制造系统建模与仿真（精选12篇）
制造系统建模与仿真 篇1
随着工厂自动化的发展, 柔性制造系统 (FlexibleManufacturingSystem, FMS) 在实际生产中的应用越来越广泛, 针对柔性制造系统的各种研究也越来越深入, 各种建模方法、仿真方法层出不穷, 目前对柔性制造系统 (FMS) 的建模方法已有很多种。Petri网是描述、分析离散事件动态系统的有效工具。将Petri网方法用于FMS最成功的报道是Murata等人的工作。他们基于一般Petri网提出了一种控制网结构, 结合IF-THEN规划, 成功地实现了单元协调器的监督和诊断[1]。用Petri网分析FMS时, 随着其复杂度的提高, 会导致Petri网内节点数过多, 从而使得建模与模型分析较为困难。文献[2]通过Petri网建立了小型FMS系统的模型, 并通过计算基本信标来防止死锁。由于Petri网模型是采用了面向过程的思想, 使网络结构非常复杂。文献[3,4]均采用了面向对象技术和简单的Petri网模型对FMS进行建模, 降低了系统仿真的复杂度。文献[5,6]也采用了面向对象的思想进行Petri网建模, 此外把FMS系统进行了简单分类, 使模型的表达较清晰, 然后采用可变时间流控制仿真。综合目前的建模和仿真方法, 虽然越来越简单、完整, 但缺乏统一的分析方法, 使建模和仿真程序设计的联系性和统一性较差。
可见, 面向对象技术提供了一种更为直观、更符合人的思维习惯[7]的描述、仿真和设计大型复杂系统的方法, 并且面向对象的建模方法克服了面向过程的一些缺点, 如模型复杂、容易产生冗余、容易死锁等。同样用面向对象技术开发出来的仿真软件具有易于维护和可移植性好的特点, 也被许多学者用于仿真软件的开发和设计中。利用面向对象技术对Petri网中各类元素进行对象化处理, 每一个类对象可以建立一个单独的对象子网, 对象子网建立好以后, 分析子网之间的关系, 将各个子网连接为一个系统。面向对象技术的引入进一步增强了Petri网的描述能力, 使得柔性制造系统的Petri网模型创建过程简化。
本文就是采用面向对象的思想, 用一种映射原理对FMS的物流过程进行着色Petri网建模, 及对该模型的仿真程序进行设计方法的分析。尽可能通过此映射方法思路清晰地对一个实际系统进行建模及仿真程序设计。
1建模分析
FMS是典型的离散事件系统 (DiscreteEvent System, DES) 。对于离散事件的建模方法有很多种。其中Petri网模型具有良好的网络图形结构以及建模过程, 因此Petri网在现实中的应用更加广泛。使用面向对象技术创建Petri网时, 比较简单的方法是从真实系统推导出类的体系[8], 将现实中实际存在的对象做抽象处理, 即映射, 得到各类对象的Petri网模型, 每一个对象的Petri网模型作为整个系统模型的对象子网, 然后通过网间接口信息的传递使之成为一个有机系统。
1.1 FMS硬件系统分析
本文以一个小型的FMS系统为例进行分析, 它由四台CNC机床、两台AGV自动导航输送车辆、一个小型自动化立体仓库和若干加工零件组成, 其系统的物理结构如图1所示。根据面向对象思想将本系统划分成五个大类:工件类、刀具类、机床类、AGV运输设备类和自动化立体仓库类。
FMS系统的工作过程是由工件的加工工艺文件驱动, 如图1所示, 系统的工作过程如下:首先由工件对象读入工件的加工工艺文件, 然后根据当前加工的工序申请所需的机床资源, 再由机床请求AGV, AGV申请仓库提取工件, 仓库堆垛机取出工件后回应AGV信息, 即AGV可以前来运送, 若工件不在仓库而在别的机床输出缓冲区时, 则直接把它从一台机床运送到另一台机床而不进行仓库操作, AGV运送结束后回应机床信息, 工件已运达机床, 即工件此时进入机床输入缓冲区进行加工任务队列排序准备加工。同时机床根据加工零件的工艺要求在工件申请机床的信息中提取对应的刀具信息, 并扫描机床刀库寻找相应的加工刀具, 若没有相应的加工刀具则向刀具对象提出刀具请求, 再由刀具对象请求AGV, 然后如同工件一样经过一系列申请与传递由相应的AGV把刀具从仓库运达机床。刀具和工件都具备后, 机床按工艺表的工序时间进行加工, 加工完成后, 工件对象继续读取工件的加工工艺文件, 进行下一道工序的操作, 如此循环直至所有工序加工完毕, 最后工件、刀具申请AGV进行入库操作。
1.2 映射机制
1.2.1 基本Petri网理论
基本Petri网可以分解为一个五元组 (P, T, I, O, M0) 其中:
P={P1, P2, P3…Pn} 为库所集
T={T1, T2, T3…Tn} 为变迁集
I={I (t1) , I (t2) , I (t3) …I (tn) } 从P到T的输入函数
O={O (t1) , O (t2) , O (t3) …O (tn) } 从P到T的输出函数
P∪T≠Φ, P∩T=Φ
M0为系统运行的初始标识。
Petri网具有直观的图形表示方法[9]:
(1) 库所, 即P元素, 在Petri网中用“O”表示, 它表示了系统中某一资源的状态或者相关信息。
(2) 变迁, 即T元素, Petri网中用“▮ ”表示, 资源的消耗、使用以及信息的传递都由变迁来实现, 它使得系统状态由初始状态M0跃迁到另一状态。
(3) 箭头“→”又称为有向弧, 用来连接库所和变迁, 它表达了库所和变迁之间的因果关系。
近几年, 高级Petri网, 如赋时、着色、面向对象等扩展Petri网, 被广泛的采用。文献[10]用着色Petri网建立了物流分拣系统模型图, 通过着色把托肯分类:货物流动托肯、信息托肯、机器托肯。降低了建模难度, 增强了模型的灵活性。文献[11]中E Kindler等学者分析了FMS不同的情况和水平下, Petri网模型的各种变化形式。从国内外的众多研究来看, Petri网及其各种扩展形式已成为系统建模最直观、最便捷的首选方式之一。
1.2.2 映射模型分析
基于Petri网的上述理论描述, 即可对本文讨论的FMS物流系统采用映射的方法进行建模, 采用面向对象的思想, 首先根据系统硬件的物理结构将FMS的五大类抽象映射为Petri网的五大子网及网间接口联系, 如图2所示。
考虑到FMS系统的工作原理及传递的信息类型, 物理系统到着色Petri网模型的映射原理和过程如下。
(1) 库所
1) 状态信息 比如机床的工作情况信息:有忙/闲两种状态表示;刀库状态:有刀具满足/不满足;AGV对象的运送状态:有忙/闲, 等类信息。这类信息内容较简单, 可以用一个库所表示, 直接对应Petri网的库所信息。
2) 队列信息 对于基于订单的加工工艺文件、机床输入缓冲区的加工任务队列、AGV的运输任务队列、仓库堆垛机的任务队列等信息, 其内容包含任务编号、工序号、当前位置、目标位置、当前状态等项, 可以作为一个信息串处理, 即队列信息。这样的信息虽然内容较丰富, 但也属于当一定条件发生时相对应的资源状态发生改变或转移, 可映射为库所表示。
3) 网间回应信息, 即接口信息 比如工件对象申请机床加工时传递的信息、机床申请AGV运送的工件或刀具信息、AGV申请仓库出入库的资源信息等。这类信息属于FMS硬件系统类与类之间的信息传递或信息交换, 所以归类为网间接口信息, 也映射为库所表示。
(2) 变迁
1) 基本变迁 在系统运行过程中, 各Petri网的子网内部库所之间需要进行信息交换或传递, 如机床加工过程结束后由机床忙转变为机床闲、以及AGV运输过程的忙闲状态转变等, 这些信息变化需要一个事件推动。由于变迁是Petri网资源在库所中流动的桥梁, 所以FMS系统的信息传递与转移的推动事件就可以直接映射为Petri网的变迁。加之此类变迁的触发控制较单一, 当它的触发条件满足时信息资源直接按有向弧的方向从一个库所流向下一个库所, 所以映射这类变迁为基本变迁。
2) 控制门变迁 在Petri网的各子网之间进行信息传递的推动事件触发时, 如工件对象向其他对象传递信息时, 有的是申请机床的加工任务, 有的是申请AGV的入库任务, 以及AGV请求仓库时有出库和入库两种信息流向。这类变迁在发射时要进行流向判断和调度控制才能触发, 所以把此类受控复杂的变迁映射为控制门变迁。
从以上映射原理可得出, 三类相应的信息就可以直观地映射为Petri网的库所, 而信息交换或传递的事件就可以直接映射为变迁了。基于对这种映射理论的分析, 就可以根据FMS系统的硬件资源情况方便直观地绘制出相应的Petri网网络结构图。下面以AGV运输车辆为例, 分析它的映射过程。
首先分析AGV对象的任务流程:通过接收工件、刀具的出入库请求或机床的待加工任务运输请求, 这些信息传递到AGV对象后进入AGV的任务列表等待AGV申请仓库出入库或申请其他机床释放输出缓冲区, AGV的申请得到仓库或其他机床回应后, AGV对允许运送的任务列表按一定调度算法排序, 然后按顺序进行任务配送。这时AGV的状态由闲变为忙。当运送结束后, 再由忙变为闲, 然后回应机床或工件、刀具对象到达信息, 此时一项任务完毕。根据对这一流程的描述就可以进行信息着色分类:把相应的请求、回应信息分类为网间接口信息;AGV的等待列表、运送列表为队列信息;AGV的忙闲状态归类为状态信息。根据映射理论将所有的这些信息映射为Petri网库所, 这些信息的连接桥梁及其推动事件就可映射为Petri网变迁了, 根据以上分析AGV运输车辆的Petri网模型如图3所示。
图3中, mp40～mp45所示的库所为不同的网间接口信息, m40、m41分别为AGV的优先级队列信息和AGV的任务等待队列信息, m42、m43分别表示AGV忙、闲状态信息。变迁t40～t44就是这些有向弧所指向的库所信息的转移的条件, 当条件满足时即可触发库所的资源改变或转移。
根据类似的映射原理, 同样可对工件、刀具、机床、仓库类进行映射, 再通过网间接口分析把各子网类进行整合, 形成整个FMS系统的Petri网模型, 经过整合后得到的整个小型FMS系统的Petri网模型如图4所示。
ON1—工件子网 ON2—刀具子网 ON3—机床子网 ON4—AGV子网 ON5—仓库子网
2 仿真程序分析
本文在建模的过程中, 采用了面向对象技术从物理实物映射为网络模型, 因此在程序设计中也采用面向对象的思想设计FMS系统仿真软件, 本文采用Visual c++ 6.0软件进行仿真程序分析。由于Visual c++ 6.0是一个面向对象的程序软件, 且该设计软件具有结构化、模块化、思路清晰、条理清楚、数据处理过程出错概率较低等优点[11]。软件程序中的类与模型中的各个对象子网相对应, 对象子网中的库所和变迁所对应的数据和函数, 将被封装成一个类。这样就保证了软件程序和系统模型的一致性, 有利于软件的开发及实现。
2.1 映射的思想
根据FMS系统的五大类的硬件构成原理及Petri网模型, 在程序设计时也可以设计为五大类, 这正好符合VC++的类对象化的思想, 图5是从模型对象子网到软件对象类的映射构造过程。
2.2 程序算法的实现
(1) 对于Petri网中的基本状态信息库所, 可以很简单方便地直接映射为仿真程序中的一些基本数据类型:int—整型、bool—逻辑型、Cstring—字符串型、float—浮点型等。如AGV工作状态可用一个逻辑 (布尔) 型变量表示:
bool AGVBusy; // AGV的忙闲状态, 1—忙、0—闲。
(2) 对于网间接口信息库所, 信息本身包含很多资源, 可用上图所示的映射机制, 采用一种特殊的结构体变量来包含这些丰富的信息内容。下面以图3中任务申请AGV进行运送的库所消息mp40为例分析此类库所资源结构的设计。任务申请运送时, 应该传递的信息有:任务的编号、ID号、申请的当前位置、以及目标位置等信息。根据这些信息的内容就可映射为C++程序语言的一个结构体变量, 使丰富的结构体内容与一个简单的Petri网库所相对应。
(3) 队列信息库所, 一般不发生信息转移仅仅是信息的变化, 如图3AGV对象的m41库所, 它包含工件、刀具等各等待运送任务列表。当AGV小车开始运送后它的库所信息数减少一个, 有新的任务时通过AGV接口传递进来后增加一个新任务即可, 所以在程序中它映射为一组结构体数组表示:
MsgAppAGV RiskList[10]; // 申请AGV的任务队列
(4) 对于Petri网模型中变迁的设计, 因为变迁在Petri网中是联系库所的中间桥梁, 由于变迁的触发才使得该变迁前面的库所资源信息流向后面的库所, 或使前后方向的库所信息状态改变。根据仿真的要求, 描述这种库所信息流动或改变的语句就映射为程序中的函数。无论是基本变迁还是控制门变迁都是根据其实际的发射和控制规则设计不同的函数语句。以此类推, 变迁的有向弧就映射成函数的输入输出流。
通过这些基本的库所、变迁的映射, Petri网模型对象子网也就映射为FMS系统的基本设备类, 如工件类、刀具类、机床类、AGV类、仓库类。Petri网模型对象子网的库所和变迁就映射成相应的程序设计语言的基本数据和函数。直至整个物流系统Petri网模型映射为FMS物流系统软件。映射后的数据结构和结构数组将被封装到FMS系统基本类中, 构成基本类的数据成员, 实现软件系统数据的封装。而函数和函数的输入输出流被封装到FMS基本类形成类的成员函数, 实现操作和过程的封装。FMS系统的基本设备类构成了应用程序类的一个基本单元, 由此基本单元可组成不同规模的FMS系统。由FMS基本类组成的具有特定形式和特定功能的FMS物流系统, 便形成了满足用户要求的一个实际的应用系统。
依据上述的映射原理, 开发了相应的仿真系统, 限于篇幅, 有关具体仿真结果将在另文中介绍, 在此不多赘述。
3 结论
通过对FMS物流系统从硬件物理系统到Petri网模型, 以及Petri网模型到仿真程序设计的分析, 根据映射原理, 可以看出由于本文采用了这种映射方法, Petri网模型的建模过程、仿真程序的编制都非常直观、易于理解, 具体系统的建模表明该映射方法是十分有效的, 以及模型和仿真的可扩展性极强。也验证了基于面向对象技术的映射思想给FMS建模和仿真程序设计带来的有序性、简单性、对应性、直观性。本文的方法与其它方法比较可大大节省整个系统的建模时间与仿真程序的开发时间, 适用于对各种规模FMS系统的设计、仿真和分析。
参考文献
[1]刘宏, 李志武, 叶尚.基于Petri网的FMS教学系统控制器设计.机械科学与技术, 1996;15 (6) :1015—1019
[2]张向峰.基于网的柔性制造系统死锁预防研究.西安:西安电子科技大学, 2005
[3]高春华.基于面向对象智能Petri网的FMS单元控制模型, 中国机械工程, 2001;12 (5) :507—509
[4]饶冬青, 李晓欧, 徐心和.基于面向对象着色Petri网FMS仿真软件, 系统仿真学报, 1999, 11 (2) :104—108
[5]舒海生.柔性制造系统工件流和刀具流动态调度的研究.哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2005
[6]葛敬军.基于对象的扩展有色Petri网及其在FMS物流系统建模中的应用研究.长沙:长沙理工大学, 2005
[7]饶运清, 李培根.FMS调度与控制的统一建模与集成设计.中国机械工程, 2002;13 (10) :855—859
[8]陈丹伟, 楼佩煌, 王宁生.FMS的对象建模.航空精密制造技术, 2000;36 (4) :21—27
[9]张海峰.基于Petri网的FMS物流系统建模及仿真.西安:西安理工大学, 2007
[10]黄银娣, 张沂泉, 邵明习, 等.基于Petri网的物流分拣系统的建模与仿真.物流技术, 2006; (3) :78—81
[11]Kindler E, Vladimir rubin and robert wagnser.Component Tools:Integrating Petri Nets with Other Formal Methods.Lecture Notes in Computer Science, 2006;4024:37—54
制造系统建模与仿真 篇2
《道路交通系统建模与仿真》是面向交通工程、交通运输、车辆工程等专业高年级学生的必修专业基础课。它为该专业学生进一步学习、研究道路交通问题打下了基础。其目的是通过对系统仿真的一般理论和研究方法的学习，了解应用系统仿真技术对各种道路交通问题进行仿真的基本方法，同时通过开发型试验，培养该专业学生今后从事交通工程、交通运输研究、应用的基本技能。
这门课对数学以及计算机程序编写都有较高的要求，但经过一个学期的学习，通过老师的讲解、多媒体教案的演示以及小组讨论完成作业，我对道路交通系统建模与仿真有了一些初步的认识和粗浅的理解，下面我把学习的心得体会作如下总结。
一、系统建模
随着智能交通系统(ITS)在全球范围内的兴起，作为其核心内容之一的交通仿真正成为国内外的研究热点。传统的交通仿真系统存在对道路、交通环境信息的管理能力不足等问题，而地理信息系统(GIS)作为一种新兴的、迅速发展的技术，具有很强的信息管理能力和信息可视化能力。
系统建模主要向我们介绍了传统的科学方法与建模、系统建模以及建模的一些方法。系统建模是通过计算机技术开发一些软件通过程序语言实现对一些实体系统进行模拟来达到研究学习的目的。系统的建模有很多种软件和语言，其中一种为UML（统一建模语言）。
公认的面向对象建模语言出现于70年代中期。从1989年到1994年，其数量从不到十种增加到了五十多种。在众多的建模语言中，语言的创造者努力推崇自己的产品，并在实践中不断完善。但是，OO方法的用户并不了解不同建模语言的优缺点及相互之间的差异，因而很难根据应用特点选择合适的建模语言，于是爆发了一场“方法大战”。90年代中，一批新方法出现了，其中最引人注目的是Booch 1993、OOSE和OMT-2等。此外，还有Coad/Yourdon方法，即著名的OOA/OOD，它是最早的面向对象的分析和设计方法之一。该方法简单、易学，适合于面向对象技术的初学者使用，但由于该方法在处理能力方面的局限，目前已很少使用。概括起来，首先，面对众多的建模语言，用户由于没有能力区别不同语言之间的差别，因此很难找到一种比较适合其应用特点的语言；其次，众多的建模语言实际上各有千秋；第三，虽然不同的建模语言大多类同，但仍存在某些细微的差别，极大地妨碍了用户之间的交流。因此在客观上，极有必要在精心比较不同的建模语言优缺点及总结面向对象技术应用实践的基础上，组织联合设计小组，根据应用需求，取其精华，去其糟粕，求同存异，统一建模语言。
二、关于仿真技术
所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。
系统仿真的实质是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效地来处理。仿真是一种人为的试验手段。它和现实系统实验的差别在于，仿真实验不是依据实际环境，而是作为实际系统映象的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。仿真可以比较真实地描述系统的运行、演变及其发展过程。
仿真的过程也是实验的过程，而且还是系统地收集和积累信息的过程。尤其是对一些复杂的随机问题，应用仿真技术是提供所需信息的唯一令人满意的方法。对一些难以建立物理模型和数学模型的对象系统，可通过仿真模型来顺利地解决预测、分析和评价等系统问题。通过系统仿真，可以把一个复杂系统降阶成若干子系统以便于分析。通过系统仿真，能启发新的思想或产生新的策略，还能暴露出原系统中隐藏着的一些问题，以便及时解决。
仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。仿真软件的种类很多，在工程领域，用于系统性能评估，如机构动力学分析、控制力学分析、结构分析、热分析、加工仿真等的仿真软件系统MSC Software在航空航天等高科技领域已有45年的应用历史。常用的有CATIA , UG ,PRO/ENGNIEER。仿真的方法主要是指建立仿真模型和进行仿真实验的方法，可分为两大类：连续系统的仿真方法和离散事件系统的仿真方法。人们有时将建立数学模型的方法也列入仿真方法，这是因为对于连续系统虽已有一套理论建模和实验建模的方法，但在进行系统仿真时，常常先用经过假设获得的近似模型来检验假设是否正确,必要时修改模型,使它更接近于真实系统。对于离散事件系统建立它的数学模型就是仿真的一部分。仿真工具主要指的是仿真硬件和仿真软件。仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。
三、建立模型
对本课程我们主要学习了微观交通仿真，即把车辆作为一个研究对象，对车辆进行标识和定位，在每一扫描时段车辆的速度、加速度和其它车辆特性被跟新和记录并反馈。仿真模型由两大部分组成：一部分是路网几何形状的精确描述，包括信号灯、检测器、可变信息标志等交通设施。另一部分是每辆车动态交通行为的精确模拟，这种模拟要考虑驾驶员的行为并根据车型加以区分。仿真系统要求能够建立和处理不同形式的路网，清晰地表现路网的几何形状，包括交通设施；能够产生进入路网的不同种类的车辆以及车的基本参数和运动状态；能够处理车辆在路网上的运行情况，准确反映出车辆间的相互作用。通过以上对建模和仿真的介绍，下一步老师重点对如何利用建模和仿真的方法建立道路交通系统的模型向我们做了详细的介绍。
道路交通的模型主要有以下几种：交通特征模型、车辆运行速度、事故预测、汽车振动模型、汽车跟车模型。
四、感想与心得
制造系统建模与仿真 篇3
(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)
0 引言
电力电子技术的发展，使得三相感应电动机的变频调速技术得到广泛应用.但是，三相感应电动机系统可靠性不足，只要有一相出现故障，就会导致系统崩溃;并且在大功率场合下，由于功率开关器件的串并联会出现不均压和不均流等一系列问题.与三相感应电动机系统相比，多相感应电动机系统在许多方面，尤其是在大功率场合具有突出的优势.在电动机容量一定和相电流不变的情况下，随着电动机定子相数的增加，所需供电电压降低，可用低压功率器件实现大功率，避免由功率器件串并联带来的问题.此外，对于多相感应电动机系统，当其中一相或多相退出运行或缺相运行时，系统无须停机，仍然可以稳定运行，系统运行可靠性提高.目前，多相感应电动机及其调速系统在电动汽车、船舰推进、航空航天等领域的研究和实践日益增加.［1－2］
本文主要研究六相感应电动机调速系统的建模及仿真.六相感应电动机的转子绕组仍为常见的鼠笼结构，定子绕组采用两组互差30°电角度的对称三相绕组构成的六相双Y型结构.若将鼠笼形转子绕组也等效为类似的六相双Y型绕组，则六相感应电动机的物理模型可用图1表示.研究表明，采用这种绕组结构可以有效削弱转矩脉动，大幅度减小电机的损耗，提高电动机的极限容量.
1 六相感应电动机的数学模型
为便于分析，同时也满足工程实际所需的精度要求，可作如下假设:
(1)定子、转子表面光滑，无齿槽效应，气隙均匀;
图1 六相感应电动机的物理模型
(2)不计铁磁饱和、磁滞、涡流影响及导体趋肤效应;
(3)气隙磁场正弦分布，忽略磁场高次谐波的影响.
1.1 三相静止A－B－C坐标系的数学模型
根据上述假设条件，由六相感应电动机的物理模型及电磁关系，可得其在三相静止A－B－C坐标系下的数学模型［3－4］.
1.1.1 磁链方程
六相感应电动机在A－B－C坐标系下的磁链方程为
式中:ψs为定子磁链向量;ψr为转子磁链向量;is为定子电流向量;ir为转子电流向量;Lss为定子自感矩阵;Lrr为转子自感矩阵;Lsr=LrsT为定、转子互感矩阵.
式中:Lls为定子等效两相绕组的自感;Llr为转子等效两相绕组的自感;Lms为定子与转子同轴等效绕组间的互感;θ为转子a1相与定子A1相之间的夹角.
1.1.2 电压方程
六相感应电动机在A－B－C坐标系下的电压方程为
式中:us为定子电压向量;Rs为定子电阻矩阵;Rr为转子电阻矩阵.
式中:Rs0是定子每相电阻;Rr0是转子每相电阻.
1.1.3 转矩方程与运动方程
六相感应电动机在A－B－C坐标系下的转矩方程为
若忽略电力拖动系统传动机构中的黏滞性摩擦和扭转弹性，则六相感应电动机在A－B－C坐标系下的运动方程为
式中:TL为负载转矩;ω为转子角速度.
1.2 两相旋转d－q坐标系的数学模型
六相感应电动机在A－B－C坐标系下的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，可以通过坐标变换对其进行降阶、化简，由此建立六相感应电动机在d－q坐标系下的数学模型.满足功率不变和磁动势不变的变换矩阵及其逆矩阵［5］如下:
其中:
式中:θs为d轴与A1轴之间的夹角;θr为d轴与a1轴之间的夹角.
1.2.1 磁链方程
六相感应电动机在d－q坐标系下的磁链方程为
式中:Lm=1.5Lms，为d－q坐标系同轴定子与转子等效绕组间互感;Ls=1.5Lms+Lls，为 d－q坐标系定子等效两相绕组自感;Lr=1.5Lms+Llr，为 d－q坐标系转子等效两相绕组自感.
1.2.2 电压方程
六相感应电动机在d－q坐标系下的电压方程为
式中:ωdqs为d－q坐标系相对于定子A1相的角转速;ωdqr为d－q坐标系相对于转子a1相的角转速.
1.2.3 转矩方程与运动方程
六相感应电动机在d－q坐标系下的转矩方程为
运动方程为
2 SVPWM技术
六相感应电动机采用电压源型逆变器供电时，定子电流谐波较大，这是因为定子绕组的阻抗较小.解决这一问题的有效方法是采用空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技术.
六相感应电动机定子采用双Y型绕组，其中定子绕组A1，B1，C1可由图2所示的六相桥式电压源型逆变电路的(一)组逆变电路供电;定子绕组A2，B2，C2由逆变电路的(二)组供电.［6］
图2 六相桥式电压源型逆变电路
当进行SVPWM时，可采用两组相位差为30°电角度的三相对称正弦波作为调制信号和同一个三角载波信号进行调制，生成两组触发脉冲控制逆变器上器件的通断，由此产生两组相位差互为30°电角度的SVPWM波，其基本电压空间矢量分布见图3.
图3 六相逆变器SVPWM基本电压空间矢量分布
3 MATLAB建模及仿真
3.1 SVPWM电压源型逆变器的建模仿真
按照上述SVPWM原理，在SIMULINK环境下建立SVPWM六相电压源型逆变器的仿真模型并进行仿真，有关参数:直流电压1 000 V，正弦波频率50 Hz，三角波频率1 860 Hz.仿真所得的逆变器输出相电压波形见图4.
图4 逆变器输出电压UA1和UA2
3.2 六相感应电动机调速系统的建模仿真
根据六相感应电动机在d－q坐标系下的数学模型，在SIMULINK环境下建立基于两相同步旋转坐标系下的六相感应电动机仿真模型，主要包括电压、磁链和转矩等3个子模块，见图5.由SVPWM六相电压源型逆变器供电，进行电动机起动和回馈制动的仿真.
图5 六相感应电动机的仿真模型
六相感应电动机额定数据如下:np=3，f1=50 Hz，Rs=0.22 Ω，Rr=0.47 Ω，Ls=0.039 5 H，Lr=0.039 5 H，Lm=0.036 4 H，J=0.116 N·m2.3.2.1 起动仿真
令负载转矩为零，仿真结果见图6.
图6 起动仿真结果
由仿真结果可知，空载直接起动只需0.3 s，转速就稳定在同步转速上.
3.2.2 回馈制动仿真
当电动机空载运行0.5 s之后，将负载转矩改成负值，进入回馈制动过程，仿真结果见图7.
图7 回馈制动仿真结果
由仿真结果可知，当电机转速超过同步转速时，电机进入发电状态，向电网回馈电能，仅需0.1 s就达到稳定，动态性能好.
4 结束语
在MATLAB/SIMULINK环境下，建立SVPWM六相电压源型逆变器供电的六相感应电动机调速系统的数学模型和仿真模型，并在此基础上分别进行直接空载起动和回馈制动的动态仿真.通过仿真结果分析，可知六相感应电动机调速系统具有较好的的动态性能和稳态性能.
［1］SMIRANDA R，JACOBINA C B，LIMA A M N.Modeling and analysis of six－phase induction machine under fault condition［J］.IEEE Trans on Energy Applications，2009，4(9):824－829.
［2］金爱娟，李少龙，任永德，等.六相感应电机的SVPWM技术研究［J］.测控技术，2004，23(6):40－42.
［3］LIN Chen，FAN Yang.Unified voltage modulation method for dual three－phase induction machine［J］.IEEE Proc 3rd Int Conf Machine Learning ＆Cybernetics，2004，26(29):672－677.
［4］李山，王明渝，刘和平.基于DSP的六相感应电机矢量控制系统设计［J］.大电机技术，2005(3):23－26.
［5］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.3版.北京:机械工业出版社，2003:63－270.
制造系统建模与仿真 篇4
关键词：机械制造技术基础,教学改革,数字建模与仿真
一、前言:[课程现状与不足之处]
《国家中长期教育改革和发展规划纲要 (2010-2020) 》及《中国机械工程学科教程》都指出:教师要把教学作为首要任务, 不断提高教育教学水平;加强实验室及实习基地等教学基本建设, 并深化教学改革。因此在现有教学条件下如何提高教学质量, 提高实践教学效果是《机械制造技术基础》等课程的必须面对的基本课题。
“机械制造技术基础”是机械工程学科的重要课程, 是机械设计制造及其自动化专业的一门必修专业基础课程。该课程的特点是实践性强, 要求理论学习与工艺实践的关系非常紧密。但由于课时少, 内容多, 理论学习与工艺实践常常脱节, 造成教学内容抽象和不直观等弊端。随着数字化技术的不断发展, 在《机械制造技术基础》课程的教学中引入三维建模与仿真技术, 将有效辅助课堂教学和实验教学, 从而提高教学效果并优化教学资源。
二、数字化建模与仿真技术的内涵与外延
随着计算机技术的快速发展, 数字化分析技术是快速解决实际问题的重要手段之一。数字化分析技术是基于计算机建模与仿真方法对工程或产品设计和制造过程的成本、外观、功能、性能、可制造性、安全可靠性及制造周期等指标进行分析和评价, 从而实际产品和工程的设计和制造提供参考依据及其优化。涉及包括产品设计、工艺设计和制造过程的所有计算模型与仿真分析。数字化仿真和分析技术能够对特定产品进行性能分析、预测和优化, 以实现产品的技术设计与制造;其主要包括几何仿真分析和物理仿真分析。几何仿真分析主要从几何角度分析产品的运动状态、加工过程中干涉、碰撞及数控NC代码检验等。
物理仿真分析主要分析产品物理特性, 如结构力学 (包括线性与非线性) 、加工动力学、效力学、流体力学、电路学、电磁学等等。而越来越多的发展应用在不同的领域, 像流体与结构力学的结合, 电路学与电磁学的结合, 应用也越来越广泛。
三、目前数字化仿真和分析软件将成为工程师实现其工程创新和产品创新的得力助手和有效工具
常用的典型数字化建模与仿真软件有许多种类型:根据不同要求, 采取不同成熟软件进行设计。其中三维实体造型软件已广泛应用于机械设计及制造领域, 如Solid Works、Pro/E、UG和CATIA等功能强大的软件, 这些三维实体建模软件可以快速的建立零件、进行装配, 非常直观看到物体的每个位置和方向, 可以检验干涉、碰撞等现象的发生, 可以非常形象的看到物体运动, 以及设计和制造的整个流程;运动学和动力学仿真软件, 如美国MSC.ADAMS, 德国SIMPACK, 比利时DADS, 该类软件采用数字化虚拟现实技术, 在给出初始条件下, 通过这些软件很容易测出物体某个零件的位移、速度、加速度、力、转矩等。有限元分析软件, 如MSC.NASTRAN, ANSYS、ABAQUS等, 能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究, 尤其在电子和制造业等领域有着广泛的应用;控制仿真软件, 如MATLAB很快解决数学计算上和控制方面难以解决的问题。通过这些软件建立可信度高的数字化模型和实体模型, 等效简化实际工况进行虚拟试验, 在设计阶段可以完全预测评价产品的各项性能,
四、课程教学改革内容及具体措施
采用数字化建模与仿真技术主要针对机械制造技术基础课程中的金属切削机床及关键部件的建模与仿真、金属加工的几何与物理仿真、机床关键部件的装配模拟及加工过程振动及其控制模型等进行改革与应用;
1) 课堂实例展示
通过引进建模与仿真技术后, 将磨削过程活灵活现展示给学生, 通过仿真系统可以实时改变不同初始条件和边界条件, 学生可以快速掌握和理解工艺参数对磨削力及表面粗糙度的影响规律。因此通过课件改进后提高了教学效果和教学质量。
五、结论与展望
5.1结论
1) 采用数字化建模与仿真技术对该课程中典型数控机床、金属加工过程等知识进行建模和仿真, 将有效提高教学效果并增强教学直观性。通过虚拟样机、虚拟加工及加工振动等知识点的课堂及实验教学, 从而提高教学效果和教学质量, 因此该课程数字化和可视化的实施将对机械类专业课程的教学改革具有一定的借鉴价值。
2) 由于篇幅等原因, 本文仅对三个实例进行讲解, 其实工艺流程、机床夹具、加工精度、机器装配等教学内容都可以通过数字建模与仿真技术来是实现。
5.2展望
1) 教学形式-----多媒体与板书有效结合
通过多媒体与板书有效结合将有利学生学习, 使学生接触到内容丰富、形式新颖课程知识, 形象模型和仿真及实验结果将激发起学生的学习兴趣, 快速掌握相关知识点。
2) 充分利用国家及省级资源共享平台
通过国家级省部级资源共享平台建设将对《机械制造技术基础》课程改革起到非常重要作用, 由以“教室课堂”教学模式转变以“网络资源共享”教学模式, 从而以“教师”为中心转化为以“学生”为中心的教学模式, 让学生真正发现问题, 独立解决问题的能力完善和提高, 以达到自主学习的目的。
3) 仿真与实验紧密结合
课程应以虚虚实实相结合, 这些虚拟仿真数据与实验紧密结合对比分析, 将给学生留下深刻印象;实践主要目的是让学生能及时掌握知识和消化知识, 而通过仿真与实践紧密结合让学生更直观掌握知识点的内涵和外延。实验教学和课堂教学相统一, 即把课堂教学搬到实验室, 通过实验的演示激发学生的兴趣, 引导学生对知识进行探索。
4) 教学与科研结合
课件内容以教学与科研相结合, 具有大量的图片和视频;不是简单的图片和动画, 而是在科研中获得仿真数据以图片和视频形式生动的展示给学生并产生浓厚兴趣;使学生除了掌握课堂上知识点, 同时让学生了解科研手段及科技发展方向, 因此使学生具有分析问题、独立解决问题, 并提出创新想法及解决问题手段。
参考文献
[1]孙淑萍, 胡秋宏.高职公共基础课教学改革的路径选择[J].职业技术教育, 2010, (4) :44-46.
[2]单力岩, 王丽丽.多媒体技术与《机械制图》课堂教学[J].职业技术, 2010, (4) :43-44.
[3]康兰.基于参数化技术的工程图学计算机辅助教学[J].机械设计与制造, 2005, 160-161.
[4]王成刚.对二维与三维工程图的思考[J].湖北工业大学学报, 2007, (6) :86-89.
制造系统建模与仿真 篇5
机载防撞系统水平防撞模型的建模与仿真
针对下一代机载防撞系统水平防撞的功能要求,采用相对距离水平投影的方法,根据空间碰撞威胁度和时间碰撞威胁度的.理论依据,建立了水平方向的冲突探测和防撞模型,并利用伽利略相对性原理导出了本机与入侵飞机之间的投影水平相遇距离和到最接近点的预留时间的计算公式.阐明了水平防撞模型的建模方法,制定出机载防撞系统水平防撞功能的仿真测试方案,并进行了基于时间流的计算机仿真和测试.仿真结果表明:该模型不仅能够预测出飞机在各个时间的相对方位、相对距离和相对高度,而且可以给出合理的水平机动措施,为飞行员提供左转或右转的角度指示以避免空中相撞.
作 者：彭良福 林云松 作者单位：彭良福(西南民族大学,电气信息工程学院,四川,成都,610041)林云松(电子科技大学,自动化工程学院,四川,成都,610054)
刊 名：空军工程大学学报（自然科学版） ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 年，卷(期)： 11(4) 分类号：V243 V249 关键词：机载防撞系统(TCAS) 广播式自动相关监视(ADS-B) 水平防撞 建模仿真制造系统建模与仿真 篇6
关键词：生产系统、建模与仿真、工业工程、Flexsim
【中图分类号】G642.3
1.引言
在项目前期规划、投资平衡分析、生产物流控制、资源分配、作业排序等生产制造领域，计算机仿真发挥了巨大作用，通过建立生产系统模型，采用计算机仿真软件模拟出真实生产运行状态和时间变化规律，对真实生产系统的性能和实际参数进行估计和判断，进而反映出系统运行本质规律，做出建立或改进系统的决策[1-3]。《生产系统建模与仿真》课程是《工业工程》、《系统工程》学科的专业课程，在课程设置上起着连接《基础工业工程学》、《系统工程》、《物流工程》、《现代制造工程》、《仓储规划与设计》等课程的桥梁与纽带作用，因此更强调建模理论与仿真软件的应用。因此，如何结合机械类工业工程专业特点，探索《生产系统建模与仿真》的教学实践和教学方法是一个很有意义的课题。
本文分析了《生产系统建模与仿真》课程建设现状，结合重庆理工大学工业工程专业学生实际特点，提出面向实验和应用的《生产系统建模与仿真》课程教学的改革方法，以制造业生产和物流主要研究对象，探讨了教学改革的措施与教学方法。
2.《生产系统建模与仿真》课程教材及现状
生产系统的多样性和复杂性，使其很难通过建立物理模型或采用实验的方法对其进行检验和评价，因此，借助软件和计算机技术模拟生产系统环境可节约成本，对未知情况进行提前预测。我国大学《生产系统建模与仿真》课程授课对象主体分为两类：一类是机械类工业工程专业学生，一类是管理类专业学生。普遍采用的教材有孙小明：《生产系统建模与仿真》，上海交通大学出版社；张晓萍主编：《物流系统仿真原理与应用》，中国物质出版社；苏春：《制造系统建模与仿真》，机械工业出版社；王亚超、马汉武主编：《生产物流系统建模与仿真》，科学出版社；王道平、张学龙主编：现代物流仿真技术，北京大学出版社。重庆理工大学工业工程系采用教材为王亚超、马汉武主编的《生产物流系统建模与仿真》，其它为参考资料。该教材上篇主讲系统仿真理论，下篇主讲基于Witness系统建模与仿真实例分析[4]。借助工业工程系正版Witness软件，该课程对学生了解生产计划、物流运行情况有很直观的认识。但该教材也存在明显的缺点。
3.教学改革措施及方法
通过与学生沟通、调研和实践，认为《生产系统建模与仿真》课程可从优化教学内容，加强实验环节、以应用为导向、举一反三，建立以培养知识 （Knowledge）、能力（Ability）、素质（Quality）三位一体的高级应用型专门人才为目标的开放性教学系统等几个方面开展教学改革。
（1）优化教学内容
根据学时设置不同，将授课理论内容重点集中在生产系统、离散事件系统仿真、加工系统、排队系统、系统仿真的概率统计知识等方面。理论教学主要采用讲授和课堂讨论相结合的方式，通过课堂报告和课程论文检验理论教学效果。另一方面，教师结合企业生产实际设计案例，供学生学习和体会。在实验仿真中，教师主要采用引导式教学，启发学生根据约束条件设计系统模型，然后进行仿真，提出改进措施。
（2）加强实验环节、以应用为导向、举一反三
针对本科学生就业实际和知识结果，重点加强实践环节，并应用为导向来设计生产系统仿真模型和案例，仿真模型为工程实际项目或案例，加深理解理论教学知识点，掌握一门系统仿真应用软件。为此，工业工程系在2011年新修订的教学大纲中，增加了实验环节课时量，之前实验课时为8学时，现在增加到16个学时，突出了实验的作用。另外在实验过程中，设计实际生产和制造情境，以应用为导向，将模型举一反三。
（3） 建立以培养知识、能力、素质三位一体的高级应用型专门人才为目标的开放性教学系统
深化教学改革人才培养模式，要根据社会需要和专业自身特点设计人才培养目标。重庆理工大学工业工程专业于2003年开办，结合机械类和理工科大学的特点，工业工程专业人才培养目标可定位为知识（Knowledge）、能力（Ability）、素质（Quality）三位一体的高级应用型人才（KAQ），该人才培养模式的组织样式和运行方式如图2所示[5]。
图2 KAQ人才培养模式路径演化图
基于工业工程KAQ人才培养模式，在《生产系统建模与仿真》课程的教学活动中应拓展相关知识，进行其他各种教育活动，注重知识传授的综合性和拓展性。因此，在教学中强调生产系统建模知识能更广泛的涵盖专业技术、物流、经济管理等领域，实现以基础知识为前提、专业理论为支撑，综合知识为辅助的知识体系，并把该课程教学资料和实验视频上网，建立一套开放教学系统。在能力整合方面强调举一反三、灵活贯通，能根据同一模型针对不同的案例进行整体设计和优化。在素质教育方面，强调能综合利用建模与仿真知识实现专业拓展，打破现有固有成规，利用所学知识完成创造性建模工作和技术发明。
4.结论
《生产系统建模与仿真》涉及计算机、制造系统、数学建模等多方面的理论和知识，具有多学科、多系统相互关联的理论体系。本文分析了重庆理工大学工业工程系《生产系统建模与仿真》课程教学内容，提出了面向实验和应用的教学体系改革思路，以加强实验环节，应用导向，培养KAQ三位一体应用性人才为驱动目标，优化教学内容、结构，锻炼学生实际动手能力，不断激发学生创新意识，最终提升学生的知识水平和综合素质。
参考文献：
[1] 谢美华，严奉霞. 系统科学专业《系统建模与参数估计》课程教学改革[J]. 高等教育研究学报，2010，33（4）：107-109.
[2] 刘兴堂，刘力，宋坤，等. 对复杂系统建模与仿真的几点重要思考[J]. 系统仿真学报，2007，19（13）：3073-3075，3104.
[3] 曹星平，邱晓刚，黄柯棣. 建模与仿真确认框架[J]. 系统仿真学报，2005，17（1）：252-254.
[4] 王亚超，马汉武，陈友玲等. 生产物流系统建模与仿真[M]. 科学出版社，2010，8.
制造系统建模与仿真 篇7
关键词：系统工程,系统建模,教学体系,培养方案
0引言
《系统建模与仿真》是南京信息工程大学系统工程专业开设的一门专业核心课程。本课程系统、全面地讲述数学建模与计算机仿真的理论、方法及应用, 使学生对系统的建模和仿真技术有一定的了解和掌握, 并对具体的事件进行分析和仿真实验, 由此能够应用于实际的系统分析中。
通过本课程的学习, 要求学生能够掌握建模与仿真的基本方法和技术及其仿真结果分析方法。能熟练地运用这些方法和技术及MATLAB/Simulink等软件对各类典型的系统进行建模与仿真, 并对仿真结果进行有效地分析。了解建模与仿真的学科前沿, 包括Agent的建模方法, Swarm仿真, Petri网建模方法, 分布建模与仿真。
1课程体系结构
鉴于《系统建模与仿真》课程的特点以及系统工程专业培养目标, 我们提出如图1的与该课程有关的课程教学体系。
与其他专业课程一样, 与《系统建模与仿真》密切相关的课程包括先导课程 (基础课、专业基础课) 以及后续的专业方向课程。基础课主要是高等数学、线性代数和系统工程导论;专业基础课以基础课为基础, 主要为专业课作铺垫和准备。专业方向课主要包括管理信息系统、专家与决策支持系统、现代制造信息系统、企业资源计划、供应链管理、电子商务、物流管理、企业信息化咨询等。所以, 《系统建模与仿真》在整个课程体系中起到了承上启下的作用。这样, 信息系统工程专业的与《系统建模与仿真》密切相关的基础课、专业基础课、专业课以及专业方向课程环环相扣、相辅相成, 共同构成了完整的教学体系。
2课程培养方案
《系统建模与仿真》课程建设本身就是一个系统工程, 为了体现“整体大于局部之和”的系统工程的思想和系统建模与仿真方法在实际应用中的重要性, 我们对课程教材内容做了适当调整和扩展, 并结合实际的应用案例进行分析和讨论, 在此基础上, 安排了一些教学实践环节, 让学生针对具体的应用系统进行建模分析, 最后应用仿真软件或者编写程序进行系统的仿真, 收到了很好的效果。表一是我们制定的《系统建模与仿真》课程培养计划及进度安排。
3结语
南京信息工程大学信息系统工程专业主要培养具备系统工程的基本理论和专业知识, 能在复杂的管理、生产、服务等领域从事信息系统分析与集成、设计与运行、研究与开发、管理与决策等方面的高级工程技术与组织管理的复合型人才。本专业开设的《系统建模与仿真》课程在整个专业的教学工作中起到承上启下的至关重要的作用。本文介绍了信息系统工程专业中与《系统建模与仿真》课程有关的课程教学体系结构和课程培养方案。在课程教学方案和教学方法上, 笔者作了较为深入的探索与实践, 使学生在学习理论知识的同时, 更加注重将理论知识用于工程实践。实践证明, 该方法在提高课程教学质量、培养学生的综合素质和能力方面, 取得了良好效果。
参考文献
[1]钱学森, 等.论系统工程 (新世纪版) [M].上海:上海交通大学出版社, 2007.
[2]刘思峰, 方志耕, 朱建军, 等.系统建模与仿真[M].科学出版社, 2012.
[3]齐欢, 王小平.系统建模与仿真[M].清华大学出版社, 2013.
系统建模与仿真技术探讨 篇8
1. 系统概念与分类
1.1 系统概念
系统概念范畴很广, 通常包括系统的定义、结构、层次、实体、属性、行为、功能、环境、演化与进化等, 它们均与系统建模有关。系统创始人奥地利学者贝塔朗菲认为, 系统是相互作用的多元素复合体。我国著名科学家钱学森认为, 系统是相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的、具有特定功能的有机体[1]。所以, 在自然界和人类社会中, 凡是具有特定功能、按照某些规律结合起来相互联系、相互制约、相互作用、相互依存的事物总体, 均可称之为系统。
1.2 系统分类
因为系统之间存在一定的规律和相互关系, 所以可从不同的角度对系统进行分类, 常见系统分类见表1。
2. 系统建模技术
2.1 系统模型概念及性质
系统模型是对实际系统的一种抽象, 是系统本质的表述, 是人们对客观世界反复认识、分析, 经过多级转换、整合等相似过程而形成的最终结果, 具有与系
表1系统分类表
统相似的数学描述或物理属性, 以各种可用的形式给出研究系统的信息[2]。一个有效的模型能够反映原型的主要特征及功能, 并具有如下基本性质:普遍性 (或等效性) 、相对精确性、可信性、异构性及通过性。
2.2 系统建模及过程
系统建模其实就是建立系统数学模型, 简称系统数学模型。数学模型就是描述系统内、外部变量间相互关系的数学表达式, 它的最终目的是确定系统模型形式、结构和参数, 获得正确反映系统表征、特征和功能的最简数学表达式。从仿真的角度来看, 系统模型包括数学模型和仿真模型两大部分。仿真建模是将非形式化模型或数学模型变换成计算机系统能够识别和运行的模型, 也称为二次建模。
系统建模的一般过程:观察和分析实际系统、提出问题、做出假设、系统描述、构筑形式化模型、模型求解、模型有效性分析 (包括模型校验、验证机确认) 、修改模型、最终确认和模型使用。
2.3 系统建模基本理论和方法
系统建模是以多个学科为基础, 包括数学建模和仿真建模两部分。模型论、相似理论、系统论和辨识理论是系统建模的基本理论, 同时还有复杂适应系统理论、自组织理论、网络理论、定性理论、云理论、模糊理论、灰色系统理论、元胞自动机和支持向量机理念、马尔科夫理论、原模型理论及综合集成研讨厅体理念及虚拟现实理论。由于建模理论较多, 相对应也产生了不同的建模方法。
从系统建模的定义可以得出, 系统建模方法就是数学建模方法, 是建模方法的一种。它是系统建模与仿真技术体系中的一部分, 也是在工程设计和计算中经常用到的一种建模方法。各类建模方法的使用详见文献[2]。
3. 系统仿真技术
3.1 定义及分类
系统仿真是以相似原理、系统技术、信息技术以及其应用领域有关专业技术为基础, 以计算机和各种模拟器及专用物理设备为工具, 利用系统模型对真实的或假想的系统进行动态研究的一门综合性技术[4]。
系统仿真其实就是建立系统模型, 并运行该模型进行科学实验研究的全过程。对于系统仿真来说, 由于仿真目的不同可以将系统仿真分很多种类, 如图1所示。
3.2 工作流程
数学仿真包括了三项基本要素:系统、模型和计算机。联系三要素的基本活动为系统建模、仿真建模和仿真试验。
本文中所阐述的系统仿真工作流程主要是以计算机为基础的数学仿真的工作流程。
(1) 系统定义。根据仿真目的, 规定和假设系统的边界、参数及约束条件。
(2) 数学建模。根据系统相关的基础理论、仿真目的和试验资料来确定系统数学模型的基本框架、结构和参数。
(3) 模型转换。根据数学模型形式和参数, 将数学模型转换成仿真模型, 建立仿真试验框架, 校核仿真模型。
(4) 程序设计。利用仿真软件将仿真模型输入计算机, 根据试验数据进行仿真程序设计。
(5) 仿真试验。
(6) 仿真模型校核、验证与确认 (VV&A) 。
3.3 仿真软件
仿真软件是系统仿真实现的工具和平台, 不同系统仿真模型的仿真过程需要不同的仿真软件来实现。仿真软件的种类和功能不断更新和完善, 促进了系统仿真技术的突飞猛进。根据仿真要求和目的不同, 仿真软件可以分为不同类别。
数据库技术是系统仿真技术的开发技术之一, 尤其是对大规模分布式仿真起着重要的作用。数据库管理系统 (Database Management System, DBMS) 是用户和操作系统间的管理软件, 包括了Oracle数据库管理系统、SQL Server数据库管理系统和Access数据库管理系统。
地理信息系统 (G e o g r a p h i c a Information System, GIS) 是仿真系统的基础, 是仿真实体仿真效果和实体状态显示的平台。常用的GIS基础平台软件有, Map GIS、Super Map GIS和Geo Star GIS。另外还有一些桌面软件、专业软件和应用软件, 详细介绍见文献[6]。
随着科学的发展, 虚拟现实技术已经成为了系统仿真的一项新技术, 实现了创建和体验虚拟世界的目的。目前常用的建模和仿真软件有Creator、Open GL、Open GL Performer、Vega和Vega Prime。
除了上述仿真软件之外, 在作战系统仿真中的软件有计算机生成兵力 (Computer Generated Forces, CGF) 系统和STAGE (Scenario Toolkit and Generation Environment) 作战仿真软件。各类仿真软件的详细介绍参见文献[6]。
4. 小结
本文对系统模型与仿真技术基本概念和理论进行了探讨, 构建了系统建模体系和系统仿真分类树图。为初次接触系统建模与仿真技术的读者提供了基础理论和方法相关知识, 使其能够对系统建模和仿真技术有一个初步的了解和认识。
摘要：主要从系统建模与仿真的基本概念、基本理论、系统建模方法、系统仿真体系结构、仿真工作流程等几个方面对建模与仿真技术进行了初步探讨和研究。构建了系统建模分类表和系统仿真分类树图。
关键词：建模,仿真,仿真软件
参考文献
[1]刘兴堂, 梁炳成, 刘力, 何广军等.复杂系统建模理论、方法与技术[M].北京:科学出版社, 2008, 6
[2]王庚, 王敏生.现代数学建模方法[M].北京:科学出版社, 2008, 2
[3]唐凤举, 杨惠珍, 高立娥等.现代仿真技术与应用 (第二版) [M].北京:国防工业出版社, 2010
[4]彭晓源.系统仿真技术[M].北京:北京航空航天出版社, 2006, 12:1
[5]肖田元.系统仿真导论[M].北京:清华大学出版社, 2000:1～11
水面舰艇光电干扰系统建模与仿真 篇9
1 仿真系统组成
水面舰艇光电干扰仿真系统由环境仿真单元、仿真控制单元、威胁源仿真单元、探测仿真单元、指挥决策单元、干扰仿真单元、态势显示单元、作战效果评估单元、数据库单元等构成,仿真系统组成如图1所示。
(1)环境仿真单元主要模拟自然环境对舰艇内各种装备及光电干扰过程产生的各种影响。例如,环境造成的光电成像设备的性能下降、电磁波能量的衰减、气流对导弹飞行的扰动等。
(2)仿真控制分单元提供对抗双方的初始设置和实时监控对抗全过程,可根据需要进行对抗过程开始、推进、暂停、结束,并且能够对仿真过程进行记录和回放。
(3)威胁源仿真单元主要模拟舰艇面临的光电侦察威胁和反舰导弹威胁。
(4)探测仿真单元、指挥决策单元、干扰仿真单元用来模拟光电干扰装备的功能。探测仿真单元搜集各类战场情报信息,为平台自身的安全提供保障。指挥决策单元具有汇集情报信息、进行态势分析和干扰决策、管理可利用资源等功能。干扰仿真单元模拟干扰设备功能,对威胁类目标进行干扰。
(5)态势显示单元主要完成战场三维和二维态势显示。
(6)作战效果评估单元能够对在线和离线的数据进行分析、统计,给出综合效能评估结果。
(7)数据库单元能够动态存入仿真想定、仿真过程和仿真结果数据,支持仿真记录回放和效能评估。
2 仿真系统主要模型
水面舰艇光电干扰系统涉及的模型非常丰富,主要包括:运动平台模型建模(包括飞机、导弹、舰船等)、光电干扰装备功能模块建模、威胁类型模型建模(光电精确制导武器模型)、效能评估模型、仿真系统控制模型、环境模型、数据库模型等。以下章节分析了其中几种重要的模型建模技术。
2.1 反舰导弹运动模型
反舰导弹运动模型建模是系统建模的重点和难点。反舰导弹发射后,导弹在惯导系统控制下左右转弯,进入初始航向,然后自动下滑到预定高度。到达作战海面上空时,导弹再次下降,在预定的航线分段点转入最后攻击航线进行掠海飞行。在接近目标时,导弹爬升到一定高度,导引头开始搜索;发现目标后,自动跟踪,将导弹导向目标,使导弹击中目标舰吃水线上方,将其击毁。
通常,导弹沿六自由度运动,即导弹姿态运动和质心运动。反舰导弹作为控制对象,其建模主要考虑动力学模型建模和运动学模型建模。
惯性坐标系下的导弹质心运动方程的形式如下
式中,m为导弹质量(kg);为导弹质心相对惯性坐标系的加速度(m/s2); G为地球引力(N);R为空气动力(N)。
为确定导弹质心相对于惯性坐标系的运动轨迹,需要建立导弹质心相对于惯性坐标系运动的运动学方程如下
用反舰导弹的运动速度VM及弹道倾角和弹道偏角描述导弹的质心运动学方程为
式中,σ为弹道倾角;θ为弹道偏角。
反舰导弹姿态的运动学方程可直接应用导弹转动角速度ω在弹体坐标系的投影导出。
即
式中,ω为转动角速度;γ为导弹滚转角;ψ为导弹偏航角;φ为导弹俯仰角。
根据上面建立的运动模型编写程序,可以得到反舰导弹的运动轨迹及姿态等。为了模拟反舰导弹在真实环境中的作战情况,在模拟程序中还加入了气动偏差模型程序及风干扰模型程序,从而可以模拟多种作战环境对反舰导弹制导控制系统的影响。
2.2 红外三维场景模型
红外三维场景的产生,首先根据仿真目标的几何外形和红外辐射特性,利用三维建模软件建立红外三维模型,生成多边形文件。红外三维模型中红外纹理的灰度起伏反映的是物体表面红外辐射值的空间分布情况。一般对红外辐射的计算都是通过普朗克公式实现的。而对辐射值的研究又主要集中在对物体表面温度场分布的研究,满足物体实际的温度场分布一定程度上决定了红外纹理的客观真实性,而纹理细节是在整体特性上进行微观调制。所以在对模型表面的温度分布场进行研究时,将温度场分为两部分:一部分是由物体的固有属性决定的宏观均值温度;另一部分是由对应的可见光纹理(或实测反演数据)决定的微观纹理特征。
通常情况下目标可以认为是灰体或是不同灰体的组合,而灰体的反射是漫反射,发射是漫发射的,其辐射亮度与辐射出射度存在如下关系式
式中,L为目标辐射亮度;M为目标辐射出射度。灰体的辐射出射度为
根据普朗克辐射定律,对于黑体,其辐射出射度为
式中,Mb为黑体辐射出射度;λ为波长;C1为第一辐射常量= 3.742×104W· cm-2;C2为第二辐射常量=1.438 82×104μm· K ;T为黑体表面温度;ε为灰体的发射率。
由式(6)、式(7)、式(8)可得
由式(9)可以看出,目标各部分辐射亮度与目标的温度场及发射率相对应。得到了这个对应关系,通过比较模型的最高温度和最低温度,解算出模型中各种材质的灰度等级,作为制作红外纹理的一个依据。
红外三维模型建模后,利用实时视景仿真软件Vega调用三维模型,对三维模型进行实时渲染。在这部分,还要考虑各种目标以及观察者的运动状态,对场景中的静态及动态目标进行实时模拟;还要读取气象条件数据,使用封装成动态链接库的大气吸收、大气散射、大气湍流等大气传输效应数据。输出图像经过修正后,得到三维红外场景图像。
2.3 数据库模型
数据库模型包括综合基础数据库和数据库管理系统。其中综合基础数据库存储的是仿真过程各个阶段产生的数据,包括想定数据、作战过程数据、作战结果数据以及各种模型等。数据库管理系统具有典型的数据存储、查询、修改、统计等功能。数据库模型可以动态地为整个仿真系统提供试验数据的调用与存储,支撑各种仿真试验以及效能评估,其中数据存储是通过ODBC驱动器的标准接口和关系数据库标准语言SQL存储在Oracle8.1.17数据库系统中。
ODBC是为客户应用程序访问关系数据库时提供的一个标准接口,对不同的数据库,ODBC提供了一套统一的API,使得应用程序可以应用所提供的API,访问任何关系提供了ODBC驱动程序的数据库,而且,由于ODBC已经成为一种标准,所以现在几乎所有的关系数据库都提供了ODBC的驱动程序,从而使得ODBC应用更加广泛。SQL是一种介于关系代数与关系演算之间的结构化查询语言,它是一个综合的、功能极强同时又简捷易学的语言。SQL语言集数据查询(data query)、数据操作(datamanipulation)、数据定义(data definition)和数据控制(data control)功能于一体,它具有综合统一、高度非过程化、面向集合的操作方式、以同一种语法结构提供两种 使用方式 和语言简 捷等特点 。Ora-cle8.1.17是Oracle公司开发研制的产品,Oracle的面向对象特征将面向对象的对象引入到关系型数据库中,使Oracle成为混合型的对象-关系型数据库。
为满足对系统管理的需求,系统应具备如下的数据库表:用户登录表、文件属性表、实验数据分类表、数据类型表、系统表、实验数据明细表等多种表。在数据库系统的开发过程中,必须注意代码、表和数据列命名的标准化和规范化,这样用户能够对数据库的各种存储数据清晰明了,在使用过程中能够快速有效地对数据进行存储、查询和修改等。经系统运行测试,数据库系统的数据处理时间小于100 ms,数据存储空间达到200 M,能够满足仿真系统使用需求。
3 仿真系统工作流程
水面舰艇光电干扰仿真系统采用高层体系结构HLA架构整个仿真系统,利用HLA提供的分布式仿真运行支撑软件RTI作为仿真系统的支撑,为系统提供一个仿真软件环境。RTI能够将符合仿真要求的对象连接起来,完成对象之间的交互、仿真时间的管理、数据的发送和接收等。系统利用模型编辑工具软件生成对象模型文件,利用规划生成方案软件生成执行方案。态势显示平台利用实时三维建模工具Creator与视景驱动软件Vega设计并开发,实现了一个地形复杂、运动实体多样、环境效果逼真的虚拟视景平台,该仿真平台可切换多种视点模式,提供了多种操纵界面,满足视景仿真需要。
系统根据仿真模拟的不同的光电干扰过程,制定相应的作战想定方案,运用相应的数学仿真模型,在作战仿真平台上对不同想定进行推演和验证,并对对抗效果进行评估,比较分析在不同条件下系统的作战能力。首先,根据舰艇所面临的作战环境、主要威胁类型及作战装备等条件,选择不同的光电干扰模型组件组成相应的威胁目标、保护目标、光电干扰装备等,通过人机交互进行想定设置,确定加入系统的装备模型;其次,利用仿真运行支撑软件作为仿真运行支撑,利用仿真控制软件对仿真过程进行控制,控制仿真启动、推进、暂停、结束等;最后,利用效能评估模型对仿真过程进行在线或离线的效能评估,检验系统的作战效能,得出系统作战效能指标并对其进行定性定量分析,对光电干扰装备作战能力进行评价。仿真系统工作流程如图2所示。
4 仿真试验结果
基于以上仿真模型,建立了仿真试验系统,并进行了仿真试验。在没有光电干扰的情况下,反舰导弹导引头能够稳定跟踪目标,制导系统能够根据导引头指令调整飞行轨迹并击中目标。图3a~图3c给出了在无干扰条件下,导弹锁定、跟踪、击中舰船目标的过程。可以看出,导弹能够很好的锁定、跟踪目标,从而完成引导导弹击中目标的作战使命。无干扰条件下攻击目标过程及弹目关系如图3、图4所示。
在干扰能量不是很大的情况下,在远距离产生的光斑很难将大目标遮蔽,反舰导弹脱靶信息偏差不大,跟踪比较稳定,命中目标几率很大。有干扰条件下攻击目标过程及弹目关系如图5、图6所示。
干扰功率达到一定程度情况下,在远距离产生的光斑 能够遮蔽 目标图像 ,造成反舰 导弹脱靶信 息偏差很 大 ,比较容易 产生脱靶 信息很大的情况。干扰能量较大情况下攻击目标过程及弹目关系如图7、图8所示。
对比以上试验数据可以看出,当干扰功率达到一定程度后,能够影响导弹对目标的跟踪过程,从而使导弹偏离攻击目标,导致导弹命中概率的降低。
5 结 语
虚拟电梯控制系统建模与仿真 篇10
电梯是一个典型的控制对象,目前电梯的控制主要采用PLC控制系统。在电梯控制系统的工程设计中,首先要经过控制系统逻辑关系的设计编程,然后进行运行试验测试,取得满意效果后才能投入实际系统中使用。但是,由于受到场地、经费等诸多客观条件的限制,直接使用实际电梯对象进行控制测试是不现实的[1]。为此,需要应用和现场相一致的PLC控制设备与具有相应功能的虚拟对象相结合的方式搭建电梯控制运行的测试平台,这样既可在实验室里进行控制系统软件的早期开发,同时又可以进行控制算法的优化设计和测试。应用力控监控组态软件构建虚拟电梯模型,通过调用力控组态软件的通信接口,实现了Twincat 软PLC与虚拟电梯模型间的实时数据交互,实现了控制器软PLC与虚拟电梯模型集成的目的。这种新型测试平台改变了以往实物实验测试平台的运行模式,可以实现全虚拟运行。
1 三层虚拟电梯建模
应用力控组态软件对三层电梯进行虚拟建模来模拟电梯运行逻辑。为使模型简单可靠,在电梯建模时略去了和电梯逻辑控制关系不太密切的电梯结构,以实现电梯逻辑控制中关键结构平层开关的设计并用动画形式表达模型的运行状态。
1.1 三层虚拟电梯的结构
对于垂直运行的电梯,其结构主要由曳引机、巷道、对重装置、安全装置、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。电梯的控制主要是召梯、选层、减速、平层停站、开门、关门。但在建模时,为使模型简化并突出主要功能,在电梯模型中略去了曳引机、对重装置、安全装置等,重点设计了各层的外呼请求按钮,轿厢内请求按钮,开关门按钮和各层的平层开关等主要功能[2]。其中电梯的运行界面如图1。
其中,右侧的数字,表示轿厢内的操作面板;操作面板由进入轿厅的乘客控制,通过选择按钮输入选层要求,并由字体颜色改变来显示。此外,在轿箱内的操作面板上方还设置了开门和关门按钮。
1.2 三层虚拟电梯模型的设计
为真实模拟电梯的运行,首先把基本的输入输出信号进行定义,再设计基本的限位开关,然后进行基本的动画设计,最后进行通讯设置,以实现软PLC和电梯模型的联合运行。
1.2.1 组态软件实时数据库的设计
虚拟电梯的具体I/O点分配如表1。
1.2.2 平层开关的设计
虚拟电梯位置模拟可以通过电梯轿厢的位置坐标来实现,所以平层开关的动作与否应该通过轿厢当前位置坐标与楼层坐标对比后得到。其具体设计脚本如下:
1.2.3 动画的实现
动画连接即建立画面与数据库变量的对应关系,使静态画面动作,达到模拟真实情况.以轿厢为例,当软PLC采集到虚拟模型的呼梯命令,运行控制程序,引起实时数据库中控制变量UP/DOWN变化,然后执行相应上升/下降命令,实现轿厢上行/下行。电梯门的开闭和相关请求按钮响应等也须经过动画连接,最后达到虚拟电梯运行的动画效果。
轿厢的上下移动是通过对轿厢坐标的运算来实现的,对于轿厢上下移动控制是由up和down两个变量来控制的。其具体脚本程序设计如下:
程序执行时间间隔为100 ms。
1.3 三层虚拟电梯模型的群控扩展
电梯群控模型只需要按上述方法再设计一个同样的电梯模型,然后两电梯模型的外呼请求信号共用即可。其界面如图2所示。
2 电梯控制仿真程序设计
电梯控制仿真系统采用德国Beckhoff的TwinCAT软PLC与力控组态软件实现系统的设计。软PLC 技术是一种基于PC并遵循IEC61131—3编程标准的新型控制技术,与传统硬PLC 相比,为用户提供了更多的开放性,以及强大的网络通讯能力和更强的数据处理能力,是目前工业自动化领域研究的热点之一[3]。
其步骤为:先对电梯的各种不同状态进行划分;然后把具有相同性质的状态进行合并并考虑每一种状态的状态转移情况[4];最后对力控组态软件与倍福软PLC两者的通信进行设置,则由电梯的状态转移图和力控组态软件与软PLC两者的关联就可以快速且正确地设计电梯的控制程序。
2.1 电梯控制要求
1) 自动响应各层楼召唤信号(含上呼唤和下呼唤)。
2) 自动响应轿厢内服务指令信号。
3) 控制遵循顺路服务原则。
4) 自动开门。
5) 延时关门。
6) 待服务超时后自动下1楼等待。
2.2 电梯状态转移图
由于电梯在底层和顶层的控制规律非常相似,所以对一层和三层进行集中处理。当电梯在一层或三层时如果一二层有请求或一二层有内选且电梯关门到位,电梯此时就可以下行;当电梯在一层或三层时如果二层三层有请求或二层三层有内选且电梯此时关门到位,电梯此时就可以上行。当电梯在一层或三层时如果内选一楼三楼或一楼三楼有请求时,电梯此时停靠开门。具体状态转移图如图3所示。
二层由于在中间位置,可能上行或下行,所以要对二层进行单独的状态转移分析。当电梯在二层时,如果三层无请求一层有内选且二层关门到位或一层有请求且当前服务方向为下行时,电梯下行。如果三层有内选或三层有请求且当前服务方向为上行且已关门到位时,电梯上行。如果有二层内选或有和当前服务方向同方向请求时,电梯停靠开门。具体状态转移图如图4所示。
根据状态转移图可以写出电梯的控制程序。
2.3 PLC变量设置
变量设置的原则如下,第一所有的控制变量和指示变量都作为输出变量。第二各种限位开关信号和请求信号都作为输入变量。第三服务方向预测和表示各种服务状态的变量都设为中间变量。
3 系统的运行
系统运行前需要先进行通信设置,以实现控制器和虚拟电梯模型间的实时数据交换。然后把控制程序写入软PLC,运行电梯模型和控制程序,通过虚拟电梯的人机界面就可以观察控制程序对电梯的实时控制结果。
3.1 软PLC和力控组态软件的通讯设置
力控组态软件与倍福软PLC两者的通信可通过接口设置来实现,其步骤如下[5]:
1) 在力控IO设备组态中找到PLC,然后再在PLC中找到Beckhoff;
2) 选择BC系列进行设备配置,设置设备名称,更新周期设为100ms, 要和脚本程序执行间隔时间一致,超时时间设为8秒;
3) 进行冗余主机设置,填写AMSNetID和Port;
4) 在数据库组态中进行I/O数据的链接,首先选择你所建立的设备名称,然后增加连接项,通过设置参数类型,数据类型,地址偏移和位偏移来确定所要链接的软PLC变量。
通过以上设置就可以实现组态软件和软PLC之间的实时数据交换。
3.2 系统运行的步骤
通过对三层电梯控制系统的联合仿真表明了本文所提出的电梯模型设计方法的可行性。系统运行的步骤为:
1) 运行虚拟电梯模型;
2) 打开软PLC,并运行系统;
3) 下载PLC程序到软PLC;
4) 运行PLC程序;
5) 在虚拟电梯界面上进行操作,并观察电梯的运行情况。
系统的运行情况:第一步,在一楼有乘客进入电梯要去3楼,二楼有向上向下请求,三楼有向下的请求,此时电梯开始上升。如图5(a)所示。第二步,当电梯上升至二楼时,熄灭上楼请求指示,电梯开门等乘客全部进入电梯后关门。如图5(b)所示。第三步,电梯关门后继续上升,到达三楼后开门,并熄灭轿厢内的3楼请求和3楼下楼请求,等轿厢内乘客走出轿厢后下楼的乘客进入轿厢,然后关门。如图5(c)所示。第四步,关门后,电梯开始下降,同时有人选择了一楼内选,当电梯下降至二楼时开门,同时熄灭二楼的下楼请求指示,等待二楼乘客全部进入轿厢后关门,然后继续下降。如图5(d)、图5(e)和图5(f)所示。
3.3 基于仿真系统的电梯故障分析和故障模拟
设计PLC电梯控制程序时,由于控制逻辑比较复杂,导致原始控制程序常有逻辑错误,这时可以把原始控制程序写入软PLC中,并和电梯模型进行联合仿真,如果控制程序有逻辑错误,就可以在仿真界面上清楚地看出故障所在。然后可根据故障的表现来分析控制程序的错误所在。改变控制程序后再进行联合仿真,观察仿真模型的运行情况,如果控制程序仍有错误,可继续根据故障表现不断修改控制程序,直到电梯运行正常。
模型不仅可以分析和排除PLC控制程序的逻辑错误,而且还可以模拟一些常见的机械故障,例如我们可以把平层开关的功能禁用,然后就可以通过仿真模型观察当平层开关出故障时的电梯运行情况。通过已知故障表现和实际故障表现对比,就可以快速排除故障。
4 结语
该系统克服了电梯模型自身电气、机械故障等缺点,使用方便、简单、直观,可以为电梯程序的设计者提供一个综合系统设计测试平台,通过虚拟电梯模型可以很方便地模拟出真实电梯的各种动作情况,而且可扩展性好,可很方便地扩展至任意层数的电梯模型,以方便电梯PLC程序的调试,保证控制程序的正确性。由于虚拟电梯模型还可以模拟一些电梯常见故障,方便故障分析和排除故障。同时虚拟电梯模型成本低廉,而且不会在程序调试过程中由于程序的错误而导致设备的损坏。
应用本文方法,根据实际电梯层数设计相应的电梯模型,然后即可根据电梯控制状态转移图编写相应的控制程序,和相应的虚拟电梯模型进行联合仿真,观察电梯的运行情况,运用本文的故障分析方法,修改相应的控制程序,反复进行仿真修改,直到电梯模型运行正常。
该系统不仅可以应用于控制程序的逻辑调试,而且还可以主动进行电梯机械故障的模拟,该功能用于电梯的维修培训效果良好。所提方法应用于15层电梯控制程序设计表明,该方法不仅可以及时发现一些控制逻辑错误,而且电梯的运行速度快,可以节省调试时间,取得了良好的运用效果。
参考文献
[1]周永勤,周美兰,颜景斌,等.基于组态技术虚拟被控对象的PLC仿真实验研究.哈尔滨理工大学学报,2004;9(6):7—13
[2]胡兆勇,何汉武,罗海峰.基于虚拟PLC的四层虚拟电梯控制系统设计.装备制造技术,2004;(4):87—89
[3]德国倍福电气有限公司.TwinCAT PLC编程手册.北京:德国倍福电气有限公司,2005
[4]吴小滔,王素娟,唐国春.逻辑控制系统的一种建模方法.计算机仿真,2006;23(8):49—54
制造系统建模与仿真 篇11
凡强（1991.09-），男，四川南充，成都理工大学管理学硕士，人力资源管理。
唐霞（1990.12-），女，四川金堂，成都理工大学管理学硕士，人力资源管理。
摘要：针对超市顾客排队等候过久问题，将顾客、收银员抽象为不同的实体，利用Arena软件建立顾客排队系统仿真模型。通过模型分析能真实地反映超市排队系统的情况，若存在顾客长时间等待现象，超市可启动备用收银台，减少顾客排队等待时间和顾客流失量。
关键词：系统仿真；Arena；超市排队系统
一、引言
我国作为最大的发展中国家，同时也是人口数量最多的国家，在有限的资源条件下，人匀占有量很低。而在国内，人口的压力已经影响到环境、交通、就业、商品资源等多个方面。同时，我们能在各个地方见到排队等待现象，如病人看病挂号排队、银行顾客办理存储业务排队，大商场顾客购物结账排队等。然而，要求提高服务质量达到顾客全面满意，商场、机构需要关注顾客排队问题，运用科学的方法减少顾客等待时间，力求达到顾客全面满意，只有让服务和产品超越顾客的期望，才能让他们成为这里忠诚的顾客。本文以超市为载体，对其排队系统进行仿真建模研究。
我国大小超市众多，而顾客数量随机变动，使得大多超市都面临一个问题，那就是收银台的设置。众所周知，如果收银台多设置，对于超市必然会造成人力成本浪费；而收银台设置少了，顾客等待时间长又可能造成顾客流失。基于这样的情况下，需要考虑如何有效设置收银台数量。通过查找资料分析，多数顾客容忍的排队人数最多不超过6个，也就是说，当所有的收银系统排队人数均超过6人的时候，顾客可能会选择不购买商品，转而离开超市。[1]
Arena可视化仿真软件能直观地进行建模，同时使得简单的模型验证成为可能，广泛运用于生产制造系统、物流系统以及服务系统等领域。[2]利用Arena系统仿真技术，在超市采集实际数据，通过顾客随机到达所服从的分布以及服务时间的分布，仿真计算出实体在系统的平均时间，资源利用率和实体排队长度，确定出服务窗口的最佳个数，为超市服务系统的设计提供依据。
二、数据采集与处理
构造超市排队系统模型首先要从两方面入手，分别为实体顾客与收银员。为了提高收银员的服务效率，又把收银台分为一般服务结账台和积分服务结账台。本文以该地区某一大型连锁超市为例，并分别对顾客到达的时间和窗口服务时间进行数据采集。为了便于建立模型，先使用Arena Input Analyzer，分析出观察到的数据所服从的概率分布，才能确定建模时需输入的数据和参数。运用软件对两份数据的分析结果如表1所示。
利用Arena输入数据分析器得表1结果，可知顾客到达时间服从指数分布（Exponential），其表达式为：-0.001 + EXPO（1.36），同理可知窗口服务时间服从Gamma 分布，其表达式为：GAMM（0.738， 2.24）。
三、仿真分析
（一） 问题分析。顾客进入超市，寻找到自己所需要的物品之后，去结账时可能会因等待时间长而放弃购买，从而离开超市。据有效数据显示，顾客所能容忍的排队人数为6人，当排队人数超过6人时，顾客的选择导致模型中其属性值发生变化，进而可能会影响到决策行为的调整，即顾客选择离开本队列，插入到新队列的队尾或直接离开超市。
（二） 定义模块。运用create模块建立来临的顾客群，接下来采用一个decide模块判断是否人数超过6以及是否接受服务，如果接受服务，那么又分出有无积分卡服务。经过调查发现，超市的积分卡比例大概为3：7，即30%的人使用积分卡。建立如下流程图：
根据之前的数据分析，结合顾客到店和结账服务的分布对其模块定义，相应对其他模块做相关的设置。其中WIP是指等待服务的顾客和在process模块中接受服务的顾客总数。在运行仿真前，设置仿真参数，上班时间安排为两班，在run菜单中定义时间为14个小时，仿真用的时间单位为分钟，在此将replication设置为50次来进行仿真。当所有参数设置完毕，在模型运行前需要检查错误，单击run interaction工具栏的check按钮进行检查。如果存在错误，系统会提示并指出错误的所在，若没有错误则可以启动。
（三）仿真的主要结果。根据运行结果报告显示，超市里积分收银台顾客几乎不用等待可以直接结账，没有积分卡的顾客排队等待时间平均为1.55分钟，等待人数平均为1个。队列堵塞的情况并不是很严重，顾客等待的时间也不会很多，关键时间点可能会超过4-5个的等待时间，所以设置还是比较合理。
四、结论
本文基于系统仿真理论实现了超市排队系统的仿真，仿真实验表明，其不仅能真实地反应超市收银排队现象，而且还可设置收银员有效时间价值和无效时间价值，能有效地控制运营成本。而传统超市结合快速发展的电子技术，在运营中产生了新的运营理念，为解决顾客排队平均等待时间过长引起顾客满意度下降的问题，除了对顾客购物种类及付款方式细分外，可引入射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术和移动支付平台，从而在超市中增添顾客自助结算服务模式，增强引导分流功能，减少了顾客的平均等待时间，提升顾客的满意度。（作者单位：成都理工大学）
参考文献：
[1]张琦琮，杨公平，张福强.超市排队系统仿真研究[J]. 计算机工程与应用，2011，47（32）.
[2]隽志才.管理系统仿真建模及应用[M].第1版.北京：清华大学出版社，2010.9.
基于L系统的树木建模与仿真 篇12
近年来, 许多文献都对L系统在三维场景中的应用进行的论述。文献[1]对树木分枝的粗细度进行了讨论;但其对同一分枝的底端和顶端采用相同的宽度值, 导致父枝和子枝之间过度不够平滑, 缺乏真实感。文献[1—3]对树木分枝的随机性进行了讨论, 但只讨论了分枝半径和长度等参数的随机性, 未对生成分枝的产生式规则的随机性进行讨论。文献[4—6]使用参数L系统对分枝的细节进行控制, 但参数需要在字符串重写前输入, 因此每次修改参数, 对树木形态结构进行微调时, 都会涉及字符串重写和参数的重新计算, 可交互性不强。文献[2, 4, 5]使用N个矩形面片拼接而成的圆柱台结构来近似模拟分枝, 且对于所有分枝均采用相同的面片数, 对于人眼较敏感的分枝 (如主干等) 细节程度不够;而对于人眼容易忽略的部分 (较细较短的枝干) 又造成了不必要的资源浪费。
针对上述算法暴露出的问题, 提出一种改进的L系统方法, 并以实验对比的方式对改进的有效性进行论证。
1 L系统
1968年, 匈牙利生物学家Lindenmayer首次提出了L系统[7]。L系统的核心是字符串的并行重写。通过对植物的观察与研究, 总结并提炼出用于描述植物拓扑结构的字符串, 并将其作为起始字符串。根据预先定义的字符串重写规则, 依次对字符串中的字符进行重写。经过有限次的迭代之后, 即可得复杂植物模型的字符串表示形式。
L系统是由一个有序三元组G=
2 改进的L系统绘制流程
通过研究发现, 影响L系统树木绘制性能的因素主要集中在以下两方面:
1) 递归的进行字符串重写时, 与内存进行大量的交互。
2) 根据生成的重写字符串进行龟图解释时, 产生大量的分形计算。
受文献[4—6]的启发, 为了减少不必要的字符串重写和分形计算数量, 将传统L系统方法中字符串重写和龟图解释这两个紧密结合的过程拆分为两个不同的阶段, 分别命名为预处理阶段和绘制阶段。
预处理阶段执行类似于传统方法的字符串重写操作, 但无需输入参数, 且不进行参数计算。将传统方法中的输入参数和参数计算的过程放置到绘制阶段, 因此修改参数对树木进行微调将不再需要对字符串进行重写。
绘制阶段涉及My Parameter、Lnode、Tree Node三种数据类型, 其中My Parameter用于存储用户输入的分枝长度、分枝半径、分枝缩放比等相关参数;Lnode是一个链表类型, 其中rewritechar用于保存当前字符, Lnode Para保存字符进行龟图解释时, 分形计算得到相关参数, 当系统判断树木形态结构未发生变化时, 可直接调用此信息, 避免大量不必要的分形计算;Tree Node中para用于存储上一帧中读取的参数, Tree Info存储上次分形计算得到的参数。Lnode, Tree Node数据结构定义如下:
用户输入的参数以My Parameter的形式进行保存供系统调用。每一帧绘制前将My Parameter中的参数与Tree Node中的para进行比较, 如果参数不同, 表明树的形态发生了变化, 则进行龟图解释时重新进行分形计算, 并将分形计算得到的数据存储在Tree Node的Tree Info中, 绘制树木;若参数相同, 说明树的形态未发生变化不需要再进行分形计算, 则直接调用Tree Node的Tree Info中上次分形计算得到的数据进行绘制。
改进的L系统的流程图如图1。
如图1所示在三维龟图的解析及分形计算中, 当遇到“[”“]”字符时分别执行入栈和出栈操作。这里建立一个包含枝干半径、枝干长度、当前点坐标、方向向量四个参数的结构体Scale Node。当遇到“[”时, 表明即将绘制当前枝条的子枝, 即把ScaleNode类型的数据入栈, 并执行分枝长度和半径的缩减计算 (即Lnew=Lold×l_scale, Rnew=Rold×r_scale) 。当遇到“]”时即表示子枝已绘制完成, 现在需要绘制父枝, 则对Scale Node数据执行出栈操作, 获取父枝条空间坐标、方向向量、以及枝干半径和长度。
3 分枝结构的改进
现使用n个矩形面片拼接成的圆柱台来模拟树木的分枝。
通过上述参数方程, 赋予θ不同的值求出圆柱台中所有矩形面片的顶点坐标, 并使用Open GL的GL_QUADS图元构造出n个矩形面片。
文献[2, 4, 5]使用类似的圆柱台结构来模拟树木的分枝。通过对真实场景中树的主干、一级分支、二级分枝等观察发现, 树枝的粗细度和长度都会随着分枝级别的增加而减小。从人类视觉的角度, 人眼对于较大的物体较为敏感, 而较小的物体则容易忽略。因此这种固定面片数圆柱台结构来模拟分枝的形式对于主干, 一级侧枝等, 细节描述不够;而对于较小的枝条又会造成资源的极度浪费。因此本文在使用圆柱台来模拟树木分枝的情况下提出了一种面片消减算法 (slices-compression, SCA) 来解决上述问题。
为了使人眼能够察觉的枝条具有良好的细节, 而易被忽视的枝条不会造成大量资源的浪费, 因此选取如下函数来表述递归深度和面片数之间的函数关系如下
变量x为递归的深度, 变量y为此递归深度的分枝所使用的面片数, n为面片数的最大值, ε为敏感因子。应用上述抛物线函数, 可以很好的满足主干, 一级分枝, 二级分枝这些较易被察觉的分枝具有较多的面片数, 且面片数递减不明显, 从而保持较高的细节;而较小较细易被忽视的分枝由于其递归深度较高, 因此使用的面片数较少。由二叉树的性质可知, 分枝数随着递归深度的增加呈现指数型增长, 因此具有较高细节的分枝由于其递归深度较小, 在总分枝数中只占极小的一部分;而绝大多数的分枝为递归深度较高的分枝, 应用SCA算法可以使这些占绝大多数却不易被人眼所察觉的分枝使用较少的面片数, 这样在保证树木细节的情况下, 大大减少了需要绘制的矩形面片数。
4 分枝的随机性的改进
L系统绘制的树木具有高度的自相似性, 而真实场景中的树木往往受到内因和外因的共同影响, 造成各级分枝形态结构的差异。为了更好地模拟真实场景中的树木, 需要对树木的分枝添加一定的随机性。文献[1—3]分别对分枝半径、长度、夹角等参数加入了一定的扰动因子来构造树木的随机性。本文区别于上述方法, 为了模拟真实场景中分枝顶芽死亡无法生成新分枝的情形, 设置多种不同的分枝产生式, 并对产生式赋予一定的概率因子, 通过随机函数随机对产生式进行选取, 以获得更好的随机性。改进后的字符串重写规则如下:
1) 设置递归深度, 选取主元 (初始字符串) 。
2) 判断是否达到递归深度, 若是则4) , 若否则执行3) 。
3) 对字符进行重写。
(a) 若当前字符与一个或多个产生式的前驱相匹配, 则使用随机函数随机选取产生式规则, 并用产生式规则的后继来代替当前字符。指针后移, 重复步骤3) ;
(b) 若字符非空且无产生式前驱与当前字符相匹配, 则保留当前字符。指针后移, 重复步骤3) ;
(c) 若字符为空, 则已到数组末尾, 递归深度加一并转向步骤2) 。
4) 将生成的重写字符串以数组的形式进行保存。
5 树叶的绘制
树的分枝不断递归生成下一级分枝, 当达到树的最大递归深度时, 在最后一级枝条的末端绘制树叶。树叶的绘制流程如下:
1) 将真实树木的树叶进行处理, 将背景颜色设置为黑色, 并以24位bitmap的格式进行保存。
2) 逐像素点进行判断, 如果RGB值小于所设定的阈值, 则将其Alpha通道设置为0, 表示其为透明, 开启混合时将由其他背景代替;若RGB值大于所设定的阈值, 则将其Alpha通道设置为0x FF, 即混合时这部分像素完全不透明。
3) 将bitmap纹理进行插值运算依次映射到边长为Size的矩形方框中, 并将方块旋转适当的角度, 设置叶片的材质, 开启混合。
6 实验结果及分析
实验的硬件环境为:Pentium Dual-Core E5400, 2 G内存, Nvida Geforce GT430显卡。
软件环境为:VS2010, Open GL。
6.1 实验一
图2为本算法与文献[1]中对枝干控制效果的对比图。如左图可以看出文献[1]算法中分枝顶端和底端采用相同的半径, 而父枝顶端的半径与子枝底端的半径不相等, 造成了父枝与子枝间过度的不平滑。而本算法 (右图) 中分枝顶端和底端存在一定的缩放比, 且父枝顶端半径等于子枝底端半径, 所产生的树木更具真实感。
6.2 实验二
使用本文提出的面片消减算法对分枝面片数进行消减。在保证树木具有良好细节的情况下, 对人眼易忽略的分枝进行面片消减。如图3, 绘制一棵递归深度为11, 最大面片数为50的树木。左图为使用文献[2, 4, 5]中圆柱台结构绘制的树木, 绘制速度为64帧/s, 每帧绘制时间为15.63 ms。而右图采用本算法在保证高细节的情况下, 绘制速度为412帧/s, 每帧绘制时间为2.42 ms, 且如表2所示, 本算法使用的面片数相比文献[2, 4, 5]方法要大大减少。
6.3 实验三
与文献[1—3]算法相比, 本文对分枝的随机性进行了改进, 赋予不同的产生式以不同的概率因子。可以很好的模拟树木生长过程中顶芽死亡无法抽出新枝的情形。图4左边第一棵树为传统方法生成的树木, 余下三棵为本算法生成的树木。所应用的生成规则如下。
6.4 实验四
使用本算法生成的多种三维场景中的树木如图5所示。
7 结语
对传统的L系统绘制流程进行了改进, 减少了用户交互时候造成的大量字符串重写, 并通过TreeNode结构体的设置减少了大量不必要的分形计算。提出了一种分枝结构的面片消减算法, 在保证分枝高细节的情况下极大的减少了需要绘制的面片数量, 进一步提高绘制速度。对重写规则设置一定的概率因子, 使得生成的树木更具随机性。然而本文对自然环境对树木的影响, 树木间的资源竞争, 以及将树木应用于大规模场景的渲染中研究还较少, 是今后进一步研究的方向。
参考文献
[1] 丁欢, 万旺根, 王道臣.基于改进分形L系统植物自然现象的研究.计算机仿真, 2009;26 (1) :200—204
[2] 徐肠凯, 徐文华.基于L系统的真实感树木生成算法与实现.计算机应用与软件, 2012;29 (7) :231—234
[3] 朱岳, 邹北冀, 刘结, 等.基于三维分枝模型的树木模拟.计算机工程与科学, 2006;28 (7) :46—48
[4] 孙轶红, 赵增慧.基于L系统树木模型参数化生成方法研究.计算机仿真, 2007;24 (7) :239—242
[5] 薛峰, 李文接, 余玲.基于L系统的三维树的改进建模方法.合肥工业大学学报 (自然科学版) , 2009;32 (4) :482—485
[6] 刘宪鹏, 凌筱清, 金小进.基于L系统的树木仿真.计算机仿真, 2012;29 (7) :247—251