离散制造车间自适应生产控制关键技术研究

发布时间：2020-04-09 03:09

【摘要】：随着经济全球化趋势的不断深入,面对激烈的市场竞争,制造企业生存环境愈发动荡多变。一方面对于制造系统的柔性和生产能力要求持续增长,另一方面制造过程的可预见性却持续下降。因此,要求生产管理人员能够对动态多变的制造环境做出及时、准确的响应。车间生产控制系统是优化车间系统运行、提高车间系统性能的重要手段。由于车间实际运行工况和内外部条件的改变,导致车间系统动态参数或系统模型结构经常发生变化。从系统论的角度考虑生产控制问题时,常规的控制器不可能得到较好的控制品质,而自适应控制正是研究具有一定程度不确定性车间制造系统的控制理论和方法。本文围绕离散制造车间层的生产—运作—决策问题,从控制论的角度,以生产能力自适应控制为主线展开研究,主要研究工作如下:(1)构建了基于控制理论的自适应生产控制系统框架。自适应生产控制系统由生产控制器、性能分析与策略优化以及车间运行决策三个关键模块组成。系统采用了集中式事件驱动机制链接生产控制器模块和车间运行决策模块,并采用分散式事件驱动机制建立了车间内部智能单元决策模块,使之能够满足复杂动态多变的车间运行环境。提出了以驱动误差为函数的自适应控制策略,在提高车间系统性能同时,降低了控制器的作用频率。(2)建立了离散制造车间生产控制系统模型。以流率控制的基本思想在连续时域内建立了离散制造车间的生产控制系统模型,模型中集成了双层反馈控制环节。在时域内详细分析了不同参数取值下的生产控制系统动态特性,将系统关键参数如:在制品、生产提前期以及生产能力调整时间与控制理论中的阻尼比和固有频率相关联,揭示了在制品库存的“阻尼”角色,生产提前期和生产能力调整时间的“固有频率”角色。(3)研究了离散制造车间生产控制器参数优化设计问题。将生物控制论中的自适应性嵌入生产控制器的参数设计,首先分析了神经内分泌系统反馈调控原理,研究了激素稳态调节机制的作用函数。在此基础上分别设计出了以积压任务和在制品变化量为控制器参数的双闭环控制器,构建了控制器参数与车间系统性能指标的函数关系,设计了以驱动误差为函数的自适应控制策略。(4)分析了扰动状态下离散制造车间生产控制系统性能。首先分析了离散制造车间的内部架构,提出了一种自组织式生产模式,简化了生产控制流程,并定义了订单流矩阵表征车间内部架构。在制品库存是描述系统内部动态特性的关键变量,在制品数量的多少直接或间接地影响系统的阻尼比和固有频率。以在制品库存作为离散车间生产控制系统的状态反馈变量,设计了基于生产能力调整时间和采样周期的状态反馈控制规律。以订单流矩阵为“纽带”,在离散时域内建立了车间系统状态方程和输出方程。采用状态空间法,求解出离散制造车间状态矩阵特征值,评估了生产控制系统的性能。(5)设计了车间运行决策机制,搭建了自适应生产控制实验平台。定义了车间运行决策目标函数,目标函数综合考虑了生产速率、成本以及车间关键性能指标。依据目标函数定义了车间内各单元的属性、工艺数据和负载信息等基本事实和决策规则,构建了车间运行决策机制。通过嵌入式工控机构建智能单元控制器,进而搭建了分布式自适应控制实验平台,并开发了自适应生产控制原型系统,实现了控制策略到执行决策的有效衔接。通过实验平台验证了本文提出的关键技术。
【图文】：

生产计划与控制系统

离散制造车间自适应生产控制关键技术研究20图2.3 生产计划与控制系统[108]上述模型的设计理念在于保证生产能力和生产的同步，侧重于上层规划，并无提及车间层的执行问题；模型中以在制品、生产率和库存水平为控制目标，逻辑判断单元实现不同生产控制目标的控制策略切换功能；某种意义上，图 2.3 所提出的控制方案是一种集中控制架构，没有考虑离散车间系统内各制造单元的“松耦合”特性，，难以直接用于离散车间的生产控制。2.3.1.2 生产控制系统的控制理论分析离散车间系统属于大系统范畴，不宜采用实验的方法验证。所设计的控制策略在投入系统运行前，需要通过一定的分析来评估策略的有效性。文献[109]指出生产控制系统是一种动态非线性系统，是基于制造系统参数的函数，因此为了深入理解生产控制系统的性能或特性

模型图,在制品,模型,订单

21用物流操作函数表示实际系统生产能力和利用率之间的关系。图2.4 在制品与积压任务控制器的概念模型[112]随后，文献[113]中，作者 Duffie 和 Falu 利用改进的 Z 变换方法得到了上述模型的方框图形式，通过图 2.5 所示的多速率离散系统表征系统的动力学模型，并计算出系统的传递函数用以分析系统扰动（如：设备故障或紧急插单）对系统性能带来的影响。差分方程便于设计离散分段定常控制器，为进一步采用计算机控制提供了捷径。但该类建模方式同样存在局限性，即不能处理订单批次与工序问题。因此，在采用控制论建模分析生产控制系统时，大多数文献都采用将离散的订单连续化，从流率控制的思路建模。图2.5 离散型生产计划控制系统[113]
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH186;TP273

【参考文献】