系统仿真原理及应用

也称为数字化仿真（digital simulation）。

1.3 系统仿真技术的特点

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。

1.4 系统仿真的应用

1、系统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 2、系统仿真在物流中的作用 物流系统规划与设计 物料控制 物料运输调度 物流成本估算

物流系统进行可靠性分析

1.5 系统仿真的相关技术

? 建模与仿真方法学 ? 仿真算法 ? 仿真软件

? 仿真计算机/仿真器 ? 虚拟现实技术 ? 分布仿真技术 ?

1.6 系统仿真的类型

根据模型的种类分类：物理仿真 数学仿真 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类：

? 实时仿真 ? 亚实时仿真 ? 超实时仿真

根据系统模型的特性分类：

? 连续事件系统仿真 ? 离散事件系统仿真

半实物仿真 5

第2章 离散事件系统建模与仿真的基本原理

2.1 系统建模与仿真的基本步骤

2.2 离散事件系统建模的基本要素

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 （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 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（simulation clock）：用于显示仿真时间的变化，是仿真模型运行时序的控制机

6

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：

① 固定步长时间推进机制（fixed-increment time advance mechanism） ② 变步长时间推进机制（variable-increment time advance mechanism）

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（First In First Out，FIFO）② 后进先出（Last In First Out，LIFO）

③ 加工或服务时间最短（shortest time）④ 按优先级（highest priority） ⑤ 随机（random）选择

2.3 离散事件系统建模的常用方法

建立系统模型是复杂的思维过程，它要求建模者具备扎实的专业知识，了解研究对象的结构、参数、运行和性能特征，还要求建模者掌握系统建模的基本方法，熟练应用相关的数学工具和方法。

系统建模要求建模者具备以下能力：

① 对研究对象的分析和综合能力；② 抽象和概括能力；③ 洞察和想象能力； ④ 运用数学工具分析问题的能力；⑤ 设计试验验证数学模型的能力。 系统建模常用的方法有：

① 基于框图的系统逻辑建模方法（如流程程序图）

② 基于Petri网技术的系统仿真建模方法 逻辑上对系统可达到的状态、发生的冲突、

并发等现象进行理论分析

③ 基于系统结构重现的系统仿真建模方法。

2.4 离散事件系统仿真程序的基本结构

7

离散事件仿真程序中的子程序：

1．变量、实体属性和系统状态：用来记录系统在不同时刻所处的工作状况。

2．初始化子程序：在仿真模型开始运行前完成模型的初始化工作，产生必要的初试参数。 3．仿真时钟：用于记录仿真模型的运行时间，可作为评价系统性能的依据，也可作为仿真调度和仿真程序是否结束的依据。

4．事件列表：按事件按发生的先后顺序建立的数据列表，是仿真模型运行和仿真时钟推进的依据。

5．定时子程序：根据事件表确定下一个将发生的事件，并将仿真时钟推进到下次事件发生的时刻。

6．事件子程序：根据实际系统抽象出的事件程序。

7．仿真数据处理与分析子程序：用于计算、显示、分析和打印仿真结果，并为系统的优化和改进提供依据。

2.5 系统建模与仿真案例分析

连杆生产线瓶颈环节分析、改进和优化 连杆是汽车发动机的重要组成部分。本案例中的连杆生产线主要由三台数控机床（一台数控铣床、两台数控车床）、两台钻床、一台磨床、一台自动测量、一个检验台和成品测量仪以及两个工作台等组成。

连杆生产线特点分析 ：

①各工位及设备之间具有串联关系。当工件到达的速率大于工位的加工速率或某个工位的加工速率较低时，工件将会出现排队现象。

②排队队列越长，工件等待时间就越长，工位和设备的利用率就会降低，生产线的效率也随之下降。

③为减少排队等待现象、提高生产线的效率，要调整各工位及其设备的性能参数，使各工位的节拍（cycle time）相同或相近。

④可以增加瓶颈工位设备的数量，形成并行工位。

但是，盲目地调整参数或增加设备会造成不仅会增加生产成本、造成设备闲置，还会形成新的瓶颈工位。通过仿真可以寻找连杆生产线的最合理配置，使生产线的配置和生产效率不断优化。

8