制造系统控制结构的演变与发展

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1、制造系统控制结构的演变与发展

2、第1....lunwen1.制造企业正处于不断变化的动态环境之中。首先，制造企业面临的市场在变，正在不断地变“大”、变“小”。一方面，由于交通通讯的发展，以及贸易壁垒的不复存在，市场正从原来的区域性“小”市场演变成现在的全球性“大”市场；另一方面，由于新的产品、新的生产企业不断地加入，使得原有的“大块”市场演变成现在的越来越“碎小”的市场。市场的这种变化既给企业带来了无限的希望，也给企业带来了巨大的竞争压力。其次，市场对企业的要求在变，从原来的对质量、成本的要求演变为现在的对时间、质量、成本、创新和服务等诸多方面的要求，而且这些要求的内涵也在不断地

3、变化。为了适应市场的变化和要求，人们研究提出了敏捷式客户化生产模式——敏捷制造［1］。这一生产模式对制造系统的干扰处理能力、与人集成能力、可用性、柔性、鲁棒性提出了更新更高的要求。作为制造系统的基础，什么样的控制结构能够满足上述要求则是当前亟待解决的热点问题。近年来人们在制造系统理论及制造系统控制结构方面开展了大量的研究开发工作，先后提出了以递阶控制结构、协同控制结构等为代表的制造系统控制结构理论和方法。但是，实践和研究表明，这些控制结构理论和方法满足不了上述要求。本文从研究制造系统控制结构的发展演变过程出发，通过对现有的各种制造系统控制结构形式及其适应的生产模式的分析讨论，研

4、究提出合弄控制结构是一种合适的控制结构形式，以它为基础的合弄制造系统满足敏捷式客户化生产模式的要求。1　制造系统控制结构的演变制造企业经历了作坊式的单件生产到泰勒式的大量生产等发展过程，目前正朝着敏捷式客户化生产方向发展。与之相适应，制造控制模式则经历了分散控制、集中控制、递阶控制和协同控制等发展过程。在最初的作坊式单件生产中，由于产品十分简单，每个工匠可以一个人完成产品的全部设计和制造，各工匠之间很少也基本上不需要相互协作，因而采用的是简单的分散控制方式。随着产品复杂程度的提高和生产规模的扩大，需要多人多机的配合才能完成产品的设计和制造，因而需要采用某种方式进行协调控制。首先

5、采用的是集中控制方式，在这种控制结构中，由一个“控制中心”完成全部生产任务的分解、分派和协调。当制造系统进一步扩大、分工进一步细化时，由一个“控制中心”实现对所有工作任务的控制和协调显然是困难的。因此，将系统“控制中心”按功能分解为多个“控制分中心”，形成“金字塔”型的常规递阶控制结构或改良型递阶控制结构。　　在递阶控制结构中，每一个层次将其任务分解成一系列控制指令给下一层，一直分解到最底层后再通过执行器完成某些物理操作。传感反馈也以同样的方式进行，只是与控制信息流的方向相反，即在每一层，对进来的数据进行处理并提取有关的信息给上一层。递阶控制结构的优点是它为定义模块化系统，特别

6、是为实现任务分解功能，提供了一个好的参考模型。然而，由于信息的传送和反馈是按照严格的多层次递阶形式进行的，因而致使系统反应迟钝，满足不了21世纪对制造企业的高灵敏度的要求。因此，人们在递阶控制结构的基础上进一步发展提出了协同控制结构形式。在协同控制结构中，任何形式的递阶控制被取消了，没有主从关系，各个子系统相互独立，拥有高度的自治权，所有的控制决策都在局部进行。比照控制理论，可以将具有递阶控制结构形式的系统看作为是具有耦合的多输入－多输出系统，某一层上的变化将对下属的所有各个层次产生影响；具有协同控制结构形式的系统则像一组去耦的（或松耦合的）单输入－单输出系统，其局部变化对系统

7、中的其它部分不会产生什么影响，也就是说，协同控制使得系统是柔性的，克服了递阶系统的刚性缺点，但是却不可能导致整个系统是优化的。综上所述，对于敏捷式客户化生产模式而言，这些现有的制造系统控制结构均是不合适的。因此，制造系统控制结构必须进一步发展演变，使其既能满足系统柔性要求，又能做到系统整体优化。合弄控制结构正是符合这种发展方向的制造系统控制结构。2　合弄控制结构及制造系统2.1　合弄及合弄结构合弄及其相关概念来自匈牙利记者Koestler［2］对社会组织和生物组织中的层次结构关系的研究。他发现绝对意义上的“整体”和“部分”在任何情况下是不存在的。Koestler将现实生活中具有

8、“整体”、“部分”双重特性的对象定义为holon，将其译成合弄，既是音译又是意译。同时，Koestler还将由合弄这种自相似单元组成的分层结构定义为合弄结构(Holarchy)。在该结构中，合弄是一种系统构造单元，相对于其上层组织是具有协作特性的部分，相对于其下层组织则是具有自律特性的整体；一个合弄可以是另一个合弄的一部分，同时又可以是由其它一些合弄组成的。合弄结构将递阶结构和协同结构的优点很好地结合在一起。一方面，合弄间相互协作以求达到全局目标；另一方面，合弄又表现为是具有智能和自适应特征