автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка имитационной модели функционирования иерархической дискретной технологической системы на основе инвариантных модулей

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

ГОЛИКОВ Виктор Константинович

РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ ДИСКРЕТНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ МОДУЛЕЙ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (в отрасли технических наук)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Сысоев В.В.

Воронеж - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................4

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ......9

1.1. Анализ функционирования дискретных технологических систем ... .9

1.2. Особенности дискретных технологических систем, определяющие специфику построения имитационных моделей.................18

1.3. Анализ существующих моделей дискретных технологических систем.....................................................24

1.4. Системный подхода в моделировании дискретных технологических систем.....................................................31

1.5. Выводы и задачи исследования..............................37

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ, ДИСКРЕТНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ МОДУЛЕЙ... .39

2.1. Общие положения...........................................39

2.2. Разработка системной модели дискретной технологической системы...................................................40

2.3. Разработка логической схемы построения структуры имитационной модели дискретной технологической системы в виде сети Петри,

на основе дерева функций системы.............................52

2.4. Разработка математической модели инвариантного модуля

на основе сетей Петри........................................61

2.5. Представление подсистем дискретной технологической системы

в виде сети Петри имитационной модели.......................66

2.5.1. Представление технологической операции в виде сети Петри имитационной модели...................................66

2.5.2. Представление транспортного робота в виде сети Петри имитационной модели...................................70

2.5.3. Представление имитационной модели автоматизированного склада в виде сети Петри ...............................74

2.5.4. Представление имитационной модели систем управления технологическими операциями, транспортом и складом в

виде сети Петри.........................................79

ГЛАВА 3. ДИНАМИЧЕСКАЯ ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ ДИСКРЕТНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ИНВАРИАНТНЫХ МОДУЛЕЙ..............85

3.1. Анализ поведения имитационной модели функционирования дискретной технологической системы с помощью характеристик сети Петри................................................85

3.2. Особенности реализации динамики модели.....................87

3.3. Влияние конфликтов на динамику модели представленной в виде сети Петри.................................................89

3.4. Построение динамической модели функционирования дискретной системы...................................................95

3.5. Структурная схема программной реализации имитационной модели....................................................102

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ НА ПРИМЕРЕ ГИБКОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЧАСТКА СБОРКИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ...............................108

4.1. Структура участка сборки функциональных устройств..........108

4.2. Настройка имитационной модели участка сборки функциональных устройств при помощи инвариантных модулей .112

4.3. Экспериментальное исследование конфликтующих вариантов технологических структур участка сборки функциональных устройств. .119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................123

ЛИТЕРАТУРА..................................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Традиционная автоматизация, основанная на использовании специальных средств, имеет следующие ограничения [2, 35, 85, 99]: быстрый моральный износ основного технологического оборудования; длительный срок и высокую стоимость освоения новой продукции; ограниченные возможности для автоматизации операций, требующих гибкости в процессе их выполнения (таких, например, как сборка, стендовые испытания, контрольно-измерительные и ремонтные операции). Внедрение автоматизации, в условиях дискретного производства (ДП), вызывает ряд трудностей, связанных со спецификой сборочного производства и автоматизированной транспортно-складской системы, в том числе, с наличием большого количества альтернативных вариантов управления, отсутствием точных математических методов и алгоритмов оптимизации технологических процессов (ТП), внедрением ЭВМ, которое требует адекватных усилий при создании таких систем. Применение аналитических моделей, являющихся эффективным инструментом для решения задач оптимизации и вычисления характеристик производственных систем, в ряде практических задач затруднительно из-за их большой размерности. Как альтернатива им выступает имитационное моделирование, основанное на применении специальных математических теорий и программных комплексов при создании имитационных моделей. Многообразие форм ДП требует создания специализированных программных систем, которые могли бы быстро настраиваться на любую функциональную технологическую структуру с учетом индивидуальных особенностей ДП. Это вызывает необходимость в разработке систем автоматизации нового качественного уровня, с применением современных средств математического аппарата и имитационного моделирования (ИМ).

Диссертационная работа выполнена на кафедре математического моделирования технологических систем ВГТА в соответствии с программой работ Министерства общего и профессионального образования РФ по теме

"Моделирование технологических систем, принципов и методов их автоматизированного проектирования и управления", ГР N 01870095877, ГР N 01890069727.

Цель и задачи работы. Целью диссертационного исследования является разработка имитационной модели функционирования иерархической дискретной технологической системы (ДТС) на основе модулей, инвариантных к иерархическим уровням ДТС и подсистемам разного функционального назначения, а также ко всей системе в целом.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:

- анализ специфики ДТС, на примере гибкого автоматизированного участка сборки, и возможностей исследования функционирования ДТС с помощью имитационного моделирования; выбор способа формализованного описания подсистем ДТС, учитывающего асинхронность и параллелизм выполнения событий, происходящих в ДТС;

-разработка системной модели иерархической ДТС и модулей реализующих инвариантные свойства ИМ функционирования ДТС в подсистемах различного функционального назначения;

- разработка математической модели построения инвариантных модулей различного функцтонального назначения;

- разработка логической схемы и алгоритма построения структуры модели ДТС представленной сетью Петри;

- синтез структуры иерархической, сетевой, имитационной модели ДТС, позволяющей осуществлять ее настройку на любую из подсистем заданной системы;

- синтез динамической модели функционирования иерархической ДТС на основе разработанных инвариантных модулей ИМ;

- разработка алгоритма функционирования имитационной модели ДТС, реализующего выполнение параллельных событий на однопроцессорной ЭВМ;

- практическая реализация результатов исследования в виде пакета прикладных программ и экспериментальное исследование в реальных условиях сборочного производства.

Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании аппарата теории множеств и графов, теории сложных систем, теории сетей Петри, теории информации, теории вероятностей, математической статистики, методов математического программирования. Общей методологической основой является системный подход.

Научная новизна. При выполнении диссертационного исследования получены следующие основные результаты, характеризующие его научную новизну.

Разработана имитационная модель функционирования иерархической ДТС в основу которой положены имитационные модули, инвариантные к подсистемам ДТС различного функционального назначения.

В том числе:

- разработана системная модель ИМ функционирования ДТС, позволяющая представить описание модели ДТС в виде модулей на базе СП;

- разработана логическая схема построения структуры имитационной модели функционирования дискретной технологической системы, позволяющая формализовать переход от рассматриваемой ДТС к структуре ее модели, в виде сети Петри, при помощи дерева функций ДТС;

- разработана математическая модель построения инвариантных модулей, позволяющая описывать подсистемы различного функционального назначения (технологические операции, транспорт, склад, системы управления), организовать их взаимодействие на основе предложенной модификации сетей Петри как целостной системы, моделировать решение поставленных задач в условиях конфликта;

Практическая значимость работы состоит в разработке пакета прикладных программ (ППП), реализованного в среде Windows для персональных

компьютеров, использование которого целесообразно в САПР, АСНИ, АСУТП, АСУ дискретных производств при проектировании, исследовании, планировании, для решения задач автоматизации управления технологическими процессами. ШШ применяется в учебном процессе ВГТА по специальности 071900 "Информационные системы в пищевой и химической промышленности", а также может быть использован в учебном процессе по одноименным курсам дисциплин. Основные теоретические и практические результаты внедрены на заводе "Процессор" путем включения в комплексные системы управления различного уровня, передачи проектной документации на математическое и программное обеспечения. Экономический эффект составил в ценах до 1991 г. 44366 руб.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: научно-техническом семинаре "Системное проектирование гибких автоматизированных производств" (г. Владимир, Вл. ПИ, 1988 г.), Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация технической подготовки и управления производством в приборостроении и машиностроении" (г. Чебоксары, 1988 г.), Всесоюзной научной конференции "Математическое и машинное моделирование" (г. Воронеж, ВПИ, 1988 г.), Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых и специалистов "Разработка и опримизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини и микро ЭВМ" (г. Воронеж, ВПИ, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Моделирование систем автоматизированного проектирования, автоматизированных систем научных исследований и гибких автоматизированных производств" (г. Тамбов, ТИХМ, 1989 г.), Республиканской научно-технической конференции "Автоматизация машиностроения на базе гибких технологических систем и робототехнических комплексов" (г. Баку, БПИ, 1989 г.), итоговых конференциях по НИР ВГТА (г. Воронеж, ВГТА, 1997, 1998г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ [И, 15, 24-29, 44, 79-81, 93].

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы из 103 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 151 страницах машинописного текста (основной текст занимает 124 страницы), содержит 28 рисунков и 11 таблиц.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Анализ функционирования дискретных технологических систем

Традиционная автоматизация функционирования дискретных технологических систем (ДТС) в составе сборочных операций, транспорта и склада (ДТС ОТС), характеризующихся расчлененностью производственного процесса на отдельные технологические операции, осуществляемые в определенном порядке, в дискретные моменты времени при помощи транспортной и складской систем, имеет следующие ограничения [2, 67, 75]: быстрое моральное старение основного технологического оборудования; длительный срок и высокую стоимость освоения новой продукции; неполное использование возможностей автоматизации операций, требующих гибкости в процессе их выполнения (например, сборка, стендовые испытания, контрольно-измерительные и ремонтные); как правило, рассматриваются отдельные составляющие дискретного производства (ДП) - технологические операции, транспорт, склад [52, 91].

Определения элементов ДТС, каждый из которых имеет свое функциональное назначение, приведены в табл. 1 [65], состав показан на рис. 1.

Накоплений опыт эксплуатации автоматизированных ДТС ставит проблемы связанные [40, 60]:

-с узкоспециальным подходом в использовании ДТС, без учета всех фаз их существования, приводящим к неправильной оценке технической и экономической эффективности, перерасходу всех видов ресурсов;

- с недостаточной проработкой математических моделей, используемых на отдельных стадиях жизненного цикла ДТС;

Таблица 1

Элемент Определение элемента, функция

Дискретная система Дискретная система (ДС) функционирует в дискретном времени и определяется дискретными состояниями.

Дискретность времени Дискретность времени означает, что изменение состояния системы или процесса происходит в моменты времени, образующие дискретное множество.

Дискретность состояния Дискретность состояния означает, что дискретно множество допустимых значений всех параметров, определяющих состояние системы или процесса.

Дискретная технологическая система Дискретная технологическая система (ДТС) - система, предназначеная для выполнения дискретного технологического процесса в соответствии с плановым заданием, определенными ограничениями и критериями функционирования.

Плановое задание Плановое задание - перечень объектов, подлежащих обработке в ДТС за плановый период, с указанием маршрутного технологического процесса (МТП) и плановых сроков поступления в систему и выпуска из системы. Плановое задание определяет, что, сколько, когда и каким способом должно быть обработано ДТС за плановый период. Оно задается системой управления более высокого уровня по отношению к ДТС.

Технологический процесс Технологический процесс (ТП) - способ и последовательность изменения свойств исходного объекта обработки с целью получения конечного объекта с заданными свойствами. Технологичекий процесс на производственных участках задается маршрутными картами, содержащими все необходимые операции для получения из заготовки готовой детали.

Технологическая операция Технологическая операция ( ТО ) - процесс изменения свойств или состояния объекта обработки на одном исполнительном средстве без переналадки.

Дискретный технологический процесс Дискретный технологический процесс (ДТП) - технологический процесс, в котором дискретны объекты обработки и операции.

Дискретность операции означает Дискретность операции означает, что дискретно ее местоположение в пространстве, начало и окончание во времени. Информационный поток, отражающий ДТП, также имеет дискретный характер.

а)

Дискретные системы

Дискретные

технологические

системы

Дискретное Дискретное

время состояние

б)

Дискретные технологические системы

Функция

Дискретное

Цель производ- Условия

Плановое задание ство Ограничения и критерии функционирования

в)

Дискретное производство

Основное производство Вспомогательное

производство

Основ- Транс- Склад-

ное тех- портная ская сис-

нологи- система тема

ческое

обору-

дование

Рис. 1. Состав основных элементов дискретной технологтческой системы: а) дискретные системы; б) дискретные технологические системы; в) дискретное производство.

- с развитием доступной методологии решения задач, возникающих при проектировании и эксплуатации ДТС;

- с тем, что проводимые исследования нацелены на практические результаты создания или использования ДТС - как сложных технических комплексов и мало внимания уделяется теоретической стороне вопроса.

В соответствии с концепцией изложенной в [45, 46], ДТС представляется состоящей из переналаживаемого технологического оборудования, транс-портно - складской подсистемы и системы управления. Каждый элемент такой ДТС имеет свое функциональное назначение и характеризуется своим множеством параметров определяющих выполнение дискретного технологического процесса. Оптимальное управление функционированием ДТС базируется на ряде принципов [45, 46], основными из которых являются: обеспечение гибкости производства преимущественно за счет программной переналадки автоматизированного, специального технологического оборудования (ACTO); изменение связи между ACTO и изменение технологичес�