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流程工业生产系统递阶最优生产控制策略研究

宋春跃  
【摘要】: 计算机网络技术以及数字通信技术的迅速发展与普及,使得工业企业中从生产设备到管理调度各个层次的信息沟通越来越方便,作为生产规划和管理中最重要的研究课题之一—生产系统的最优生产控制越来越受到重视。在过去的十多年的历史中,形成了分析该最优生产控制问题的一般方法:采用流率模型来描述生产系统,同时受生产能力(由于设备故障与维修)或需求变动的干扰,以往有关生产控制的文献大多是研究传统柔性离散制造系统的优化控制,虽然当采用流率控制模型时,对象某些特性已接近于流程工业的生产系统模型。应当指出,目前真正考虑流程生产系统特点的混杂系统研究还很少,即使有一些也大多是基于本质上为离散的离散制造系统进行混杂系统优化控制研究的,其结果对于流程生产系统的应用缺乏普遍意义。由于流程工业在国民经济中的重要性,研究其最优生产问题具有显著的现实意义。 本文以在流程工业生产系统中具有更直接物理意义的连续流生产模型来描述所研究的对象,把流程工业的一条生产线系统看作一台具有不可靠(Failure-prone)性的设备来研究,在该生产系统中,生产设备具有随机故障的发生。当系统由生产一种产品向生产另一种产品切换时,有包括切换时间及切换成本的显著切换(Setup)费用的引入。该系统能生产多类产品,但考虑到流程工业的特性,在某一已知时刻,系统仅能生产一类产品。最优化生产的目标是寻求每一种产品的最优生产率及系统生产产品的切换序列,使得带折扣率的运行和切换成本目标泛函取最小值。当考虑预防维护时,在目标泛函里应引入预防维护的成本,此时的待决策变量还包含最优的系统预防维护率。 本文的工作旨在根据以上所述系统的特点,基于递阶流率控制策略并结合工程实际,针对流程工业生产系统的生产控制问题展开研究与讨论,具体内容包括以下几个方面: ●系统地阐述了对生产系统生产控制的认识,分类别详细综述了生产控制的研究历史和现状,介绍了生产控制的基本内容,分析了生产控制尤其是基于流率模型的生产控制在工业中的应用情况,指明了本文的研究内容和意义。 -11-摘 要 .基于流率模型,分别讨论了柔性、非柔性、考虑设备老化以及考虑设 备需要预防维护时等不同情况下的生产系统的最优生产控制策略; .提出了一类具有显著切换费用且切换不太频繁的生产系统最优生产控 制的递阶生产率控制策略框架,并在此基础上给出了基于关键事件的 滚动优化算法; .引入新的分层思想,给出了静态时寻求最优生产控制策略的动态规划 方程.并针对实际生产过程中的情况,定义了有强烈物理背景的系统 状态变量,并对该目标泛函的积分上限赋予了新的意义; .不同子已往文献所定义的Hedging Point,在寻求最优生产控制策略过 程中,引入了具有很强物理意义的最优生产时间来替代己往文献的 He吨lug Poing; .对于考虑设备老化及需要预防维护的生产系统,证明了其最优生产控 制策略存在的充分条件,给出了其最优生产控制存在时的HJB (Hamilton-Jaccobi-Bellm叫方程; .讨论了引入的成本参数对目标泛函的影响,以及对最优生产控制策略 的影响,基于流率模型,针对系统仅生产一类产品惰况给出了定量描 述;对多类型产品情况做了定性分析,其定量的关系还有待继续研究; .考虑到寻求生产系统最优控制的计算复杂性,基于Kushner所提出的 方法,给出了利用预测控制思想如何得到生产系统的最优生产控制的 数值解的方法. .对所研究问题进行了拓展,把对该类问题的研究成果推广到更一般的 具有类似特性的系统,并给出了交通最优控制的仿真例子. 总的说来,本研究工作的主要贡献在于把求解多维随机最优生产控制问 题化解为求解多维确定性的最优生产控制问题,并以一维方向上的平滑来逼 近多维随机原始问题,实现了算法的可行性,提高了最优生产控制的精确性 和实时性,问题的简化及定义有其明确的物理意义及应用背景,使得生产能 较好地满足实际的需求.


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