机械设计制造及其自动化与高数的关系

机械设计制造及其自动化与高数的关系高数十二班21号机自2班王一环机械设计制造及其自动化是一门研究机械的学科，是一个教你如何制造机器的专业。

高数，顾名思义，它是数学，是一门研究数字的学问。

来到大学，我们首先要学的就是高数，很多人就对此产生了疑问，为什么学机械要先学高数，以后用得上吗。

其实，高数在机械方面用处很大，下面我举一个简单的例子来说明一下，高数在机械设计制造及其自动化上的用途。

机械加工厂生产7种产品（产品1到产品7）。

该厂有以下设备：四台磨床、两台立式钻床、三台水平钻床、一台镗床和一台刨床。

每种产品的利润（元/件，在这里，利润定义为销售价格与原料成本之差）以及生产单位产品需要的各种设备的工时（小时）如下表。

表中的短划表示这种产品不需要相应的设备加工。

从一月份至六月份，每个月中需要检修的设备是（在检修的月份，被检修的设备全月不能用于生产）：每个月各种产品的市场销售量的上限是：四月200 300 400 500 200 0 100五月0 100 500 100 1000 300 0六月500 500 100 300 1100 500 60每种产品的最大库存量为100件，库存费用为每件每月0.5元，在一月初，所有产品都没有库存；而要求在六月底，每种产品都有50件库存。

工厂每天开两班，每班8小时，为简单起见，假定每月都工作24天。

生产过程中，各种工序没有先后次序的要求。

问题1：制定六个月的生产、库存、销售计划，使六个月的总利润最大。

问题2：在不改变以上计划的前提下，哪几个月中哪些产品的售价可以提高以达到增加利润的目的。

价格提高的幅度是多大？问题3：哪些设备的能力应该增加？请列出购置新设备的优先顺序。

问题4：是否可컥通过调整现设备的检修计划来提高利润？提出一个新的设备检修计划，使原来计划检修的设备在这半年中都得到检修而使利润尽可能增加。

最优设备检修计划问题对案例3中的生产计划问题。

构造一个最优设备检修计划模型，使在这半年中各设备的检修台数满足案例3中的要求而使利润为最大。

2．模型假设与说明(1).假设工厂工人每月工作24天；(2).在进行部分产品价格上调时，机器设备的检修方案不变；(3)在优化检修设备方案时，产品的价格是上涨后的价格。

3．符号说明i: 表示产品；j: 表示月份；m: 表示机器设备；Aij: 表示第i中产品在第j个月的产量；Bij: 表示第i中产品在第j个月的库存量；Cij: 表示第i中产品在第j个月的销售量；Dmi: 生产i中产品需要的m种设备时间；Emj: m中设备在第j月的使用时间；Fij：第i中产品在第j月的销售上限；Pi: 第i中产品每件的利润；4．问题分析和模型建立4.1 模型分析4.1.1本题要求制定出六个月的生产、库存、销售计划并求出总利润，为了增加利润，将产品的售价提高，求出提高的价格幅度，增加设备的能力，并购置新设备，调整设备的检修方案以增加利润。

利润=售价-成本价-产品的库存费用。

此题目中没有给出产品的成本价，因此，我们在求最大利润是直接用产品的销售总价减去产品的库存费用。

由于工厂每天开两班，每班8小时，假定每月工作24天，结合检修计划表，由此可以算出每种机器设备每月的使用时间（矩阵Emj ，求解如下），建立一个机器生产设备使用的约束条件，每种产品每个月的库存量小于等于100,并要求在第六个月底，每种产品都有50件库存，可以建立两个库存约束条件。

产品在销售时，每月的产品销售量为当月的产量加上上月的库存量要小于销售上限。

由于第一月无上月的库存量ﾌ故直是캧品캧产量岏于销售亊限。

建立销單的约束件。

利用lingo 建立一个整形规划的数学模型。

4.1.2提高部分产品的销售价来提高总利润。

利用（1）中的建立的模型球的的解，进行灵敏度分析来解答。

将“General Solver ”选项卡中的“Dual Computation ”下拉项修改为“Prices & Ranges ”。

然后，我们点“Solve ”运行程序，运行完之后，回到模型界面，点击“lingo ”菜单下的“range ”选项可以进行灵敏度分析。

4.1.3增加设备的能力来提高利润，通过看影子价格来求出答案。

4.1.4由于设备要定时的检修，在检修时设备无法使用，我们可以优化设备检修计划来增加利润。

4.1.5 利用（2）求出的增加部分产品的价格和（4）优化的机器设备的检修方案。

重新建立模型。

进行求解。

4.2 模型建立在求解总利润时，建立目标函数76761111z (*)0.5*iji iji j i j Cp B=====-∑∑∑∑把i p =10 6 3 4 1 9 3带入目标函数中得6666max (B )*10B )*6B )*3B )*1162263364461111z A A A A j j j j j j j j =-+-+-+-∑∑∑∑====666764B )*1B )*9B )*30.5*B 55666677611111A A A j j j ij j j j i j +-+-+--∑∑∑∑∑=====设备时间约束为 *mi ij mj D A E <= (1)库存约束为（2）650Bi >= （3）销售约束为111i i i A B F -<= （4）1C ij ij ij ij A B F -+-<= （j>=1） （5）A 和B 均是整数矩阵 将约束条件用矩阵表示为0.50 0.70 0.00 0.00 0.30 0.20 0.500.10 2.00 0.00 0.30 0.00 0.60 0.000.20 6.00 0.80 0.00 0.00 0.00 0.600.05 0.03 0.00 0.07 0.10 0.00 0.08 0.00 0.00 0.01 0.00 0.05 0.00 0.05;⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦* 11121314 151621222324 252631323334 3536414243 44454651525354 555661626364 656671727374 7576a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦<11121314 151621222324252631323334 3536414243 44454651525354 555661626364 6566e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ （1）111213141516212213141516313233343536414243444546515253131356616263646566717273747576 b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦<=100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100100 100 100⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦ （2）[]16263646566676 b b b b b b b >=[] 50505050505050 （3）1111212131314141515161617171a 500a 1000a 300a 300800a 200a 100a b b b b b b b ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-<=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦（4）121314 1516222324 2526323334 35364243 444546525354 5556626364 6566727374 7576a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦+-1112131415212213141531323334354142434445515253131361626364657172737475 b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦-121314 1516222324 2526323334 35364243 444546525354 5556626364 6566727374 7576c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c c ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦<=(5)运用lingo 求解5．模型求解5．1 模型求解5．1 运行后部分数据截取如下（具体数据见附件）：Objective value: 32468.00 Total solver iterations: 37A( 1, 1) 600.0000 0.000000A( 1, 2) 0.000000 0.000000 A( 1, 3) 0.000000 0.000000 A( 1, 4) 200.0000 0.000000 A( 1, 5) 0.000000 0.000000 A( 1, 6) 550.0000 0.000000 …………Aij 第i 中产品在第j 个月的产量6000020005501220010710210930020004006000A 300005001003508005000200110003000450025055010025001001000⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦Bij 第i 种产品在第j 个月中的库存量ij-11000000500000250000010050B 00000500100001005010005050050⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦Cij 第i 种产品在第j 个月的销售量 Ci1=Ai1-Bi1 Cij=Aij+Bi,j-1-Bijij 5000020005001220010710061300200040050050C =30000500030080040010020010005030005500150600100150100100050⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦5.2 进行灵敏度截取相关数据Ranges in which the basis is unchanged:Objective Coefficient RangesCurrent Allowable Allowable Variable Coefficient Increase Decrease DEMAND( 1) 0.0 0.0 INFIN 聉TYDEMAND( 2) 0.0 0.0 INFINITY DEMAND( 3) 0.0 0.0 INFINITY DEMAND( 4) 0.0 0.0 INFINITY DEMAND( 5) 0.0 0.0 INFINITY A( 1, 1) 10.00000 INFINITY 9.300000 A( 1, 2) 10.00000 INFINITY 8.500000 A( 1, 3) 10.00000 INFINITY 0.0 A( 1, 4) 10.00000 0.5611111 9.700000 ………以上数据分析得出结论 产品1的1、2、3月份增加为无穷大；4 、5 、6月份分别增加0.5611111 0.5388889 50.70000产品2的1、2、3、4、5、6月份都增加 6（1） 产品3 的1、2、3、4、5、6月份都增加3 （2） 产品4的1、2、3、4、5、6月份都增加4 （3） 产品5的1、2、3、4、5、6月份分别增加 1 （4） 产品6的1、2、3、4、5、6月份分别增加 9 （5） 产品7的1、2、3、4、5、6月份分别增加 3 5.3 设备的能力增加 对数据分析，得出结论，(1).当立钻在第二个月能增加使用1小时时，则利润可以增加100元, 当立钻在第四个月能增加使用1小时时，则利润可以增加3元，当立钻在第五个月能增加使用1小时时，则利润可以增加1.666667元，总共增了104.666667元；(2).当水平钻在第一个，第五个，第六个月各能增加使用1小时时，则利润分别可以增加1元、0.361111元、1元，总共增了2.361111元；(3).当镗床在第三个月能增加使用1小时时，则利润可以增加200元； (4).当刨床在第六个月能多使用1小时时，利润增加220元。