《制造系統(tǒng)建模與仿真》講義

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1、第一章系統(tǒng)建模與仿真的基本概念outlineWhatisModelingandSimulation?BasicStepsofModelingandSimulationIntroductionofMainSimulationSoftware2021/7/81WhatisModelingandSimulation?仿真（Simulation）也稱(chēng)模擬，它是通過(guò)對(duì)系統(tǒng)模型的試驗(yàn)，研究已存在的或設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)性能的方法及其技術(shù)。仿真可以再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)、動(dòng)態(tài)行為及性能特征，用于分析系統(tǒng)配置是否合理、性能是否滿足要求，預(yù)測(cè)系統(tǒng)可能存在的

2、缺陷，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供決策支持和科學(xué)依據(jù)。例如：研制新型飛機(jī)時(shí)，一般先要對(duì)按比例縮小的飛機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以驗(yàn)證飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能；2021/7/82WhatisModelingandSimulation?2021/7/83WhatisModelingandSimulation?開(kāi)發(fā)新型輪船或艦艇等時(shí)，一般先要在水池中對(duì)縮小的輪船模型進(jìn)行試驗(yàn)，以了解輪船的各種性能；2021/7/84WhatisModelingandSimulation?我國(guó)在建設(shè)三峽大壩時(shí)，廣泛采用建模與仿真技術(shù)研究和評(píng)估大壩對(duì)環(huán)境、生態(tài)、洪水等方面的

3、影響。2021/7/85WhatisModelingandSimulation?設(shè)計(jì)新的生產(chǎn)線或新產(chǎn)品時(shí)，要通過(guò)仿真或試驗(yàn)對(duì)生產(chǎn)線或產(chǎn)品性能作出評(píng)估：2021/7/86WhatisModelingandSimulation?神舟飛船：神舟飛船海上試驗(yàn)神舟飛船模擬飛行圖神舟飛船發(fā)射神舟飛船系統(tǒng)2021/7/87飛船上的模擬航天員風(fēng)洞試驗(yàn)為神舟飛船打造安全屏障WhatisModelingandSimulation?2021/7/88WhatisModelingandSimulation?因此，仿真通常與模型（model）、建模

4、（modeling）過(guò)程密切相關(guān)。其它仿真案例建筑的抗震和防風(fēng)設(shè)計(jì)：2021/7/89WhatisModelingandSimulation?根據(jù)仿真模型的不同，仿真可以分為物理仿真、數(shù)學(xué)仿真以及物理-數(shù)學(xué)仿真。物理仿真是通過(guò)對(duì)實(shí)際存在的模型進(jìn)行試驗(yàn)，以研究系統(tǒng)的性能，如飛機(jī)的風(fēng)洞試驗(yàn)、建筑及城市規(guī)劃模型等。數(shù)學(xué)仿真是利用系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以獲得現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的特征和規(guī)律。物理-數(shù)學(xué)仿真是前兩者的有機(jī)結(jié)合，如各種航空、航天仿真訓(xùn)練器等。2021/7/810WhatisModelingandSimulatio

5、n?2021/7/811WhatisModelingandSimulation?2021/7/812WhatisModelingandSimulation?顯然，如果采用數(shù)學(xué)仿真可以研究實(shí)際系統(tǒng)的性能的話，將能顯著地降低模型試驗(yàn)的時(shí)間及成本。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變化是否連續(xù)，可以將系統(tǒng)分為連續(xù)系統(tǒng)（continuoussystem)和離散事件系統(tǒng)(discreteeventsystem)。連續(xù)系統(tǒng)是指系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)間發(fā)生連續(xù)變化，如化工、電力、液壓-氣動(dòng)系統(tǒng)、銑削加工等。連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有微分方程、狀態(tài)方程、脈沖響應(yīng)函數(shù)等形式。2

6、021/7/813WhatisModelingandSimulation?制造領(lǐng)域中生產(chǎn)線/裝配線、路口的交通流量分布、電信網(wǎng)絡(luò)的電話流量等都是典型的離散事件系統(tǒng)。離散事件系統(tǒng)是指只有在離散的時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生“事件”時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)才發(fā)生變化的系統(tǒng)，它的數(shù)學(xué)模型通常為差分方程。根據(jù)應(yīng)用性質(zhì)的不同，仿真系統(tǒng)可以分為研制類(lèi)仿真系統(tǒng)和應(yīng)用類(lèi)仿真系統(tǒng)兩大類(lèi)型。研制類(lèi)仿真系統(tǒng)主要用于產(chǎn)品分析、設(shè)計(jì)、制造、裝配、檢測(cè)及優(yōu)化等；應(yīng)用類(lèi)仿真系統(tǒng)用于系統(tǒng)操作及管理人員的培訓(xùn)等。2021/7/814WhatisModelingandSimulatio

7、n?階段應(yīng)用內(nèi)容概念化設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析及可行性研究，選擇合理的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)建模建立系統(tǒng)及零部件模型，判斷產(chǎn)品外形、質(zhì)地及物理特性是否滿意設(shè)計(jì)分析分析產(chǎn)品及系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)、噪音、可靠性等性能指標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)特定性能或綜合性能的優(yōu)化制造刀具加工軌跡、可裝配性仿真，及早發(fā)現(xiàn)加工、裝配中可能發(fā)生的問(wèn)題樣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)行性能仿真，虛擬樣機(jī)試驗(yàn)，以確認(rèn)設(shè)計(jì)目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)，實(shí)現(xiàn)性能的持續(xù)改進(jìn)及優(yōu)化仿真技術(shù)在系統(tǒng)研制中的應(yīng)用2021/7/815WhatisMod

8、elingandSimulation?隨著計(jì)算數(shù)學(xué)的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越多地通過(guò)數(shù)學(xué)模型、應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真研究，進(jìn)而形成計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)質(zhì)是仿真過(guò)程的數(shù)字化，因而也稱(chēng)為數(shù)字化仿真。數(shù)字化仿真具有顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的重要支撐技術(shù)和手段：2021/7/816Wha