Построение имитационной модели роботизированной производственной системы

Оглавление

 

Введение 3

1 Постановка задачи 4

1.1 Переработка модели 5

2 Анализ задачи моделирования и выдвижение гипотез 6

2.1 Анализ задачи моделирования 6

2.2 Выдвижение гипотез 8

3 Описание реализации модели 9

3.1 Разработка концептуальных моделей 9

3.2 Выбор программного средства моделирования 10

3.3 Выбор программы для реализации имитационной модели 11

4 Описание имитационной модели 14

4.1 Описание использованных в модели объектов 16

4.2 Организация экспериментов в GPSS 19

5 Анализ и оценка результатов моделирования 20

Заключение 22

Список использованной литературы 23

Приложение А. Листинг исходной модели 24

Приложение Б. Листинг второй модели 28

Приложение С. Статистика программы 31

 

Введение

Имитационное моделирование  становится эффективным методом  исследования сложных систем со случайным  взаимодействием элементов, таких  как транспортные потоки, многоступенчатое промышленное производство, распределенные объекты управления. Принцип имитационного  моделирования заключается в  том, что поведение системы отображают компьютерной моделью взаимодействия её элементов во времени и пространстве.

Главная ценность имитационного  моделирования состоит в том, что в его основу положена методология  системного анализа. Она дает возможность  исследовать проектируемую или  анализируемую систему по технологии операционного исследования, включая  такие взаимосвязанные этапы, как  содержательная постановка задачи; разработка концептуальной модели; разработка и  программная реализация имитационной модели; оценка адекватности модели и  точности результатов моделирования; планирование экспериментов; принятие решений. Изучение системы с помощью модели позволяет проверить новые решения без вмешательства в работу реальной системы, растянуть или сжать время функционирования системы, понять сложное взаимодействие элементов внутри системы, оценить степень влияния факторов и выявить недостатки.

Целью выполнения курсовой работы является углубление знаний по данной дисциплине, применять имитационные модели в  системах управления экономического назначения.

В ходе выполнения курсовой работы у  студента должно формироваться представление  о принципах и способах построения имитационной модели экономических  процессов.

В ходе достижения цели решаются следующие  задачи:

1. Проведение анализа возможных методов решения поставленной задачи;
2. Организация экспериментов с моделью;
3. Обработка результатов моделирования;
4. Изучение современных способов имитационного моделирования.

1. Постановка задачи

Целью данной курсовой работы является написание двух имитационных моделей, отображающих два способа закрепления  роботов за операциями:

а) по одному роботу на каждый из путей  перемещения 

б) каждый робот может использоваться на каждом из путей перемещения.

Как задачи можно выделить:

а) определение на основе получаемой статистики наиболее предпочтительного 

(с точки зрения пропускной  способности) варианта распределения  роботов;

б) получение и анализ таких статистических показателей как:

1) распределение времени прохождения  деталей;

2) коэффициенты использования роботов  и станков;

3) максимальная ёмкость бункера  для хранения деталей на участке  прибытия.

Роботизированная производственная система имеет два станка с  числовым программным управлением, три робота, пункт прибытия и склад  обработанных деталей. Детали прибывают  на пункт прибытия в соответствии с экспоненциальным законом распределения  со средним значением 40 секунд, захватываются одним из свободных роботов и перемещаются к первому станку, после чего робот освобождается. После завершения обработки на первом станке деталь захватывается одним из роботов и перемещается на второй станок, а после обработки на втором станке одним из роботов перемещается на склад обработанных деталей.

Время перемещения робота между пунктом прибытия и первым станком, первым и вторым станками, вторым станком и складом составляет 6, 7, 5 секунд, соответственно, независимо от того, «холостой» это ход или нет. Роботу необходимо время 8 ± 1 секунд на захват или освобождение деталей. Время обработки на первом станке распределено по нормальному закону со средним значением 60 секунд и имеет стандартное отклонение 10 секунд. Время обработки на втором станке имеет экспоненциальный закон распределения со средним значением 100 секунд.

Определить наилучший (с точки зрения повышения пропускной способности производственной системы) способ закрепления роботов за операциями.

Каждый робот может использоваться на каждом из путей перемещения деталей (при этом должен использоваться ближайший из роботов).

Найти:

• распределение времени прохождения деталей;
• коэффициенты использования роботов и станков;
• максимальную емкость бункера для хранения деталей на участке прибытия.

1. Переработка модели

Требование выбрать из двух возможных  способов закрепления роботов за операциями, описанных в постановке задачи, приводит к необходимости  разработки двух моделей, отражающих эти  способы.

Рассмотренная ранее производственная система представляет собой систему массового обслуживания (СМО). Простейшая СМО включает в себя обслуживающее устройство (прибор), заявку, находящуюся на обслуживании, и очередь заявок, ожидающих обслуживание. В рассматриваемой системе работает два типа устройств: станки, обрабатывающие детали, и роботы, обеспечивающие станки деталями. В качестве заявок выступают детали, которые либо занимают устройства, либо ожидают в очереди освобождения устройства.

Входными параметрами модели являются частота прибытия деталей на приёмный пункт, а также такие характеристики устройств, как длительность обработки  детали станком, время захвата, освобождения, перемещения детали роботом и  время «холостого» передвижения робота. Среди перечисленных временных  характеристик устройств встречаются  как дискретно - (временные характеристики работы робота), так и непрерывно-распределённые случайные величины (частота поступления деталей, время обработки детали станком), что придаёт особую сложность использованию аналитических методов моделирования. В данном случае более предпочтительным является использование методов имитационного моделирования.

2. Анализ задачи моделирования и выдвижение гипотез

2.  Анализ задачи моделирования

В данном случае, имеем достаточно сложную и объемную систему, которая  требует некоторого упрощения для  ее реализации, в рамках имеющейся  в нашем распоряжении версии GPSS World Student Version 4.3.5.0. Данная версия содержит ограничения на количество используемых операторов - не более 150. В дальнейшем, при разработке модели, мы увидим,  что выполнить полноценное моделирование поставленной задачи в объемах задачи в бесплатной версии невозможно. Для того чтобы уменьшить количество используемых операторов можно переработать изначального кода GPSS-модели в ущерб ее читаемости и наглядности или же упростить модель за счет уменьшения качественных характеристик.

Переработка кода GPSS-модели, приведет к невыполнению задач указанных в задании в полной мере объема изучения поведения модели. Если же уменьшить количество однотипных объектов системы, то можно получить полностью рабочую и исчерпывающе отображающую предметную область первоначальной системы. Такой подход не приведет к уменьшению читаемости и наглядности системы, а только повысит эффективность моделирования.

В рамках поставленной задачи, все  три робота, а также два станка имеют одинаковое поведение в  системе, вследствие чего программный  код описывающих их поведение  будет идентичен друг другу. Для  упрощения кода разрабатываемой  модели необходимо отказаться от использования  в системе трех роботов. Для полного  изучения поведения системы и  ответа на поставленные вопросы в  рамках полученного задания, следует  оставить только двух роботов.

При уменьшении количества роботов  необходимо также уменьшить количество станков с числовым программным управлением до одного для равноценного сокращения количественных характеристик модели. Вследствие чего получаем систему, которая не будет требовать перегруженности кода в рамках доступного программного обеспечения. Очевидно, что у всех трех роботов поведение будет аналогичное, а следовательно и программные коды, описывающие их поведения будут повторять один и тот же набор действий.

Измененная область моделирования  будет выглядеть следующим образом:

Роботизированная производственная система имеет станок с числовым программным управлением, два робота, пункт прибытия и склад обработанных деталей. Детали прибывают на пункт  прибытия в соответствии с экспоненциальным законом распределения со средним  значением 40 секунд, захватываются одним из свободных роботов и перемещаются к первому станку, после чего робот освобождается. После завершения обработки на первом станке деталь захватывается одним из роботов и перемещается на склад обработанных деталей.

Время перемещения робота между пунктом прибытия и станком, станком и складом составляет 6, 7 секунд, соответственно, независимо от того, «холостой» это ход или нет. Роботу необходимо время 8 ± 1 секунд на захват или освобождение деталей. Время обработки на первом станке распределено по нормальному закону со средним значением 60 секунд и имеет стандартное отклонение 100 секунд.

Определить наилучший (с точки зрения повышения пропускной способности производственной системы) способ закрепления роботов за операциями. Возможные варианты закрепления:

а) по одному роботу на каждый из путей перемещения деталей 
(пункт прибытия – станок, станок – склад);

б) каждый робот может  использоваться на каждом из путей  перемещения деталей (при этом должен использоваться ближайший из роботов).

Найти:

• распределение времени прохождения деталей;
• коэффициенты использования роботов и станков;
• максимальную емкость бункера для хранения деталей на участке прибытия.

•  Выдвижение гипотез

Перед данной курсовой поставлен ряд  задач, таких как определение  оптимального способа закрепления  роботов, нахождение времени прохождения  деталей, коэффициентов использования  роботов и станков и максимальной ёмкости бункера для хранения деталей на участке прибытия.

Что касается определения способов закрепления роботов, их, как уже было сказано в постановке задачи, два: жёсткое закрепление робота за одним из путей и использование ближайшего к данному участку робота. При определённом наборе входных параметров модели тот или иной способ является более предпочтительным. Недостатком второго способа является затрата дополнительного времени на определение ближайшего робота, а также возможность длительных «холостых» прогонов роботов. Данный способ эффективен, когда время работы робота значительно больше времени работы станка и интервалов поступления заявок, т.е. когда один робот не успевает перевозить все детали и станок простаивает. Если же значительной разницы во времени не наблюдается рациональней использовать более простой первый способ. Если рассматривать первый набор входных параметров модели, то очевидно, что время работы первого робота, равное сумме времени передвижения к приёмному пункта, захвата детали, передвижения к станку и освобождения детали, что составляет 21 секунду, почти вдвое меньше среднего времени прибытия деталей – 40 секунд, а время работы второго робота, вычисленное аналогичным первому способом и равное 23 секунды, меньше среднего времени обработки детали на станке – 60 секунд. Отсюда можно сделать вывод о рациональности использования для первого набора параметров первого способа закрепления роботов.

 

3. Описание реализации модели

• Разработка концептуальных моделей

Рассмотрим объект моделирования  и определим характер взаимодействия его элементов между собой  и с окружающей средой. Многие параметры  объекта представлены в виде законов  распределения со своими параметрами, соответственно свойства модели имеют  стохастический характер. Кроме этого,

так как  состояния в объекте изменяются не в заданные фиксированные моменты  времени, а непрерывно, то модель непрерывна. Известно, что для описания непрерывных  стохастических моделей в виде типовых  математических схем используют Q-схемы. Любая Q-схема состоит из простейших единиц: каналов обслуживания, накопителей, источников, клапанов, а также связей, указывающих пути перемещения транзактов или управляющих воздействий. Для  построения Q-схемы заданного объекта  необходимо определить в нем основные составляющие: устройства, очереди, источники, клапаны, связи. Для рассматриваемой системы будет существовать источник, генерирующий заявки, устройства: станок и два робота, а также очереди перед каждым из устройств. Склад обработанных деталей также будет представлен очередью. Две Q-схемы модели, отображающие два способа закрепления роботов за операциями, представлены на рисунках 1 и 2.