系统仿真技术实验指导书

系统仿真技术实验指导书

编制：吕锋凌菱

河南科技大学机电工程学院

2008年元月

前言

系统仿真技术是工业工程专业的一门专业基础选修课，具有很强的实践性。它以系统科学、计算机科学和概率论与数理统计为基础的综合性课程。通过本课程的实验，使学生对系统，特别是生产系统的特点、建模和仿真以及应用有一个全面、深入的认识，并培养学生的实际动手能力和设计能力。

本课程实验注重学生能力的培养，以提高学生独立分析和解决实际问题的能力。充分利用现代技术和教学理念，将教学实验用以下方式进行：(1) 理论分析；(2) 动手操作；(3) 计算机仿真等。

本课程有两个实验项目：Matlab仿真软件的基本应用；FLEXSIM仿真软件应用。

目录

实验一应用仿真软件进行数值计算和数据可视化3学时 (3)

实验报告一：应用仿真软件进行数值计算和数据可视化 (15)

实验二应用仿真软件建模2学时 (17)

五、实验报告格式 (21)

实验报告二：应用仿真软件建模 (21)

实验三应用仿真软件仿真生产系统3学时 (22)

实验报告三：应用仿真软件仿真生产系统 (30)

附录一实验报告评分办法 (31)

附录二参考书目 (31)

实验一应用仿真软件进行数值计算和数据可视化

一、实验目的

1、掌握MATLAB在线帮助功能的使用；

2、熟悉MATLAB运行环境和MA TLAB语言的主要特点；

3、掌握MATLAB语言的基本语法规则及基本操作命令的使用；

4、学会M文件的建立和使用方法以及应用MATLAB实现二维和三维图形的绘制方法；

5、具有使用MATLAB语言编程和调试的能力。

二、主要仪器设备

1、计算机

2、MA TLAB软件

3、打印机

三、实验内容

1、熟悉软件环境和基本的操作：熟悉MA TLAB运行环境，练习MA TLAB常用命令

2、认识MATLAB矩阵与数值计算基础：认识及应用MA TLAB语言的在线帮助、基本语法规则及基本操作命令，学会在MATLAB中进行矩阵运算和数组运算。

3、二维三维的数据可视化：初步了解M文件及其编写、调试与运行，使用M文件绘制基本的二维三维图形。

四、实验步骤

1、MATLAB运行环境

(一) MATLAB 提供两种运行方式

(1) 命令方式

直接在命令窗口输入命令来实现计算或作图功能

(2) M文件运行方式

单击FIL E—NEW—M-FILE打开M文件输入运行界面，输入程序文件。（具体又分为脚本文件和函数文件两种方式）。该运行方式优点是可以调试也可以重复使用。

(二) MATLAB中的窗口简介

(1) 命令窗口（Command Window）

a . 启动MATLAB命令窗口

?双击MATLAB图标，就可进入命令窗口，此时意味着系统处于准备接受命令的状态，可以在命令窗口中直接输入命令语句。

b. MATLAB语句形式

》变量=表达式；

?键入回车键时，该语句被执行。窗口自动显示出语句执行的结果。如果希望结果不被显示，则只要在语句之后加上一个分号“；”

方向键和控制键可以编辑修改已输入的命令

回调上一行命令回调下一行命令

命令窗口的分页输出

?more off：不允许分页；more on：允许分页；more(n)：指定每页输出的行数

?回车前进一行，空格键显示下一页，q结束当前显示。

多行命令（…）

?如果命令语句超过一行或者太长希望分行输入，则可以使用多行命令继续输入。如：》S=1-12+13+4+…

9-4-18;

(2) M文件窗口(3) 起始面板(Launch Pad) (4) 工作空间窗口（Workspace) (5) 命令历史窗口(Command History) (6) 当前目录窗口(Current Directory) (7) 图形窗口(Figure No…) (8) GUI制作窗口

图1-1 MATLAB中的窗口

2、MATLAB常用命令

表1-1 MATLAB中常用数学函数

表1-2 MATLAB中常用标点的功能

表1-3 MATLAB指令窗的常用控制指令

3、认识MATLAB矩阵与数值计算基础

(1) 矩阵的直接排列输入

例：>> A = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]

注：矩阵用方括号“[ ]”括起；矩阵同一行中的元素之间用空格或逗号分隔；矩阵行与行之间用分号分开；直接输入法中，分号可以用回车代替。

(2) 矩阵元素赋值

矩阵元素可以是任何数值表达式。

例：>> x=[-1.3, sqrt(3), (1+2+3)*4/5 ]

●矩阵元素的单独赋值

例：>> x(5)=abs(x(1))

注：Matlab自动将向量 x 的长度扩展到 5，并将未赋值部分置零。

例：>> x(5)=abs(x(6)) ??

●大矩阵可以把小矩阵作为其元素

例：>> A = [A; 11 12 13 ]

在原矩阵的下方加一行

(3)矩阵元素的引用

●单个元素的引用

例：>> A(2,3)

利用小括弧和元素所在的位置（下标）

x(i)：向量x 中的第i 个元素

A(i, j)：矩阵A 中的第i 行，第j列元素

●多个元素的引用：冒号的特殊用法

a:b:c

产生一个由等差序列组成的向量； a 是首项，b 是公差，c 确定最后一项；若b=1，

则b 可以省略。

例：>> x=1:2:5

>> y=1:2:6

例：>> x=2:1:5

>> y=2:5

例：>> x=3:2:1

例：>>x(1:3)

>>A(3,1:3)

A(i:j, m:n) 表示由矩阵 A 的第 i到第j行和第m到第n列交叉线上的元素组成的子矩阵。

可利用冒号提取矩阵的整行或整列。

例：>>A(1, :)

>>A(:, 1:2)

>>A(:, :)

注：冒号的作用

提取矩阵的部分元素：冒号运算符

A(:) A 的所有元素

A(:,:) 二维矩阵A 的所有元素

A(:,k) A 的第k 列，A(k,:) A 的第k 行

A(k:m) A 的第k 到第m 个元素

A(:,k:m) A 的第k 到第m 列组成的子矩阵

(4) 常见的矩阵生成函数

可利用Matlab 自带函数来生成一些特殊的矩阵

例：>> C=magic(3)

表1-4 常见的矩阵生成函数

（5）矩阵的转置

’共轭转置

.’转置，矩阵元素不取共轭

注：点与单引号之间不能有空格！

例：

>> A=[1 2;2i 3i]

>> B=A’

>> C=A.’

（6）改变矩阵的形状：reshape

reshape(A,m,n)

功能：将原矩阵按列方向进行排列成一个m×n 的新矩阵

注：重组后得到的新矩阵的元素个数必须与原矩阵元素个数相等！

（7）矩阵的加减：对应分量进行运算

注：要求参与加减运算的矩阵具有相同的维数

例：>> A=[1 2 3; 4 5 6]; B=[3 2 1; 6 5 4]

>> C=A+B; D=A-B;

（8）矩阵的普通乘法

注：要求参与运算的矩阵满足线性代数中矩阵相乘的原则例：>> A=[1 2 3; 4 5 6]; B=[2 1; 3 4];

>> C=A*B

（9）矩阵的除法：/、\ 右除和左除

若A 可逆方阵，则

B/A <==> A 的逆右乘 B <==> B*inv(A) A\B <==> A 的逆左乘 B <==> inv(A)*B

（10）矩阵的乘方（幂）：^

若 A 是方阵，p 是正整数，则

A^p 表示 A 的 p 次幂，即 p 个 A 相乘。

（11）矩阵的数组运算

? 数组运算：对应元素进行运算 ? 数组运算包括：点乘、点除、点幂

相应的数组运算符为：.* ， ./ ， .\ ， .^ 注:点与算术运算符之间不能有空格！ 例：>> A=[1 2 3; 4 5 6]; B=[3 2 1; 6 5 4];

>> C=A.*B; D=A./B; E=A.\B; F=A.^B; 注:参与运算的对象必须具有相同的形状！ （12）求线性方程组的唯一解或特解 方程：AX=b 解法：X=A\b

例 求方程组 的解。

? 解：在Matlab 编辑器中建立M 文件： ? A=[5 6 0 0 0 ? 1 5 6 0 0 ? 0 1 5 6 0 ? 0 0 1 5 6 ? 0 0 0 1 5]; ? B=[1 0 0 0 1]';

? R_A=rank(A) %求秩 ? X=A\B %求解 ?

运行后结果如下：

?

??

?

??

?=+=++=++=++=+1

x 5x 0x 6x 5x 0x 6x 5x 0x 6x 5x 1

x 6x 5545

434

323

212

1

?R_A =

? 5

?X =

? 2.2662

?-1.7218

? 1.0571

?-0.5940

?0.3188

?这就是方程组的解。

3、二维三维的数据可视化实验步骤

(一) 二维绘图

plot ——最基本的二维图形指令

(1) plot的功能：plot命令自动打开一个图形窗口Figure；用直线连接相邻两数据点来

绘制图形；根据图形坐标大小自动缩扩坐标轴，将数据标尺及单位标注自动加到两个坐标轴上，可自定坐标轴，可把x, y 轴用对数坐标表示。

(2) plot的调用格式

plot(x) ——缺省自变量绘图格式，x为向量, 以x元素值为纵坐标，以相应元素下标为横坐标绘图

plot(x,y) ——基本格式，以y(x)的函数关系作出直角坐标图，如果y为n×m的矩阵，则以x 为自变量，作出m条曲线

plot(x1,y1,x2,y2) ——多条曲线绘图格式

plot(x,y,?s?) ——开关格式，开关量字符串s设定曲线颜色和绘图方式，使用颜色字符串的前1~3个字母，如yellow—yel表示等。

或plot(x1,y1,?s1?,x2,y2,?s2?，…)

S的标准设定值如下：

字母颜色标点线型

y 黄色·点线

m 粉红○ 圈线

c 亮蓝××线

r 大红＋＋字线

g 绿色－实线

b 蓝色 星形线

w 白色：虚线

k 黑色－·(--) 点划线1. 单窗口单曲线绘图

例：x=[0, 0.48,0.84,1,0.91,0.6,0.14]

plot (x)

图1-2

2. 单窗口多曲线绘图

例：t=0:pi/100:2*pi;

y=sin(t);y1=sin(t+0.25);y2=sin(t+0.5);

ylable ——给y轴加标注

text ——在图形指定位置加标注

gtext ——将标注加到图形任意位置

grid on(off) ——打开、关闭坐标网格线

legend ——添加图例

axis ——控制坐标轴的刻度

例：t=0:0.1:10

y1=sin(t);y2=cos(t);plot(t,y1,'r',t,y2,'b--');

x=[1.7*pi;1.6*pi];

y=[-0.3;0.8];

s=['sin(t)';'cos(t)'];

text(x,y,s);

title('正弦和余弦曲线');

legend('正弦','余弦')

xlabel('时间t'),ylabel('正弦、余弦')

grid

axis square

图1-4

图1-5

(二)三维绘图

?plot3 ——基本的三维图形指令

调用格式：

plot3(x,y,z) —— x,y,z是长度相同的向量

plot3(X,Y,Z) —— X,Y,Z是维数相同的矩阵

plot3(x,y,z,s) ——带开关量

plot3(x1,y1,z1,s1, x2,y2,z2,s2, …)

?二维图形的所有基本特性对三维图形全都适用。定义三维坐标轴

?大小

axis([xmin xmax ymin ymax zmin zmax ])

?grid on(off) 绘制三维网格

?text(x,y,z,…string?) 三维图形标注

?子图和多窗口也可以用到三维图形中

例：绘制三维线图

图1-6

4、典型实例演示

【例】画出衰减振荡曲线t e

y t

3sin 3

-=及其它的包络3

0t e y -

=。

t 的取值范围是]4,0[π。 t=0:pi/50:4*pi; %定义自变量取值数组 y0=exp(-t/3); %计算与自变量相应的y0数组 y=exp(-t/3).*sin(3*t); %计算与自变量相应的y 数组 plot(t,y,'-r',t,y0,':b',t,-y0,':b') %用不同颜色、线型绘制曲线

grid

%在“坐标纸”画小方格

图 1-7 衰减振荡曲线与包络

【例】画出 所表示的三维曲面。[x,y]的取值范围是[-8,8]。

clear;x=-8:0.5:8; %定义自变量x 的一维刻度向量 y=x'; %定义自变量y 的一维刻度向量

X=ones(size(y))*x; %计算自变量平面上取值点坐标的二维数组 Y=y*ones(size(x)) %计算自变量平面上取值点坐标的二维数组 R=sqrt(X.^2+Y.^2)+eps;

%计算中间变量

Z=sin(R)./R; %计算与自变量二维数组相应的函数值 mesh(Z);

%绘制三维网格图

2

222)

sin(y x y x z ++=

图 1-8 三维网线图

五、实验报告格式

实验报告一：应用仿真软件进行数值计算和数据可视化

一、实验目的

二、实验设备和仪器

三、实验内容

2、矩阵乘法的实现：计算Z=X*Y ，其中2345X= 1221??

????

，0111

10Y=00110

0????????????

。

3、二维三维的数据可视化：编制程序并画出衰减振荡曲线t /3y e sin3t -=及其包络线

t /30y e -=。t 的取值范围是[0，4π]。

四、思考题

1、通过本实验，你对Matlab 软件有怎样的认识？

2、你了解到Matlab 软件在生产系统何领域有所应用？

实验二 应用仿真软件建模 2学时

一、实验目的

1、熟悉Flexsim 运行环境和主要特点；

2、熟悉Flexsim 仿真软件基本操作；

3、应用Flexsim 仿真软件建模。

二、主要仪器设备

1、计算机

2、Flexsim 仿真软件

三、实验内容

1、Flexsim 仿真软件基本操作；

2、应用Flexsim 仿真软件建模。

四、实验步骤

步骤1. 构建模型布局

将仿真所需要的对象模型从对象库中拖拽到仿真视图窗口中的适当位置

图2-1 模型布局图

步骤2. 定义物流流程

根据连接类型，按下“a ”或“s ”键的同时用鼠标从一个对象拖拉到另一个对象上以连接二者

图2-2

?连接两个对象端口所需按键

–“a”键

?用来将对象1的输出端口连接到对象2的输入端口上–“q”键

?用来取消对象1的输出端口与对象2的输入端口之间的连接–“s”键

?用来连接对象1与对象2的中心端口

–“w”键

?用来取消对象1与对象2的中心端口的连接

?各类端口连接的显示位置

–输出端口显示在对象的右上角

–输入端口显示在对象的左上角

–中心端口显示在对象底部中心

图2-3

?察看对象的端口连接

–对象属性窗口General选项卡

–可调整端口的编号顺序

图2-4

步骤3. 编辑对象参数

?双击对象可以打开对象的参数对话框

图2-5

?点击对象窗口左下角“Properties”按钮可调出对象属性对话框?对象属性对话框中包括

–图形（Visual）

–常规（General）

–标签（Labels）

–统计（Statistics）

步骤4. 编译运行仿真

?编译模型

?重置模型

?控制动画速度

?运行仿真

步骤5. 分析仿真结果

?仿真之前通过菜单Stats / Stats Collecting选择统计对象

?仿真时在对象属性对话框Statistics选项卡中可实时察看相应对象的统计数据和图表

?点击Stats下的Standard Report或State Report可生成标准统计报告和状态统计报告