混杂生产系统调度与实验系统研究

论文摘要

随着控制系统规模的不断增大、控制要求的日益提高，出现在各种工程系统，例如制造系统、通讯网络、嵌入式控制系统、交通控制、化工过程等系统中的混杂现象越来越受到人们的重视。在一个系统中同时考虑两种不同的动态——连续动态与离散动态以及它们之间相互作用的混杂系统研究近年来发展迅速。本文的研究工作主要是针对两个可以独立研究但有一定联系的混杂对象——混杂生产系统和三缓冲混杂系统来展开的。混杂生产系统中连续生产过程和离散事件的交互作用以及递阶分层结构使生产系统研究开始成为混杂系统研究的一个独特分支。三缓冲混杂系统是具有很强工程背景的经典混杂模型，它可以对生产系统中的库存建模，也可以对计算机、通讯系统中带有缓冲的操作单元建模，而且它的一种物理实现三液罐系统可以作为混杂系统研究的一个实验平台。 本文首先对生产系统进行研究探讨。在当前激烈的市场竞争环境下，生产系统的最优控制问题作为生产排产和生产管理的核心越来越得到生产者的重视。本文在前人制造系统研究成果的基础上，充分考虑过程生产不同于制造生产的连续生产特性，从流率控制模型和递阶分层思想出发，结合预测控制中的滚动优化，对生产系统，尤其是过程生产系统的控制调度进行一些有工程实用意义的探索。为验证混杂生产系统控制调度研究的成果提供工程实验平台，作者在导师的指导下参与了设计建设经典的三液罐混杂系统实验装置的工作，并对三液罐混杂系统的抽象模型三缓冲混杂系统进行了相当的讨论。在简单直观的反馈调度控制策略下，对闭环系统的行为进行了仿真和分析。本文的具体内容如下： ◆ 基于流率控制模型，阐明不可靠单设备柔性生产系统的最优控制问题：列出了最优控制策略和目标泛函值函数满足的条件并描述了具有实际工程指导意义的安全点控制策略。 ◆ 阐述了生产系统控制中的两种递阶方法，事件频率分层方法和构造有限问题方法。对基于事件频率的递阶思想进行了较为详细地论述。基于这种递阶思想，对更为复杂的具有多种设备、能够同时生产多种产品的柔性生产系统进行了描述和建模。着重讨论分层结构中的流率控制层，论述了前人给出的求解原问题的一些工程近似想法。 ◆ 在生产中涉及到切换时间和切换费用的过程工业生产系统被抽象为一种非柔性生产系统。充分考虑了过程工业生产系统的特点以后，从工程实际角度，提出了递阶分层滚动时域控制框架。这样的方法简便可行，而且可以处理随机事件，比如，需求率的变化和系统参数的变化。在这样浙江大学硕士学位论文 的控制框架下，设备的老化可以用分段确定常量近似的方法很容易地纳 入到控制策略下。简单的仿真例子指出了系统稳定调度的必要条件。 今简要介绍了作者在攻读硕士期间参与设计建设的三液罐混杂系统实验装 置。接着，讨论作为生产系统库存抽象模型的三缓冲混杂系统。根据系 统中服务台的位置不同，分别讨论两种相似的三缓冲系统。针对两种系 统，分别给出了直观简单的反馈控制策略，相应的闭环系统都被建模成 离散受控的连续系统。对两个闭环系统都进行了仿真和分析。进一步地， 类似于非柔性生产系统中的考虑，引入带有切换时间的服务系统。描述 了循环服务策略下的闭环系统，对系统行为进行了仿真，同时对系统进 入稳态给出了相关的证明。 本文对这两个具有较强工程背景的混杂对象的研究结果虽然不是最优的，但是具有一定的工程应用意义和理论研究的启发性。关键词:生产系统，流率模型，递阶分层，滚动优化，三缓冲系统

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 混杂系统的综述
• 1.2.1 杂系统的发展背景、定义与特点
• 1.2.2 杂系统的研究和分类
• 1.2.3 混杂系统的研究优势
• 1.3 混杂生产系统
• 1.3.1 混杂生产系统的研究背景
• 1.3.2 生产系统研究概述
• 1.3.3 本文对生产系统的研究内容和思路
• 1.4 三缓冲混杂系统
• 1.5 本文的工作与内容的编排
• 第二章 完全柔性不可靠生产系统
• 2.1 引言
• 2.2 生产系统的问题描述
• 2.2.1 系统动态模型
• 2.2.2 目标泛函以及约束
• 2.3 最优控制策略满足的条件
• 2.4 有限时域目标泛函的情况
• 2.5 安全点控制策略
• 2.5.1 单品种两状态下的情况
• 2.5.2 多品种多状态下的情况
• 2.6 小节
• 第三章 生产系统的递阶分层
• 3.1 引言
• 3.2 生产系统研究中的递阶思想
• 3.2.1 依据频率分层的递阶流率控制
• 3.2.2 构造有限问题的递阶流率控制
• 3.3 完全柔性生产系统的递阶控制框架
• 3.3.1 基本描述
• 3.3.2 递阶控制框架
• 3.3.3 生产流率控制层
• 3.3.4 工程近似
• 3.4 小结
• 第四章 过程工业非柔性系统
• 4.1 引言
• 4.2 工业背景与对象的描述
• 4.2.1 多品种饮用水加工过程
• 4.2.2 数学抽象描述
• 4.2.3 目标泛函和控制量
• 4.3 递阶分层与滚动优化
• 4.3.1 两层递阶分解问题
• 4.3.2 滚动优化与设备年龄问题
• 4.3.3 一个简单的例子
• 4.4 小结
• 第五章 三缓冲混杂系统
• 5.1 引言
• 5.2 三缓冲到达系统
• 5.2.1 系统描述
• 5.2.2 先排空先服务策略下的系统
• 5.2.3 仿真与分析
• 5.3 三缓冲服务系统
• 5.3.1 系统描述
• 5.3.2 优先排空最大缓冲策略下的系统
• 5.3.3 仿真与分析
• 5.4 循环服务策略下考虑切换时间的三缓冲服务系统
• 5.4.1 循环策略下的系统
• 5.4.2 系统运动方程
• 5.4.3 系统运动分析与仿真
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录1：攻读硕士期间发表的与本文有关的论文
• 附录2：作者简历