《制造系统建模与仿真》讲义

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1、第一章系统建模与仿真的基本概念outlineWhatisModelingandSimulation?BasicStepsofModelingandSimulationIntroductionofMainSimulationSoftware2021/7/81WhatisModelingandSimulation?仿真（Simulation）也称模拟，它是通过对系统模型的试验，研究已存在的或设计中的系统性能的方法及其技术。仿真可以再现系统的状态、动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合理、性能是否满足要求，预测系统可能存在的

2、缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。例如：研制新型飞机时，一般先要对按比例缩小的飞机模型进行风洞试验，以验证飞机的空气动力学性能；2021/7/82WhatisModelingandSimulation?2021/7/83WhatisModelingandSimulation?开发新型轮船或舰艇等时，一般先要在水池中对缩小的轮船模型进行试验，以了解轮船的各种性能；2021/7/84WhatisModelingandSimulation?我国在建设三峡大坝时，广泛采用建模与仿真技术研究和评估大坝对环境、生态、洪水等方面的

3、影响。2021/7/85WhatisModelingandSimulation?设计新的生产线或新产品时，要通过仿真或试验对生产线或产品性能作出评估：2021/7/86WhatisModelingandSimulation?神舟飞船：神舟飞船海上试验神舟飞船模拟飞行图神舟飞船发射神舟飞船系统2021/7/87飞船上的模拟航天员风洞试验为神舟飞船打造安全屏障WhatisModelingandSimulation?2021/7/88WhatisModelingandSimulation?因此，仿真通常与模型（model）、建模

4、（modeling）过程密切相关。其它仿真案例建筑的抗震和防风设计：2021/7/89WhatisModelingandSimulation?根据仿真模型的不同，仿真可以分为物理仿真、数学仿真以及物理-数学仿真。物理仿真是通过对实际存在的模型进行试验，以研究系统的性能，如飞机的风洞试验、建筑及城市规划模型等。数学仿真是利用系统的数学模型代替实际系统进行试验研究，以获得现实系统的特征和规律。物理-数学仿真是前两者的有机结合，如各种航空、航天仿真训练器等。2021/7/810WhatisModelingandSimulatio

5、n?2021/7/811WhatisModelingandSimulation?2021/7/812WhatisModelingandSimulation?显然，如果采用数学仿真可以研究实际系统的性能的话，将能显著地降低模型试验的时间及成本。根据系统状态变化是否连续，可以将系统分为连续系统（continuoussystem)和离散事件系统(discreteeventsystem)。连续系统是指系统状态随时间发生连续变化，如化工、电力、液压-气动系统、铣削加工等。连续系统的数学模型有微分方程、状态方程、脉冲响应函数等形式。2

6、021/7/813WhatisModelingandSimulation?制造领域中生产线/装配线、路口的交通流量分布、电信网络的电话流量等都是典型的离散事件系统。离散事件系统是指只有在离散的时间点上发生“事件”时，系统状态才发生变化的系统，它的数学模型通常为差分方程。根据应用性质的不同，仿真系统可以分为研制类仿真系统和应用类仿真系统两大类型。研制类仿真系统主要用于产品分析、设计、制造、装配、检测及优化等；应用类仿真系统用于系统操作及管理人员的培训等。2021/7/814WhatisModelingandSimulatio

7、n?阶段应用内容概念化设计对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理的设计方案设计建模建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意设计分析分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪音、可靠性等性能指标设计优化调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化制造刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装配中可能发生的问题样机试验系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚拟样机试验，以确认设计目标系统运行调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化仿真技术在系统研制中的应用2021/7/815WhatisMod

8、elingandSimulation?随着计算数学的成熟和计算机技术的发展，人们越来越多地通过数学模型、应用计算机来进行仿真研究，进而形成计算机仿真技术。计算机仿真的实质是仿真过程的数字化，因而也称为数字化仿真。数字化仿真具有显著优点，已成为现代产品开发中的重要支撑技术和手段：2021/7/816Wha