制造系统建模与仿真知识点2
制造系统建模与仿真知识点1
知识点11. 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。
建模与仿真
第1章建模与仿真的基本概念参照P8例子，列举一个你相对熟悉的简单实际系统为例，采用非形式描述出来。
第2章建模方法论1、什么是数学建模形式化的表示？试列举一例说明形式化表示与非形式化表示的区别。
模型的非形式描述是说明实际系统的本质，但不是详尽描述。
是对模型进行深入研究的基础。
主要由模型的实体、包括参变量的描述变量、实体间的相互关系及有必要阐述的假设组成。
模型的非形式描述主要说明实体、描述变量、实体间的相互关系及假设等。
例子：环形罗宾服务模型的非形式描述：实体CPU，USR1，…，USR5描述变量CPU:Who,Now(现在是谁)----范围{1,2,…,5}; Who.Now=i表示USRi由CPU服务。
USR：Completion.State（完成情况）----范围[0，1]；它表示USR完成整个程序任务的比例。
参变量X-----范围[0，1]；它表示USRi每次完成程序的比率。
i实体相互关系（1）CPU 以固定速度依次为用户服务，即Who.Now为1，2，3，4，5，1，2…..循环运行。
X工作。
假设：CPU对USR的服务时间固定，不（2）当Who.Now=I,CPU完成USRi余下的iX决定。
依赖于USR的程序；USRi的进程是由各自的参变量i2、何谓“黑盒”“白盒”“灰盒”系统？“黑盒”系统是指系统内部结构和特性不清楚的系统。
对于“黑盒”系统，如果允许直接进行实验测量并通过实验对假设模型加以验证和修正。
对属于黑盒但又不允许直接实验观测的系统，则采用数据收集和统计归纳的方法来假设模型。
对于内部结构和特性清楚的系统，即白盒系统，可以利用已知的一些基本定律，经过分析和演绎导出系统模型。
3、模型有效性和模型可信性相同吗？有何不同？模型的有效性可用实际系统数据和模型产生的数据之间的符合程度来度量。
它分三个不同级别的模型有效：复制有效、预测有效和结构有效。
不同级别的模型有效，存在不同的行为水平、状态结构水平和分解结构水平的系统描述。
系统建模与仿真答案
1名词解释：（1）系统：按照某种规律组合起来，互相作用、互相依存的所有实体的集合或总和（2）连续系统：系统状态量随时间连续变化，可以通过微分方程或者偏微分方程来描述。
（3）离散事件系统：系统状态是在离散的随机时点上发生变化，且状态在一段时间内保持不变（4）系统仿真过程：建立模型并通过模型在计算机上的运行对模型进行检验、修正和分析的过程2、什么是系统建模与仿真技术？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技术。
3、画图说明计算机仿真的三要素及三个基本活动。
系统仿真有三个基本的活动，即系统建模、仿真建模和仿真实验，联系这三个活动的是仿真三要素：系统、模型、计算机（包括硬件和软件）。
它们关系如图所示。
4、什么是数学模型的有效性？解释复制有效、预测有效和结构有效的含义。
数学模型所产生的行为数据与实际过程系统数据源的相似程度称为模型的有效性。
通常数学模型的有效性按复制有效、预测有效和结构有效分为三级，后面的相似程度高于前面的相似程度（1）若数学模型产生的数据与过程系统数据源相匹配，称为复制有效。
（2）在过程系统数据源取得之前，可以得到数学模型产生的数据与过程系统数据源的匹配情况，称为预测有效。
（3）数学模型不仅具有预测有效特性，而且可以反映出产生这些行为数据的内在原因，称为结构有效。
5、动态数学模型求解的实时性要求是什么？常用哪些方法提高实时性？动态数学模型运行特点是按选定的积分时间步长，每跨进一个步长，需将全部数据模型求解一遍，一直运行到收到停止命令。
经验证明：积分步长选1s 可以达到实时要求。
提高模型实时性常用的方法有：（1）通过预先试算找出规律，尽量避开非线性代数方程组的迭代计算；（2）使用回归或者辨识的方法获取简化降阶模型；（3）使用欧拉法求解高阶微分方程；（4）偏微分方程简化为常微分方程；（5）采用稳态加动态补偿方法获取动态响应。
系统建模与仿真全要点复习
系统建模与仿真全要点复习一、概念系统建模是指使用适当的抽象方法，将真实世界的系统抽象为一组数学模型和图形模型，以便进行问题分析和求解的过程。
仿真是对系统模型进行实验和模拟，以获取对系统行为和性能的认识。
二、目的和方法1.目的：系统建模与仿真的主要目的是帮助我们理解和分析复杂系统，在实际应用中可以用来优化系统设计、评估系统性能、指导决策等。
2.方法：系统建模与仿真的方法包括系统抽象、建立数学模型、选择合适的仿真工具、进行仿真实验和结果分析等。
三、建模语言和工具1. 建模语言：建模语言是描述系统模型的形式语言，常用的建模语言有UML（统一建模语言）、SysML（系统建模语言）等。
2. 建模工具：建模工具是用来支持系统建模与仿真的软件工具，常用的建模工具有MATLAB/Simulink、Arena、AnyLogic等。
四、建模过程1.定义问题：明确系统建模与仿真的目的，并明确需要解决的问题或疑问。
2.收集数据：收集与系统有关的数据，包括系统的输入、输出和相关参数等。
3.建立模型：根据收集到的数据，选择适当的建模语言和工具，建立系统的数学模型和图形模型。
4.进行仿真实验：使用建立的模型进行仿真实验，在仿真中可以设置不同的参数和条件，观察系统的行为和性能。
5.分析结果：根据仿真实验的结果，分析系统的行为和性能，解决问题或寻找优化方案。
五、常用的系统建模方法1. 离散事件仿真（Discrete Event Simulation，DES）：用事件驱动的方法对系统进行建模和仿真，适用于描述复杂系统的动态行为。
2. 连续系统仿真（Continuous System Simulation，CSS）：用微分方程或差分方程描述系统的动态行为，适用于描述连续系统。
3. 混合仿真（Mixed Simulation）：将离散事件仿真与连续系统仿真相结合，适用于描述既有离散事件又有连续行为的系统。
六、系统建模与仿真应用领域七、系统建模与仿真的优势1.易于理解和分析：通过系统建模和仿真可以将复杂系统的行为和性能可视化，帮助人们更容易理解和分析系统。
《制造系统建模与仿真》讲义2
• Can be used to study simple models, but not necessary if an analytical solution is available • Real power of simulation is in studying complex models • Simulation can tolerate complex models since we don’t even aspire to an analytical solution
Su Chun, Southeast University 4
System and System Models
• Model – set of assumptions/approximations about how the system works
– Study the model instead of the real system … usually much easier, faster, cheaper, safer – Can try wide-ranging ideas with the model
2013-8-1
Su Chun, Southeast University
3
System and System Models
– Examples abound …
• • • • • • • • • • • • •
2013-8-1
Manufacturing facility Bank or other personal-service operation Transportation/logistics/distribution operation Hospital facilities (emergency room, operating room, admissions) Computer network Freeway system Business process (insurance office) Criminal justice system Chemical plant Fast-food restaurant Supermarket Theme park Emergency-response system
工业自动化系统的建模和仿真
工业自动化系统的建模和仿真一、引言工业自动化系统的建模和仿真技术将数字化和物理化两种领域联系起来，将设备和系统的各个组成部分进行数字模拟，以评估设备和系统的设计及运行情况。
该技术在现代智能化制造中扮演着重要的角色，并在各个领域得到广泛应用。
二、工业自动化系统建模技术工业自动化系统建模是指对工业自动化系统中各个设备进行抽象化，以便于对其进行数字化仿真。
其基本流程包括：系统建模、参数设置、工艺流程确定和模型校正。
其中系统建模是整个流程的核心，通常包括输入、输出和状态及其相互关系。
该技术的主要目的包括在系统的设计和改进阶段帮助分析师预测系统的性能并进行调整。
（一）建模方法工业自动化系统建模方法主要包括传统的“带公差”和现代CAD 技术两种方法。
带公差法被广泛应用于工程中，可以很好地反映出系统实际情况，并减少了过度的抽象化程度。
而CAD技术则更加注重数据表现和可重用性，通过制定参数表将数字模型实际化。
（二）系统建模在建模中，系统结构分层、逐步离散化，将系统整个运作过程分成各个小步骤进行分析，通过计算机模拟方式生成实际的运行过程。
针对不同的系统，应当选择适合其特定情况的建模方法，以获得最佳的建模结果。
（三）反馈控制工业自动化系统建模及仿真技术还包括反馈控制。
即在系统运行过程中，通过测量实时数据与预设值之间的差距，调整系统的输出。
这项技术的应用给工业生产带来了革命性的影响，使得生产更加智能化、精益化，并提高了生产效率和生产质量。
三、工业自动化系统仿真技术工业自动化系统仿真技术是指在工业自动化系统建模的基础上，对设备和系统的运行过程进行模拟并进行精确的预测。
仿真主要用于分析系统的性能和运行可靠性，以及为后续的改进、优化提供数据基础。
该技术在现代制造、军事训练等领域得到广泛应用。
（一）数字仿真数字仿真技术是将物理系统的运行过程进行数字化，并通过计算机模拟方式生成实际的运行过程。
数字仿真主要有三种类型：离散事件仿真、连续仿真和混合仿真。
柔性制造系统的建模与仿真研究
柔性制造系统的建模与仿真研究柔性制造系统（FMS）是一种能够适应不同生产需求的灵活生产系统。
在当前快速变化的市场环境下，柔性制造系统的建模与仿真研究具有重要意义。
本文将介绍柔性制造系统的概念和特点，探讨建模与仿真的方法，并讨论柔性制造系统建模与仿真研究的应用和未来发展趋势。
柔性制造系统是一种多功能生产系统，能够适应不同产品的生产需求。
其特点包括高度灵活性、自适应性和多功能性。
柔性制造系统可以根据生产任务的不同，通过调整设备、工艺和流程来完成各种生产任务。
这种灵活性使得柔性制造系统成为当前企业提高生产效率和应对市场变化的重要工具。
在柔性制造系统的研究中，建模与仿真是一种重要的方法。
建模是指将实际系统抽象为数学或逻辑模型的过程，而仿真是指通过计算机模拟实际系统的运行过程，并进行性能评估。
建模与仿真能够帮助研究人员分析生产系统的结构和运行规律，评估不同策略的性能，优化系统的设计和运行参数。
在柔性制造系统的建模过程中，需要考虑多个因素，例如设备、工艺、流程和资源等。
首先，需要对柔性制造系统的结构进行建模。
这包括对设备和工作站的建模，描述其类型、数量、功能和连接关系。
其次，需要对生产流程进行建模，包括物料流和信息流。
这可以通过流程图、Petri网和时序图等方法进行描述。
此外，还可以考虑资源分配和调度问题，以优化生产效率和资源利用率。
在柔性制造系统的仿真过程中，需要考虑不同层次的仿真模型。
首先，可以采用离散事件仿真方法，对柔性制造系统进行整体仿真。
这可以帮助研究人员了解系统的整体性能和效果。
其次，可以采用物理仿真方法，对柔性制造系统的具体设备、工艺和流程进行仿真。
这可以帮助研究人员研究系统的局部性能，并优化系统的设计和运行参数。
柔性制造系统的建模与仿真研究在实际应用中具有重要意义。
首先，建模与仿真可以帮助企业优化生产系统的设计和运行参数，提高生产效率和产品质量。
其次，建模与仿真可以用于系统的规划和决策，帮助企业预测市场需求和优化资源分配。
智能制造系统建模与仿真阅读笔记
《智能制造系统建模与仿真》阅读笔记目录一、内容概要 (2)1.1 背景与意义 (2)1.2 国内外研究现状及发展趋势 (3)二、智能制造系统基本概念 (5)2.1 智能制造系统的定义 (6)2.2 智能制造系统的组成 (8)2.3 智能制造系统的功能 (9)三、智能制造系统建模与仿真的基本方法 (10)3.1 建模方法 (12)3.2 仿真方法 (13)四、智能制造系统建模与仿真的关键技术 (15)4.1 预测模型 (16)4.2 决策模型 (18)4.3 优化模型 (19)五、智能制造系统建模与仿真的应用案例 (20)5.1 案例一 (21)5.2 案例二 (22)六、智能制造系统建模与仿真的挑战与未来趋势 (23)七、结论与展望 (25)7.1 主要结论 (26)7.2 研究展望 (27)一、内容概要《智能制造系统建模与仿真》一书对智能制造系统建模与仿真的相关概念、方法、技术和应用进行了全面而深入的阐述。
书中首先概述了智能制造系统建模与仿真的主要内容，包括智能制造系统的基本概念、建模与仿真的目的和意义、以及建模与仿真的关键技术。
书中详细讨论了智能制造系统建模与仿真的各个环节，包括系统建模、仿真模型开发、仿真验证与优化等。
还介绍了智能制造系统仿真平台的设计与开发，以及仿真技术在智能制造中的应用案例。
通过阅读本书，读者可以深入了解智能制造系统建模与仿真的理论和方法，掌握相关的建模与仿真技术，并将其应用于实际智能制造系统中，以提高系统的性能和效率。
1.1 背景与意义随着科技的飞速发展，智能制造已经成为全球制造业的重要发展趋势。
智能制造系统建模与仿真作为一种重要的研究方法和工具，旨在通过对制造过程进行建模和仿真，实现对制造系统的优化设计、性能分析和故障诊断。
深入研究智能制造系统建模与仿真具有重要的理论意义和实际应用价值。
智能制造系统建模与仿真有助于提高制造业的整体水平，通过对制造过程的建模和仿真，可以更好地理解制造系统的基本结构和工作原理，从而为制造系统的优化设计提供理论支持。
第二章 系统建模与仿真的基本原理
生产系统仿真Simulation for Production System房亚东fangyadong@ gy gThe Institute of Mechanical and Electrical EngineerXi'an Technological UniversityAugust 27, 2012第二章系统建模与仿真的基本原理离散事件系统及其模型分类1离散事件系统建模的基本元素2离散事件系统仿真程序的基本结构3建立系统模型的常用方法452 .1 离散事件系统及其模型分类系统分类连续系统（continuous system ）离散事件动态系统（DEDS ）确定性系统（deterministic system ）随机系统（stochastic system ）静态系统（static system ）动态系统（dynamic system ）2 .1 离散事件系统及其模型分类白箱（hit b white box ）灰箱（grey box ）黑箱（black box ）微观模型（microscopic model ）宏观模型（macroscopic model ）集中参数模型（lumped parameters model ）分布参数模型（distribution parameters model ）2.2 离散事件系统建模的基本元素离散事件系统建模与仿真中的基本元素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（temporary entity ）永久实体（permanent entity ）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。
2.2 离散事件系统建模的基本元素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。
制造系统建模与仿真知识点
知识点21. 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。
系统仿真原理及应用
2009-2010年第2学期系统仿真原理及应用教学内容绪论离散事件系统仿真输入数据的分析仿真结果与系统方案分物流仿真软件介绍学校：武汉科技学院学院：机电工程学院班级：工业工程071姓名：学号：参考教材•《物流系统仿真原理与应用》张晓萍主编.中国物资出版社,2005.•《生产系统建模与仿真》孙小明编著.上海交通大学出版社,2006.•《制造系统建模与仿真》目录第1讲绪论系统仿真技术的发展历史1.2 系统仿真的基本概念系统仿真技术的特点系统仿真的应用系统仿真的相关技术第2讲离散事件系统建模与仿真的基本原理 系统建模与仿真的基本步骤离散事件系统建模的基本要素建立系统模型的常用方法离散事件系统仿真程序的基本结构系统建模与仿真案例分析第3讲输入数据的分析简介原始数据的收集随机变量的识别参数估计拟合度检验第4讲随机变量的产生随机数的生成方法随机数发生器的检验随机变量的生成原理典型随机变量的生成第5讲排队系统的建模与仿真⏹排队论的基本概念排队系统的组成到达模式服务机构排队规则队列的度量⏹排队模型的分类⏹排队系统的分析单服务台M/M/1模型多服务台M/M/c模型M/M/c和M/M/1模型比较第6讲系统仿真算法事件调度法活动扫描法进程交互法第1讲绪论1.1 系统仿真技术的发展历史一、系统模型系统模型——对实际系统进行简化和抽象、能够揭示系统元素之间关系和系统特征的相关元素实体。
•物理模型——根据相似准则缩小和简化的实际系统，对这样的物理模型进行实验研究，其结果可以近似推广到原系统。
存在的主要问题：研究费用较为昂贵试验是有限制的需要花费大量的时间数学模型仿真模型1952年美国成立仿真学会美国的《21世纪制造业发展战略报告》中提出，2020年前世界制造业面临的6大挑战和10大关键技术中，10大关键技术的第5项是“企业建模及仿真”。
20世纪40年代，冯·诺依曼正式提出了系统仿真的概念世界先进国家的生产企业将生产仿真研究作为研究生产系统的一个重要手段，如英特尔、戴尔、马士基等，在企业扩建和改造的前期、新产品生产的投入之前，都会运营计算机仿真技术对企业将要采用的生产系统进行仿真和预测，为生产系统的调度决策、生产能力预测、生产设备的合理匹配、生产线的效率提高提供量化依据，为生产系统的早日投入正常生产运行起到出谋划策的作用。
制造系统的仿真与优化
制造系统的仿真与优化制造系统是指由人、设备、物料、信息等要素组成的生产过程。
现代制造系统的复杂性使得运作过程具有高度的不确定性和变化性，因此需要采用仿真和优化技术来解决这些问题。
一、制造系统仿真制造系统仿真是指对制造系统进行虚拟建模，通过计算机程序模拟真实系统的运作过程，以求得系统的性能指标和决策方案。
制造系统仿真主要包括离散事件仿真和连续仿真两种方法。
1.离散事件仿真离散事件仿真是指将制造系统运作过程分成离散时间步骤，按时间步骤进行仿真。
在每个时间步骤中，只有一个离散事件发生，如订单到达、加工完成等，通过运算计算各种待决策因素的运行状态、耗时、质量指标等。
离散事件仿真的优点在于准确度高，但是由于每个事件的离散性，极易导致时间效率的下降。
2.连续仿真连续仿真是指将制造系统视为一组可连续变化的状态的系统，通过数学方程模拟系统的状态变化，从而预测系统性能指标。
连续仿真的优点在于时间效率高，但是对于非线性和复杂系统模型，建模和求解难度较大。
二、制造系统优化制造系统优化是指通过对制造系统进行分析和评价，确定制造系统的瓶颈和短板，提出方法和方案来改善系统的性能、效率和质量。
制造系统优化主要包括生产线优化、质量优化和成本优化等。
1.生产线优化生产线优化是指通过对生产线进行调整和改进，以达到提高生产效率和质量、降低生产成本的目的。
生产线优化包括单线生产线优化和多线生产线优化两种方法。
前者主要针对单一产品的生产线，后者则针对多品种、小批量的生产线。
2.质量优化质量优化是指通过改进工艺和流程，提高生产环节的质量标准和品质水平，达到提高产品成品率和降低不良品率的目的。
质量优化主要包括质量管理优化、工艺改进优化、质量控制优化等。
3.成本优化成本优化是指通过优化生产过程和管理过程，将生产成本尽可能降低，以达到提高企业经济效益和竞争力的目的。
成本优化主要包括生产过程成本优化、采购成本优化、运输成本优化等。
三、仿真与优化的应用制造系统的仿真与优化在许多领域得到了广泛应用。
《系统建模与仿真》概论
History for CVDS:
Development of mechanics for
CVDS
Self regulating governor for steam
engines
<1940
W W II Servom echanism >1940
M odern control theory and practice
确定了系统内部发生变化的过程
概论（1）--系统、模型、仿真（2） (系统的分类)
(1)工程领域: 机械,航空,航天,电力,冶金,化工和电子等. 非工程领域: 交通管理,生产调度,库存控制,生态环境
和社会经济等. (2) CVDS (Continuous Variable Dynamic Systems)
e2 e3 e4
e5
e6
tim e
Comparison with a CVDS Trajectory
D iscrete state
dx/dt = f(x,u,t)
tim e Hybrid System: each state can hide CVDS behavior
Historical Perspective on the Control and Optimization of DEDS and CVDS
概论（1）-- 系统、模型、仿真
不同系统之间的相似性
Ft
M
K
B
R
E t
C
L
M d d 2 2 x t B d d K x t F x t
L d d 2 q 2 t R d d C q t E q t
概 论 （ 1） -- 系 统 、 模 型 、 仿 真
系统建模与仿真概述
仿真语言
专用的仿真语言，如GPSS、Simscript、SLAM以及SIMAN，它们为大多数人使 用的各类仿真提供了一个更好的框架。然而，人们还需要花费相当多的时间来学 习这些仿真语言的特征及如何有效的使用它们，而且，使用者还必须面对其可可 、严格的语法要求。
高级仿真器
很多针对各种系统的高级仿真器，例如将在第 2章介绍的Witness、Arena等。这 些软件在图形界面更易于理解，语法结构简单易于理解，使得仿真不再需要很高 深的计算机编程技术。
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2.2 如何实施仿真
②简单性
从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略了一些次要因素和某些 非可测变量的影响，因此实际的模型已是一个被简化了的近似模型。 一般来说，在实用的前提下，模型越简单越好。
③多面性
对于由许多实体组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所要收集 的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示系统的模型并不是唯一的。 由于不同的分析者所关心的是系统的不同方面，或者由于同一分析者要了解 系统的各种变化关系，对同一个系统可以产生相应于不同层次的多种模型。
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17
2.1 系统仿真的定义
不可或缺的角色。
Simulation
（1）静态和动态：静态模型与时间没有关系，而在动态模型中时间却扮演着
在2.2 节介绍的浦丰投针问题就属于静态仿真，其中没有时间要素。 而实际系统仿真所模拟的对象多数是动态系统，例如对银行营业厅顾客 服务效率的仿真，顾客的到达是同时间相关的，在不同时刻，顾客到达 速率可能不同，队列队长可能不同，柜台开放数量可能不同等。 （2）连续和离散： 在连续模型中，系统状态虽时间连续变化，例如水库蓄水量、放水量以 及出现降水和蒸发时水位的变化即属此类。 而在离散模型中，系统状态仅在离散的时刻点发生变化，例如在制造系 统中，零件会在特定的时间到达和离开，机器会在特定的时刻出现故障 和被修复，工人会在特定的时间开始休息和复工。
建模与仿真技术
建模与仿真技术一、建模技术建模技术是指将一个复杂的系统或过程抽象成简单的数学模型，以便进行仿真和分析。
常用的建模技术包括：1.1 系统动力学建模系统动力学是一种描述和分析复杂系统行为的方法，它通过构建系统结构和动态方程来描述系统的行为。
系统动力学建模适用于研究对时间、空间、结构等因素敏感的复杂系统。
1.2 离散事件建模离散事件建模是一种基于事件驱动的方法，它将系统抽象成一个由离散事件组成的序列，并通过定义事件之间的关系来描述系统的行为。
离散事件建模适用于研究对时间、空间、结构等因素不敏感但具有随机性质的系统。
1.3 代数式建模代数式建模是一种基于代数方程组求解方法来描述和分析复杂问题的方法。
它将问题抽象成一个由未知量和方程组成的代数结构，并通过求解方程组来得到问题解决方案。
二、仿真技术仿真技术是指利用计算机或其他设备对实际对象或过程进行虚拟重现，以便进行分析和预测。
常用的仿真技术包括：2.1 连续系统仿真连续系统仿真是指利用数学模型和计算机程序对连续时间下的物理、化学或其他过程进行模拟。
常用的连续系统仿真软件包括MATLAB、Simulink等。
2.2 离散事件仿真离散事件仿真是指利用离散事件建模方法对离散时间下的系统进行模拟，以便研究系统中各个事件之间的关系和影响。
常用的离散事件仿真软件包括Arena、AnyLogic等。
2.3 人工智能仿真人工智能仿真是指利用人工智能技术对复杂问题进行建模和求解，以便进行分析和预测。
常用的人工智能仿真方法包括神经网络、遗传算法、粒子群算法等。
三、应用案例3.1 交通流量预测交通流量预测是城市规划中重要的问题之一，它涉及到交通流量分布、道路容量规划等方面。
利用连续系统仿真方法可以对城市道路网络进行建模，并通过数据挖掘技术对历史数据进行分析，从而预测未来的交通流量。
3.2 生产线优化生产线优化是制造业中的重要问题之一，它涉及到生产效率、成本控制等方面。
利用离散事件仿真方法可以对生产线进行建模，并通过模拟不同的生产策略来寻找最优解。
系统建模与仿真
若从系统仿真研究的需要出发，模型还可做 如下分类： （1）确定型模型和随机型模型
确定型模型是指系统输出与系统输入之间存在 确定的性质和数量关系的模型。
随机型模型是指系统输出与系统输入之间存 在随机性的或概率性的关系的模型；或者说，含 有随机变量的模型就是随机型模型。
（2）连续型模型和离散型模型
模型中系统的状态是随时间连续且光滑性变化的 ，可用微分方程来描述其状态变化的，称为连续型 模型。
系统研究的一般方法
系统
实际系统实验
系统模型实验
物理模型
数学模型
解析解
仿真
模型的性质
一般来说，系统模型的结构具有以下一些性质： （1）相似性：模型与所研究系统在属性上具有相似的特性和变化规 律，真实系统的“原型”与“替身”之间具有相似的物理属性或数学描 述。 （2）简单性：从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略 了一些次要因素和非可测变量的影响，因此实际的模型已是一个被简化 了的近似模型。一般而言，在使用的前提下，模型越简单越好。 （3）多面性：对于由许多子系统组成的系统来说，由于其研究目的 不同，就决定了所收集的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示 系统的模型并不是唯一的。由于不同的分析者所关心的是系统的不同方 面，或者由于同一分析者要了解系统的各种变化关系，对于同一系统可 以产生相应于不同层次的多种模型。
仿真系统：是指实现仿真任务的软件和设备。按仿 真任务要求，实现被仿真系统模型，以进行仿真试 验的一套软件、硬件系统，包括仿真设备、参与被 仿真系统操作的人员或部分被仿真系统组件。
仿真技术：是以相似原理、信息技术、系统技术及 其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各 种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或 设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。 仿真技术综合集成了计算机、网络技术、图形图像 技术、多媒体、软件工程、信息处理、自动控制、 系统工程等多个高技术领域的知识。
制造系统建模与仿真复习重点
1、系统“三要素”：实体、属性、活动①实体：确定了系统的构成，也就确定了系统的边界；②属性：也称为描述变量，描述每一实体的特征；③活动：定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生变化的过程。
2、系统的分类（1）静态系统& 动态系统——时域状态（按系统状态是否变化）确定系统& 随机系统——存在随机变量（按有无随机过程）单变量系统& 多变量系统——自由度数量连续系统& 离散随机事件系统——按系统状态的变化与时间的关系（2）根据系统状态是否随时间连续变化，可以将系统分为：连续系统、离散事件系统①连续系统是指系统状态随时间发生连续性变化的系统。
②离散事件系统是指只有当在某个时间点上有事件发生时，系统状态才会发生改变的系统。
由于事件的发生具有随机性，使得离散事件系统的状态具有随机和动态特征，此类系统也常被称为离散事件动态系统（DEDS）。
3、机械制造系统是复杂的离散事件动态系统，它的输入为各种制造资源（如毛坯、半产品、能源、人力等），输出为零件、部件或产品。
机械制造系统的运行过程始终伴随着物料流、能量流和信息流，也称为“三流合一”。
4、系统模型分类①物理模型：采用特定的材料和工艺，根据相似性准则按一定比例制作的系统模型，以便通过试验对系统的某些方面性能作出评估。
②数学模型：采用符号、数学方程、数学函数或数据表格等方法定义系统各元素之间的关系和内在规律，再利用对数学模型的试验以获得现实系统的性能特征和规律。
③物理-数学模型（也称为半物理模型）：一种混合模型，结合了物理模型和数学模型的优点。
5、系统、模型与仿真的关系：系统、模型与仿真三者之间有着密切的联系。
其中，系统是要研究的对象，模型是系统在某种程度和层次上的抽象，而仿真是通过对模型的试验以便分析、评价和优化系统。
6、仿真时钟的推进机制：固定步长时间推进机制、下次事件时间推进机制、混合时间推进机制注：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。
系统建模与仿真习题2及答案
系统建模与仿真习题二及答案1. 考虑如图所示的典型反馈控制系统框图(1)假设各个子传递函数模型为66.031.05.02)(232++-+=s s s s s G ，s s s G c 610)(+=，21)(+=s s H 分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法求该系统的传递函数模型。
(2) 假设系统的受控对象模型为s e s s s G 23)1(12)(-+=，控制器模型为 ss s G c 32)(+=，并假设系统是单位负反馈，分别用feedback （）函数以及G*Gc/(1+G*Gc*H)（要最小实现）方法能求出该系统的传递函数模型？如果不能，请近似该模型。
解：（1）clc;clear;G=tf([2 0 0.5],[1 -0.1 3 0.66]);Gc=tf([10 6],[1 0]);H=tf(1,[1 2]);G1=feedback(G*Gc,H)G2=G*Gc/(1+G*Gc*H)Gmin=minreal(G2)结果：Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3Transfer function:20 s^8 + 50 s^7 + 83.8 s^6 + 179.3 s^5 + 126 s^4 + 57.54 s^3 + 26.58 s^2 + 3.96 ss^9 + 1.8 s^8 + 25.61 s^7 + 22.74 s^6 + 74.11 s^5 + 73.4 s^4 + 30.98 s^3+ 13.17 s^2 + 1.98 s Transfer function:20 s^4 + 52 s^3 + 29 s^2 + 13 s + 6s^5 + 1.9 s^4 + 22.8 s^3 + 18.66 s^2 + 6.32 s + 3(2)由于s c e s s s s G s G 232)1(3624)(*)(-++= 方法1：将s e 2-转换为近似多项式。
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知识点21. 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？为什么？21. 绘制库存状态图。
分析库存状态图中的主要元素和变量，分析订货点的确定与安全库存、订货提前期、需求速率、采购批量、最大库存等参数之间的关系。
22. 库存管理理论大致经历了哪些发展阶段？简要分析不同的理论模型分别做了哪些方面的扩展、增加了哪些功能。
23. 库存系统模型有哪些构成要素？简要论述每个要素的定义、功能及其细分类型。
24. 常用的库存策略有哪些？简要分析每种策略的特点及其适用范围。
25. 什么是经济采购批量（EOQ）模型？该模型基于哪些假设条件？需求、成本等因素是如何影响经济采购批量的？26. 什么是确定型库存模型？什么是随机型库存模型？27. 什么是ABC分析法？对于库存管理系统来说，采用ABC分析法的目的是什么？应用ABC分析法的步骤是什么？28. 某公司仓库存储有10种物资，货物的年需求量及单位成本如下表所示。
现该公司拟采取ABC分析法将物资分为A、B、C，以便提高管理的效率和针对性，请给出ABC分类管理方案。
29. 某零售商店主要经营10种商品，商品编号、年销售量以及单件销售利润如下表所示。
采用ABC分析法将上述10种商品分为A、B、C三类。
31.分别解释“校核”、“验证”和“确认”的含义，指出它们的区别与联系。
32.对系统建模与仿真而言，校核、验证与确认有什么作用？33.模型及仿真系统的校核、验证与确认需要遵照哪些原则？简要阐述这些原则的含义？34.以文字或框图等描述模型与仿真校核、验证与确认的实施过程。
35.模型与仿真最终的确认结论可能有哪几种，根据这些结论应分别如何处理？36.建模与仿真的校核与验证有哪些实现技术？37.模型验证的常用方法有哪些，它们分别有什么特点、适用于什么场合？38.编制程序或利用商品化软件分别产生1000个服从[0，1]区间均匀分布、N(0，1) 和Exp(2)分布的伪随机数，并利用直方图等工具检验伪随机数的分布、参数及其它特性。
39. 分别采用线性同余法（m=9600、α=17、c=19、Z0=5）、开方取小数法以及Excel软件生成[0，1]区间均匀分布的随机数，完成下列工作：①分别产生随机500个样本数据，取小数点后4位数。
②通过对样本数据分布区间的统计分析，利用频率法校验伪随机数的均匀性和随机性，比较三种随机数生成方法的优劣。
③通过修改程序代码中的参数，观察输入参数对随机数性质的影响。
④对线性同余随机数发生器而言，可以从哪些方面提高随机数的性能？40. 制造系统建模与仿真软件系统可以分为哪三种类型？41. 选择制造系统仿真软件时需要考虑哪些因素？42.了解常用系统建模与仿真软件的类型、功能、特点及其使用步骤。
43.建立制造系统仿真模型的基本步骤是什么？需要采集哪些数据？44.ProModel软件中的建模元素有哪些，简要分析它们的定义、功能及其参数设置。
45.简述采用ProModel软件进行系统建模与仿真的步骤。
46. 利用商品化仿真软件，完成下图所示生产车间的建模和仿真。
其中，各工序加工时间单位为分钟。
根据以往数据，毛坯供应充足，且车间开始生产时就有毛坯可供加工；抛光后的产品经检验有90％合格直接出厂，其余10％需要重新进行抛光加工。
分别将仿真模型运行为100小时、1000小时和10000小时，统计各工位以及系统性能，分析系统的瓶颈环节，提出改进和优化意见。
47. 采用商品化仿真软件，完成下述理发店的建模与仿真研究：（1）已知顾客到达理发店的时间间隔服从均值为10min的指数分布；理发员为每一位顾客理发的时间服从8至10min的均匀分布，该时间包括与顾客打招呼以及收银等时间；理发员每天工作8个小时（480min）。
通过仿真求系统的下列特性：①理发员每天能够提供理发服务的顾客数量。
②等待理发的顾客平均数（队列长度），队列的最大长度。
③顾客在理发店花费的平均时间。
④理发员的平均利用率。
（2）已知理发店的顾客中20%为儿童、50%为妇女、30%为男士；顾客到达的时间间隔服从最小值、模数、最大值分别为7、8、9min的三角分布；根据顾客类型不同，理发时间服从如下表所示的均匀分布，该该时间包括与顾客打招呼以及收银等时间；理发员每天工作8个小时（480min）。
通过仿真求系统的下列特性：顾客类型理发时间（min）均值半宽度儿童8 2妇女12 3男士10 2①每天理发员可以提供服务的顾客类型及其数量。
②每种类型顾客等待理发的平均队列长度，每个队列的最大长度。
③每种类型顾客在理发店中平均花费的时间。
④理发员的平均利用率。
（3）已知顾客到达的时间间隔如下表所示，理发店每天的营业时间为早晨6：00到晚上9：00，服务顾客类型、理发时间等参数分别与第（2）题相同。
通过仿真求系统下列特性：从至百分比（%）上午6：00 上午6：30 5上午6：30 上午8：00 20上午8：00 上午11：00 5上午11：00 下午1：00 35下午1：00 下午5：00 10下午5：00 晚上7：00 20晚上7：00 晚上9：00 5①每天理发员可以提供服务的顾客类型及其数量。
②每种类型顾客等待理发的平均队列长度，每个队列的最大长度。
③每种类型顾客在理发店中平均花费的时间。
④理发员的平均利用率。
48.到达时间间隔（秒）10～20 20～30 30～40比例0.20 0.30 0.50A、B、C三种零件的加工时间均呈正态分布。
每种零件所占的比例以及相应的加工时间参数如下表所示：零件类型比例均值（秒）标准差（秒）A B C 0.50.30.2304050346已知系统中的每台机床都可以加工任意类型的零件，且每台机床一次只能加工一个零件。
假设系统中有一台、两台和三台机床，分别建立系统的仿真模型，比较系统主要性能指标的变化，并评估不同规则对系统性能的影响。
49．某车间有4台机床，4台机床功能各不相同，每种机床只有1台。
共有5类零件需要加工，零件按指数分布到达车间，间隔为10分钟。
零件比例及其加工工艺如下表所示，其中加工时间服从三角分布（单位：分钟）。
根据经验数据，第一类零件在到达工位以及不同加工工位之间移动时所需时间服从参数为（7，12，15）分钟的三角分布，其余4类零件在到达工位以及不同加工工位之间的移动时间服从参数为（8，10，12）分钟的三角分布。
①建立该加工车间的仿真模型，运行仿真模型1000小时，仿真次数为5次，分析系统生产效率、各工位利用率和堵塞率等性能特征，并提出改进方案。
②在完成系统建模、仿真和结果分析的基础上，撰写仿真分析报告，提交仿真模型及报告。
50. 某车间有一台机床，已知零件按均值为10分钟的指数分布到达车间，每个零件的加工时间服从参数为U（8，10）分钟的均匀分布，车间采用两班工作制，有效加工时间为16小时。
建立该车间仿真模型，并求解以下问题：①该车间每天能加工零件的数量。
②车间中平均等待加工的零件数，等待加工零件的最大数量。
③每个零件在该车间的平均停留时间。
④机床的平均利用率。
⑤从加工设备数量的角度提出该车间优化配置方案。
51. 某车间有一台机床，有A、B、C三类零件需要加工，A、B、C三类零件的比例构成为20％、50％和30％。
已知所有零件均按（7，8，9）分钟的三角分布规律到达车间，A类零件的加工时间服从U（6，10）分钟的均匀分布，B类零件的加工时间服从U（9，15）分钟的均匀分布，C类零件的加工时间服从U（8，12）分钟的均匀分布，车间采用两班工作制，有效加工时间为16小时。
建立该车间仿真模型，并求解以下问题：①该车间每天能加工零件的数量。