解和分析等特点，在制造系统（如作业车间、柔性制造系统等）中的应用较为广泛。第四章制造系统建模方法ACD（活动循环图法）实体状态循环发生变化，有静止（也称队列）和活动两种状态，且交替出现。以圆圈（○

6、）表示实体的静止状态以矩形（□）表示实体的活动状态以有向弧（→）表示状态与状态之间的转换。如系统中有多个实体时，用不同颜色或线型的有向弧，以区分不同的实体。第四章制造系统建模方法系统的状态是全部实体状态变化的集合。因此，单个实体的活动在ACD法中占有重要地位。当对象比较复杂、实体数目较多时，可以对系统建立不同层次的ACD模型，将高层次模型进一步分解为低层次的模型。第四章制造系统建模方法4.2.2ACD法的建模方法与建模过程一个活动的发生要满足条件：所有前置队列（进入活动的实体队列）中都具有符合规则的、足够数量的令牌（token）。一个活动可以同时

7、发生多起（如生产车间中几台机床同时处于加工活动）活动持续时间可以是常数，或随机数，或者按照某种规律变化。第四章制造系统建模方法在绘制活动循环图时，可将实体按照某种行为特征加以分类。例如，将机床分为“加工”与“空闲”状态，工人分为“工作”与“等待”状态等。另外，还可以对同类型的实体进行分类，如将机床分为“铣床”与“车床”，工人分为“操作工”和“维修工”等。第四章制造系统建模方法ACD法常用术语有：（1)实体（entity)。实体是指组成系统的各种要素，它是ACD中产生活动的主体。例如，FMS中的机床、工件、托盘、小车、机械手等。可用文字说明或不同线

8、型表示不同的实体。实体数量可在实体名称后用圆括号加数字说明。第四章制造系统建模方法（2)活动（activity)。活动表示实体正处于某种