离散加工系统（精选7篇）
离散加工系统 篇1
引言:伴随着ERP系统在中国的应用越来越广泛, 在ERP的实施应用过程也出现了越来越多的问题。其中最大的一个问题就是, 生产执行情况和生产计划出现了脱节, 导致原材料库存太大, 而生产订单下达之后, 又常常出现原材料供应不足的问题。生产计划赶不上变化, 常有紧急订单加进来, 导致企业生产的采购、物流和库存等“后勤”部门更加应接不暇。这样的情况, 为按时完成订单生产任务带来很大的风险, 而且, 容易出现质量隐患。[1]
1 开发背景
中小型离散制造业企业主要从事的是单件、小批量生产, 由于产品的工艺过程经常变更, 所以需要具有良好的计划能力[2]。车间作业计划调度系统不仅要能适合经常变更的生产计划的要求, 而且要适时的反映实际生产情况。而生产计划与实际生产信息不“同步”的情况正是当前ERP系统实施过程中的盲区所在。本系统的主要功能也就是能提供灵活的适应多变的生产计划的、同时又能及时反映车间实际生产情况的车间作业计划调度系统, 避免出现生产计划和生产信息不同步的现象, 通过将ERP系统与生产车间控制系统实时连接起来, 使企业能够更加有效地控制和组织生产, 趋近实时反应。
2 系统结构
本系统充分利用C/S模式和B/S模式各自的特点, 构成混合模式, 通过C/S模式进行本系统的数据的采集、处理及维护等功能, 实现车间作业计划调度的内部主要业务的处理;通过B/S模式进行数据的浏览、信息发布、异地办公等功能, 并实现与B/S模式的ERP系统的全面集成。
3 主要功能
对由ERP系统生成的工作单进行排序, 根据不同的算法可以安排出各工作单的先后加工次序, 确定开工、完工时间、所用的机床以及其它的一些参数。
根据人工的判断和变化的实际情况, 可以对生产作业计划进行临时的调整;
将调度人员的经验归纳成调度算法, 形成约束规则, 根据这些约束条件, 制定生产作业计划;
对生产过程中的生产完成情况、原辅料使用、人员调配、设备运行、工艺指标、能源消耗、生产安全等进行查询, 提供WEB支持, 授权的管理人员可以通过INTERNET网查询当前的生产状况, 实现“移动办公”。
掌握各工作中心的工作负载, 并能提供各工作中心生产效率报告;
不良原因统计分析。
4 与ERP系统的集成
本系统的主要组成部分有:数据管理 (包括对工艺数据、任务数据、客户数据等的管理) 、计划调度 (提供了车间实际操作中常用到的几种不同的算法) 、统计分析、系统配置 (包括机床管理、刀具管理、夹具管理、人员信息等) 等。这些组成部分定义了车间作业计划调度所要用到的资料的属性。根据这些属性, 再按照系统提供的算法, 系统可以自动计算各项工序任务的开工/完工时间, 使得企业的生产作业控制更有弹性, 也更加方便。同时, 系统还可以通过对这些属性的及时更新, 来掌握实际生产情况, 便于对实际生产进行控制, 避免生产计划与实际生产不同步情况的产生。本系统具有开放性, 实现了与ERP系统的连接, 从ERP系统中读取数据信息, 并对其进行处理, 然后把处理结果返回到ERP系统。
本系统采用的是C/S模式和B/S模式构成的混合模式, 通过数据接口可以实现与基于B/S模式构建的ERP系统之间的数据传递:从ERP系统中读取任务数据、工艺数据、物料数据等, 然后根据这些数据来, 再按照系统提供的算法, 自动计算各项工序任务的开工/完工时间, 并向ERP系统返回每道工序的排序结果:计划开工时间, 计划完工时间以及所占用的加工设备, 此外还向Welcome ERP系统传递对交货期分析的结果。通过此集成功能使得企业的生产作业控制更有弹性, 也更加方便。
与Welcome ERP系统之间的主要关系如图1所示:
5 本系统所采用的调度规则
本系统所解决的是离散型机械加工企业中最一般的作业排序问题:n项作业在m台机床上加工的排序。这类问题的解法很多, 但计算都很复杂、计算工作量很大。各种规则所满足的目标也各不相同, 比如作业通过时间最短、减少拖期作业时间、减少拖期作业数量等。本系统以保证交货期为目标对加工任务进行作业排序。以加工设备的生产能力为依据, 以资源Agent的结构对加工设备的加工任务进行分组平衡。除此之外, 还提供了实时调度功能, 针对生产过程中出现的各种干扰因素, 在生产过程中对加工任务进行移动、分批、加班等实时调度控制。这样就增加了调度的灵活性, 能更好的满足交货期的要求。
为了保证交货期所选用的算法:SLACK (least amount of Slack) 松弛量最小规则SLACK规则是指在不影响交货的条件下, 生产过程中可以机动使用的宽裕时间。SLACK规则选择松弛量最小的工件首先接受加工。计算公式如下:
工件松弛量=交付期- (当前时刻+剩余加工时间)
a.按SLACK规则对所有作业任务进行排序, 即按松弛时间由小到大的顺序排序。
b.按SLACK顺序, 一次选择一个作业分别安排到设备上, 并使该设备上所有作业加工时间之和最小。重复此操作, 直到所有的作业分配完毕。
SLACK规则能确切反映任务的紧迫程度。若工件的松弛量为零或接近于零, 说明已无机动余地, 任务处在关键路线上, 若小于零, 则肯定该工件已不能按期交货, 需采取措施赶工。
6 本系统作业指令的下达
作业计划的内容, 包括该工序的开工、完工时间、生产数据等方面。本论文使用的是派工单的形式, 把下达到车间的工作单分解到各个加工工序, 并通过上述的一些算法对各个工序进行排序, 然后通过工票来进行组织生产, 并进行控制:通过工票的下达来安排生产任务, 以工票的回收功能来反馈实际生产状况, 实现车间作业信息的闭环流动。车间任务状态分为四种:即将到达、已到达、已开工和已完成。并对车间任务的下达进行合理的逻辑控制, 如控制上一道工序任务已下达或完工后方可下达下一道工序的任务。车间管理人员可以更明确地掌握生产的实际进度, 并防止误操作发生。
结束语
车间作业计划调度通过将ERP系统与生产一线流程控制系统实时连接起来, 使企业能够更加有效地控制和组织生产, 趋近实时反应。本文对ERP系统里的车间作业调度问题进行了分析, 讨论了车间作业调度问题的一些算法, 能够较好地适应当前ERP系统的需求, 特别是能适应面向中小型离散型机械加工企业的ERP系统的需求。本系统需要不断的完善, 才能实现与ERP其他模块进行无缝紧密连接。
参考文献
[1]舒涵.MES, 活跃在ERP的“盲区”[J].中国计算机用户, 2003, 11.
[2]马万太, 戴勇.MES专题MES的行业应用[J].中国计算机用户, 2003, 11.
[3]罗耀辉.车间作业计划调度系统的研究与开发[D].西北工业大学硕士论文, 2002.
[4]罗耀辉.车间作业计划调度系统的研究与开发[D].西北工业大学硕士论文, 2002.
一类离散切换系统的性能分析 篇2
关键词：切换,H∞性能,线性矩阵不等式,Lyapunov函数
0 引言
十几年来,切换系统和开关控制已受到越来越多的关注。切换系统是一类混合系统,包括一系列的子系统和切换机制,切换机制将在系统运行的每个时刻指定某个子系统被激活。很多工程问题可以看作切换系统,包括化学工艺、电脑控制系统和开关电路等等。针对切换系统的研究,主要是稳定性和控制器设计[1,2,3,4,5]。文献[6]中提出了切换Lyapunov函数(SLF)的概念,第一次应用该方法分析离散时滞切换线性系统的稳定性。另一方面,在各种工程系统中经常遇到由于时滞而导致系统性能不满意和系统不稳定的问题。因此,在稳定和鲁棒控制的问题上已有很多研究成果[7,8,9]。基于文献[6]中的结果,文献[10]考虑了含有状态时滞的离散切换系统的二次稳定性和镇定问题。借助于SLF和Finsler’s引理,文献[11]研究了含有状态时滞的线性切换系统的稳定性和输入-输出性能分析。
本文综合利用Lyapunov-Krasovskii函数和Finsler’s引理,针对一类含有不确定性、时滞和任意切换律的离散切换系统,考虑线性分式不确定性形式,包括范数有界不确定性,研究了其H∞性能分析问题。结果通过LMI形式给出,是对切换系统现有结果的扩展。
1 问题描述
考虑如下含有时滞的不确定离散切换系统:
undefined
其中,x(t)∈n为系统状态,w(t)∈q为扰动,z(t)∈p是输出信号。ϕ(t)为系统状态的初始条件,正数τ为常值时滞。σ(t)是切换信号,在有限集undefined中取值,N>1是子系统的数目。σ(t)=i,即第i个子系统undefined被激活。undefined为含有不确定性的矩阵,且满足:
undefined
其中,undefined为适当维数的已知常数矩阵,系统的参数不确定性满足如下假设。
假设1:系统的参数不确定性具有线性分式不确定性形式,其结构如下:
undefined
其中,undefined和J为适当维数的已知常数矩阵,不确定矩阵F(ξ)为Lesbesgue可测,且满足
F(ξ)∈Ω:={F(ξ)|FFT≤I,∀ξ} (6)
为叙述方便,首先给出如下定义。
定义1:给定常数γ>0,考虑切换系统(1),如果下述条件成立:
①当扰动w(k)=0时,系统(1)渐近稳定;
②假设初始条件为零(即x(t)=0,t∈[-τ,0]),受控输出z(k)满足
undefined
则称切换系统满足H∞范数界γ。
本文研究的目的是给出判断切换系统(1)鲁棒渐近稳定和满足H∞性能界γ的条件。
2 主要结果
在给出主要结果之前,首先引入两个基本引理。
引理1(Finaler’s引理):对于向量x∈,矩阵P=PT∈n×n和H∈n×n,且满足条件rank(H)=r
①对于任意的x≠0和Hx=0,满足xTPx<0;
②∃X∈n×n,满足P+XH+HTXT<0;
③H⊥TPH⊥<0,其中H⊥T是H的核,即HH⊥T=0。
在引理1中,条件①描述了一种受约束二次型形式,而②通过引入变量X将①中的约束条件清楚,进而转化成不受约束的二次型形式。
对于文献[12]中的引理4,利用Schur补引理和变量代换,令undefined,可直接得到如下引理。
引理2:给定适当维数的矩阵Ξ,Γ和对称矩阵M,如果存在一个常数δ>0,满足
undefined
则对于任意满足式(4)-(6)的不确定矩阵Δ(ξ),均有下式成立:
M+ΓΔ(ξ)Ξ+ΞTΔT(ξ)ΓT<0 (9)
对于切换系统(1),定义如下形式的切换Lyapunov-Krasovkii函数:
undefined
其中,P1,Q1,…,PN,QN为对称正定矩阵。对于系统(1),如果存在这样的Lyapunov函数,且其差分:
ΔV(t,x(t))=V(t+1,x(t+1))-V(t,x(t)) (11)
为负定,则切换系统(1)渐近稳定[10]。
给定常数γ,考虑改进后的Lyapunov稳定条件
∀(x(t+1),x(t-τ))满足系统(1),并且
[xT(t+1)xT(t)xT(t-τ)]T≠0
由文献[12],可得到等价条件
∀(x(t+1),x(t),x(t-τ))满足(1),并且
[xT(t+1)xT(t)xT(t-τ)]T≠0
由于
undefined
给定0<γ<∞,如果式(13)有可行解,则可以推出切换系统(1)渐近稳定,并且满足H∞性能界γ。
下面将给出判断切换系统(1)是否渐近稳定的条件,并给出满足H∞范数界γ的判据。
定理1:下述表述是相互等价的。
①给定常数γ>0,对于含有时滞的不确定离散切换系统(1),如果存在形如式(10)的切换Lyapunov-Krasovkii函数,且Lyapunov函数的差分满足式(13),则切换系统(1)满足H∞范数界γ。
②存在对称正定矩阵Pi,Qi∈n×n,矩阵F1i,G1i,N1i∈n×n,F2i,G2i,N2i∈n×p,J1i∈p×n,M1i∈q×n,J2i∈p×p和M2i∈undefined满足下式:
undefined
其中,
undefined
undefined
③存在矩阵P=PT∈n×n和H∈n×n,且Rank(H)=r
undefined
证明:记
undefined
undefined
undefined
由引理1,易证定理中的结论成立。
当考虑不确定性描述时,可得到下述定理:
定理2: 如下描述等价
①给定常数γ>0,对于系统(1),如果存在形如式(10)的切换Lyapunov-Krasovkii函数,且Lyapunov函数的差分满足式(13),则系统(1)满足H∞范数界γ。
②存在对称正定矩阵Pi,Qi∈n×n,矩阵F1i,G1i,N1i∈n×n,F2i,G2i,N2i∈n×p,J1i∈p×n,M1i∈q×n,J2i∈p×p和J2i∈undefined以及常数δ>0,满足下式
undefined
其中,矩阵P和Q如式 (16)所定义,M=P+Φ+ΦT。
证明:记
undefined
假设式(18)成立,由引理2可知,对于任意满足式(4)-(6)的不确定矩阵Δ(ξ),均有下式成立
undefined
考虑式(2)和(3),经过适当变换,可知式(19)等价于式(15)。因此可由定理1直接证得结论成立。
说明1:定理1和定理2方法的核心是通过增加LMIs的维数和引入新的矩阵变量,为系统性能分析和控制综合提供更多自由度。
接下来,通过一个优化问题来求解H∞范数界γ的最小化问题。
定理3:考虑切换系统(1),如果下述优化问题
minγ2s.t.LMIsundefined
有解γ,Pi,Qi,F1i,F2i,G1i,G2i,N2iJ1i,N2i,M1i,M2i,δ,则系统(1)满足最优H∞范数界γ。
3 数值算例
考虑含有时滞的不确定离散切换系统(1),取N=2,系统矩阵描述如下
undefined
目的是检验切换系统(1)满足H∞范数界γ。利用MATLAB LMI工具箱求解优化问题(20),得到:
undefined
因此,切换系统(1)满足H∞范数界γ。
4 结束语
本文针对一类含有时滞的离散切换系统,利用切换Lyapunov-Krasovkii函数方法和Finsler’s引理,给出新的H∞性能分析的条件,且该条件对系统分析提供了更多自由度。本文主要结果通过LMI形式给出,可以很方便的通过MATLAB LMI工具箱求解。
此类系统其它分析和控制综合问题可以借助于本章方法求解。
参考文献
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面向离散制造业的制造执行系统 篇3
生产计划与生产过程的脱节一直是困扰生产管理人员的难题,它不仅直接影响工厂的生产效率,而且成为制约现代企业内部信息集成和企业之间供应链优化的瓶颈[1]。能有效解决此类问题的制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)是制造系统运筹技术、信息化技术与管理技术发展的核心,近年来MES在美日欧等工业发达国家推广非常迅速,其应用领域覆盖离散与流程制造行业:半导体、电子、机械、航空、汽车、食品、石油化工等,有资料对整个北美MES市场的调查分析:MES市场21世纪初将出现年增长率达35%~40%的幅度[2]。鉴于此,依据现代分布式网络环境中制造系统的特点,通过对MES问题的研究现状,从定义、功能和相关技术问题上进行回顾和评价,探讨存在的问题与发展趋势。
2 制造执行系统的描述
2.1 MES产生及定位分析
生产计划与生产过程之间的信息断层是MES产生的必然因素。在现代分布式制造环境下,上层计划管理层(如ERP,MRPⅡ)对计划的制定和执行受市场和实际的作业执行状态的影响越来越严重,市场中不确定性因素及客户需求的复杂多样导致产品的改型及订单的调整,而由于计划管理层无法得到及时准确的生产实际信息,无法把握生产现场的真实情况以及缺乏相应的监控系统而使得上层计划的制定越来越困难,准确性和可行性难以得到保证;同时控制层(如PCS)中操作人员和设备得不到切实可行的生产计划与生产指示,使得车间作业系统失去应有的作用,一方面造成在制品库存量过多或过少,另一方面设备过于空闲或繁忙,使得车间管理出现混乱,无法保证车间生产过程有序健康地进行。信息断层造成了企业生产经营信息在垂直方向的阻断,严重阻碍了企业内外计划管理层与控制层之间的集成,阻碍了企业间信息化的发展。
MES正是随着制造业生产形态的变革而迅速发展起来的面向生产执行层的生产管理技术与实时信息系统。1990年AMR(Advanced Manufacturing Research)首次定义MES为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”,如图1所示。
再经过MESA(Manufacturing Enterprise Solution Association)[3]、Norris P[4]、Chen F T等[5]从三个不同角度定义后,综合得出MES是面向执行的信息系统,它集成生产计划、调度、工艺管理、质量管理、设备维护、过程控制等相互独立的系统,实现这些系统之间的数据完全共享,完全解决信息孤岛状态下的数据重叠和数据矛盾的问题;同时,MES具备较强的车间跟踪监控能力,实时、准确的底层数据采集与信息反馈功能,智能化的基于车间实时动态环境的生产调度系统等,以此来收集生产过程中大量的实时数据,对实时事件进行实时处理的同时与计划层和生产控制层保持紧密的双向通信能力,从上下两层接收相应的数据并反馈处理结果和生产指令[6]。随着现代分布式制造环境的日趋成熟以及JIT、TOC等先进生产模式的提出,促使MES的发展与实现,即让数据信息从产品级取出,穿过操作控制级送达计划管理级,通过连续信息流来实现MES对整个生产过程进行优化管理,如图2所示。
2.2 MES的主要功能描述
随着MES的产生与发展,MES的功能模型也发生了相应变化。1992年,AMR提出了三层结构的企业集成模型,指出了MES所处的层次;1993年,AMR推出了MES集成系统模型[7],包括车间管理、工艺管理、质量管理和过程管理4个功能模型;1997年,MESA提出了包括11个功能的MES集成模型[8],强调MES是一个与其它系统相连的信息网络中心,在功能上可以根据行业和企业的不同需要与其它系统集成,为实施基于组件技术的可集成的MES提供了标准化的功能结构、技术框架和信息结构;1998年,AMR提出了制造业过程模型,即REPAC(Ready,Execution,Process,Analyze,Coordinate)模型。该模型描述了制造企业中完整的制造管理事务流程,不仅强调MES的核心作用,而且提出了经营管理、生产过程管理和过程控制的闭环结构[9];随着标准化MES研究的深入,出现了分布式面向对象的MES功能模型,MES能够通过基于知识的标准化规则向工作流、代理以及其他系统(SCM,ERP,Controls等)请求制造事件或下达生产指令,通过协同机制实现企业生产过程管理[10]。
随着现代分布式制造环境的日趋成熟以及JIT、TOC等先进生产模式的提出,MES所强调的实时信息响应功能日益重要,通过MES各个功能模块与外部各独立系统的集成,实现MES对整个生产过程进行优化管理,以适应企业在网络环境下信息敏捷响应的要求[11],如图3所示。
3 制造执行系统的国内外研究现状
针对国内外MES发展历史,总结一下对MES技术的研究主要有以下几类。
3.1 单一功能的MES
20世纪70年代,单一功能的MES是在未实施整体解决方案或信息系统以前引入的单功能的软件产品或个别系统,如设备状态监控系统、质量管理系统和包括生产进度跟踪、生产统计等功能的生产管理系统。如以微电子制造虚拟企业为背景的工具化MES系统X-CITTIC[12],该项技术只是在车间层集成了大量的实时处理技术,但车间层与计划层和控制层相互分离,只是实现计划层和控制层之间的信息及时传递,没有从根本上解决制造执行系统中的动态实时调度问题;由于国内对MES的研究起步较晚,目前主要停留在MES思想、内涵及体系结构方面的研究上[13,14],应用系统开发一般局限于MES单一功能,具有针对性强、实施周期短、资金投入少的特点,但在MES软件的商品化、成果的推广应用方面还需要做进一步的研究。
3.2 传统型MES(Traditional MES,T-MES)
20世纪80年代,底层的过程控制系统和上层的生产计划系统的发展产生了T-MES,其包括专用MES和集成化MES。专用MES是针对某个特定领域问题而开发的应用系统,包括维护车间生产监控的有限能力调度系统、过程监控和数据采集系统(Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA)。如Byoung Choi[15],J.Sieberg[16]等学者提出了应用于半导体的MESMS车间,强调调度和资源优化的AHEAD MES[17]。它们针对车间某些特定生产问题提供有限的功能和自成一体的相应软件系统,具有实施快、投入少等优点,但通用性和集成性差,难以随业务变化而重构。
集成MES系统是针对一个特定的环境而设计的行业MES应用系统。在功能上它已实现了与上层事务处理和下层实施控制的集成。具有一定的客户化、可重构、可扩展和互操作的特性。Sheng-Luen Chung[18]等学者提出了集成化MES,如用于半导体制造企业的MES系统。它通过采用统一的逻辑数据库和产品及过程模型为特定车间环境提供了更多的应用功能,但仍缺少通用性和广泛的集成能力。
虽然传统的MES软件的研究和开发取得了明显的进展,但T-MES是针对特定的问题、特定的行业开发的,没有一定的技术规范指导,其它的行业基本无法借鉴;不能与企业中异构的数据库、操作系统实现互操作;不具备动态改变的能力,不能随着业务过程的变化进行功能配置,即T-MES大多存在通用性差、缺乏互操作性、重构能力差等方面的缺点,在软件的适应性、集成性、成熟度等方面还存在较大的问题。
3.3 可集成的MES系统(Integrated MES,I-MES)
为了解决T-MES的不足,可集成的MES逐渐成为人们研究的热点,自20世纪90年代起研究开发出大量的MES软件,如J.Barry[19]等学者提出用于虚拟企业的NI-IP-SMART。它应用面向对象技术和模块化应用组件技术,使系统具有便于客户化、可重构和可扩展等特性;S.Engin Kili[20]等学者采用Windows DNA技术实现了一个分布式的MES原型系统;国内曾对MES和ERP进行跟踪、研究并且提出管控一体化、人才物产供销等颇具中国特色的CIMS,如中国科学院沈阳自动化研究所的于海斌[21]等学者提出了可集成制造执行系统的体系结构、运行机制和开发方法,并对该系统的市场进行了分析与预测。目前国内运用在流程行业的两个相对成熟、有影响的国产MES产品是:和利时公司HOLLi AS-MES-流程行业生产管理系统和浙大中控的ESP-Suite-企业综合自动化整体解决方案。HOLLi AS-MES以生产过程信息为核心为企业决策系统提供直接的支持,丰富的可灵活配置的功能模块可以满足不同行业的应用要求;ESP-Suite企业综合自动化整体解决方案包括以综合信息集成软件平台、基于关系数据库和实时监控软件平台、基于实时数据库为核心的一系列应用软件,是由从硬件单机到DCS系统,从硬件系统到软件系统,由DCS层、ERP层到MES层的模式发展起来的。
I-MES较T-MES在系统可重构性、可扩展性和互操作性方面具有很大进步,但也出现了一些不足之处,如人机操作界面复杂,很难形象的反映生产车间的制造执行情况,在应用推广方面,还有待于向可视化的方向进行进一步的研究等。
3.4 MES-Ⅱ
在I-MES发展的基础上,将智能体融入MES后形成了智能型MES-Ⅱ,如MESNagesh Sukhi[22]等学者提出了智能第二代的MES解决方案,其核心目标是通过更精确的过程状态跟踪和更完整的数据记录以获取更多的数据来更方便地进行生产管理和改善系统性能,并通过分布在设备中的智能来保证车间生产的自动化。
曾波[23]等学者提出利用MAS(Multi Agent Syetem)建立分布式的MES调度问题,杨建军[24]等学者提出面向敏捷制造的车间先进管理控制系统,这些研究所构建的MES系统中,虽然都提到了在分布式环境下对控制层的数据进行实时采集,但是没有进一步去研究,如何构建一体化的数据模型,来保证数据的一致性及实现数据的实时性。
周华[25]等学者基于Holor(全能体)构造MES,阐述了在车间多变环境下,如何保证制造系统的伸缩胜和敏捷性,乔兵[26]等学者在MES系统中的分布式动态作业车间调度采用了基于Agent的技术,杨帆[27]等提出一种基于Agent的分布式流程工业制造执行系统结构,虽然这种结构非常有利于分布式流程工业制造执行系统的管理和控制,具有较好的柔性和扩展性,但是Agent技术只是一种方法研究,而且Agent模型的建立没有一个统一的模式,离实用还有一定的距离。
罗国富等人提出基于组件的可重构MES[28],组件化软件结构可以完全实现软件的组装和软件功能的裁剪、重构,为在新型软件体系结构的架构上开发组件化的可重构的MES提供了广阔的前景,如周华[29]等提出了基于A-gent模型、Role模型和Character模型驱动的机遇代理的制造执行系统体系结构,以达到快速控制系统的目的,日本信息促进委员会和一些企业伙伴(如Sofix有限公司等)开发的Open-MES[30],采用面向对象框架方法及Java、CORBA技术,为那些想独立开发应用项目的组织提供一个易于理解的概念性的Open MES框架,但是这些体系结构只是一种原始模型,具体的技术问题还需进一步研究。
欧联盟资助的IMS和IST项目之一PABADIS[31](Plant Automation Based on Distributed Systems)提出面向大规模定制生产的MES,通过关注每个产品的整个开发过程,对产品实现更好的生产控制,具有柔性自动化、容错、可重构和真正面向产品的特点,这种MES综合应用软件Agent和网络技术,便于分布的资源提供者和消耗者通过合作获得尽可能好的生产计划。
同时还有虚拟企业的MES,如e-制造环境下基于虚拟生产线的MES及其自适应监控系统[32];Web使能的协同MES[33];分布制造执行系统[34]。计算机集成制造执行系统[35]乃至全能制造执行系统[36],但这些都是基于理论的研究,仍停留在思想、内涵及体系结构方面的研究上,在具体的实现技术上还需要进一步研究。
4 MES新的发展趋势
在分布式制造环境下,随着市场全球化趋势的加剧,制造环境越来越充满了不确定性,怎样将协作型的伙伴企业有效的组织起来优化供应链上的资源,以最低的成本、最快的速度生产最好的产品,最快的满足用户需求,以实现QR(Quick Response)、ECR(Effective Customer Response)的要求?MES的实时性与快速信息响应已成为MES的重要发展方向。
MES需要将车间的实时物料加工状态、实时设备状态、实时库存状态(生产能力、材料消耗、劳动力和生产线运行性能、在制品的存放位置和状态、实际订单执行等涉及生产运行的数据)准确地传递给上层计划系统,便于制定相应的调度模型;MES需要提供给客户实时准确地订单状态信息,告诉客户订单已经进行到什么状态,并给出客户准确的订单完成时间等信息;MES还需要实时处理由于订单状态改变、设备故障、人员突发请求、物料短缺等原因造成的作业计划调整,后向底层控制系统发出生产指令控制及有关生产线运行的各种控制参数。
对于制造型企业来说,尤其需要一个具有快速响应功能的MES系统,要做到这一点,不仅企业的制造过程、数据模型、信息系统和通信基础设施必须无缝地连接且实时的运作,而且需要有快速的协调机制,保证企业内外的物料与其它资源的管理是在实时的牵引方式下进行而不是无限能力的推动过程。研究以实时装配过程为驱动源的制造执行系统,不仅可以实现子层(制造层、采购层等)计划控制信息对装配层零部件需求信息的快速响应,而且通过精确、可视化的过程状态跟踪和完整的底层工况数据获取来进行决策以实现生产管理的敏捷化。
5 结束语
离散制造业质量管理系统研究 篇4
质量问题是企业重大的战略性问题, 它不仅关系到企业的生存和发展, 而且关系到资源的开发与利用。优良的质量能给企业带来兴旺和发展, 低劣的质量则可能导致企业彻底垮台, 因而研究企业的质量管理成为企业管理的重要课题之一。在现代离散制造行业的生产质量管理中, 越来越多的多品种小批量订单、高度的定制化生产使得信息的交换、数据的流转、单据的出入都更加复杂多变。基于计算机技术和信息管理技术的质量管理系统无疑成为离散制造企业进行生产管理的有力保障, 迅速及时的数据处理必定大幅度提高生产和管理的效率, 实现产品质量和企业价值的双赢。
本文将离散生产企业的质量管理作为研究对象, 以质量数据采集、质量判定管理、质量文件管理、质量统计分析、质量追溯管理为研究重点, 分析并总结质量管理业务需求, 并提出相应的质量管理系统功能模型。
1 离散制造业的特点及质量管理流程分析
1.1 离散制造业的特点
制造业按照产品制造工艺特点可分为连续制造和离散制造。连续制造面向流程工业, 生产工艺固定, 物料呈连续状态通过整个生产流程;而离散制造的产品往往由多个零部件经过一系列并不连续的工序装配而成, 一般包含零部件加工、零部件装配等过程, 产品的组成通常会有几种不同的类型, 相同的组成又有不同的工艺版本, 在实际生产过程中还可以选择不同的路径, 因而制造过程和物料跟踪都相当困难。离散制造业生产特点总结如下:
(1) 离散型生产。
产品由许多零部件构成, 各零部件的加工过程彼此独立, 生产流程不连续, 对控制的实时性要求不高, 但需要对物料进行及时跟踪。
(2) 多品种小批量生产。
激烈的市场竞争和新技术的不断发展应用使得多品种小批量成为目前制造产品的主流, 多品种小批量生产的特点是, 生产的产品品种较多、产品生产周期长, 每个品种的产量很少, 甚至只有一台或一小批, 这就要求生产具有柔性。
(3) 生产灵活多变。
组织生产方式分为面向订单生产、面向库存生产和面向订单装配, 带有通用件及标准件按预测库存生产。由于该类企业产品复杂、组成零部件数量众多、工艺技术复杂且常常变更、产品齐套性约束强、生产批量小, 所以这类企业通用件及标准件常依据预测按一定库存量生产。
(4) 企业管理手段及信息化应用水平相对较低。
管理落后, 主要以手工分散管理为主。大多数企业计算机应用只达到 CAX 设计层面, 财务管理、库存管理等单一专项管理系统的应用较多, 但是比较分散, 没有实现信息的共享。有少数企业实施了ERP、PDM 等系统, 但实施的效果大都不理想。
(5) 底层自动化水平低, 设备落后。
生产现场智能化检测及控制仪器应用较少, 主要是通过人手工控制, 缺乏有效的底层信息采集及反馈机制。且大部分都已经老化, 常常出现故障, 同时缺乏设备的科学管理与维护, 从而导致设备利用率低, 在制品数量较多, 成本增加。
1.2 离散制造业质量管理流程分析
离散制造型企业一般包含零部件加工、零部件装配等过程。从加工过程看, 离散制造型企业生产过程是由不同零部件加工子过程或并联或串连组成的复杂过程, 其中包含着更多的变化和不确定因素。各个阶段会产生大量与产品有关的质量信息, 缺少任一阶段的质量信息, 对产品的描述都是不完全的, 也是不准确的。离散制造业质量管理业务流程如图1。
车间的生产过程主要由调度员根据上面下达的生产计划负责总体安排工作。由调度员开出首道工序的工票, 交给操作工人, 操作工人根据工票上的指令号、图号、名称去领取工艺卡片、图纸和坯料进行加工。加工完成后先由操作人员自检, 经自检合格后再由检验员抽检10% (此百分比根据企业质检文件要求来决定) , 记录下合格数、完工日期等并签字。到下一工序开始工作时, 操作人员需让调度员再次开另一张工票, 然后进入加工检验阶段, 加工完成入库之前进行必要的检验, 以保证半成品、成品没有质量问题出现。
若最终检验出不合格产品, 则由1～2名检验员确认或经检验班长确认后, 填写废品通知单, 若出现稍大一点的问题, 则需经过车间领导的确认, 若出现重大质量问题, 则由分管质量的副厂长召集开质量分析会, 提出相应合适的防范措施。
在质量统计方面有专人负责, 主要是通过报表统计。工人开出不良品通知单, 经检验员检验确认这一产品是返工、返修还是报废, 若报废, 则开出废品通知单, 统计组则按票面统计工时成本、材料等各方面的损失情况。
2 离散制造业质量管理现状及问题分析
2.1 离散制造业质量管理现状
离散型制造企业的质量管理仍然以传统的检验把关为主, 辅之以简单的统计分析和数据处理。总体来讲, 包括以下几个方面:
(1) 质量信息采集。
质量信息是质量管理的记录和过程受控的重要凭证。在质量信息采集方面, 现在仍然以手工采集数据为主, 并使用纸质文件进行记录。
(2) 质量数据管理。
在质量数据管理方面, 各部门分散管理各自直接相关的质量记录, 使得质量信息不能共享, 形成信息孤岛。
(3) 质量过程控制。
一般企业都建立了比较完善的质量管理程序文件和过程规范, 并制定了相应的控制方法。但文件规定与实际操作“两张皮”的现象比较普通, 很多企业质量过程的流转仍然采用表单传递、人工流转的方式。
(4) 质量分析与决策。
由于很多企业车间仍然以手工方式处理质量数据, 缺乏统计技术和工具支持处理庞大的质量信息, 所以质量分析与决策在企业中很难开展, 只能进行简单的报表统计和汇总。
(5) 质量追溯。
很多企业对产品质量的跟踪随着产品的出厂而结束, 最多会做产品退货记录或者维修记录, 而对产品质量的形成原因包括原材料采购、零部件加工、产品装配过程则没有进一步追溯, 很难追查问题所在。
2.2 离散制造业质量管理存在的问题
(1) 文件与生产脱节。
文件规定与实际操作“两张皮”的现象十分常见, 很多企业质量过程的流转仍然采用表单传递、人工流转的方式, 信息传递缓慢、工作效率低, 而且产品故障信息的处理过程无法得到有效监控和追踪。
(2) 缺乏现代化的质量数据采集工具。
在我国很多制造型企业, 质量数据仍然采用手工记录的方式, 不但出错率较高, 也影响了实时性, 无法及时进行统计并发现存在的质量隐患。
(3) 信息分散。
产品质量信息分散不集中, 难以利用。在生产管理过程中, 很多的质量信息分散在各个部门中, 处于孤立的、局部的状态, 这样就会造成决策信息不对称, 无法为质量改进提供及时、准确的决策支持。
(4) 质量追溯困难。
很多企业由于管理水平的限制, 使得产品在经过生产和销售之后, 仍然处于“状态不明”的情况, 即:不知道哪一批零件安装在哪一批产品上。发现了产品缺陷之后, 也很难根据缺陷产品的生产过程数据和零部件组成情况查找到其它有缺陷的产品。
(5) 缺乏信息系统的集成。
目前, 我国离散制造业信息化的主要问题是引入了多个信息管理系统, 却没有将其进行集成, 各个信息系统独立工作, 信息不连续, 不但提高了日常维护成本, 更重要的是无法达到信息共享的目的, 无法真正实现信息化所带来的优越性。
3 离散制造业质量管理系统设计
3.1 质量管理系统总体需求
质量管理涉及的部门及业务职能范围大, 包括的质量数据种类繁多, 随着科学技术水平的提高及外部市场情况的发展变化, 企业产品结构和生产运营也不断调整变动, 相应地, 企业的质量管理必须对这种调整变动具有动态适应的能力。
在传统的企业质量管理中, 质量信息的处理和管理全部由人工完成, 质量数据的完备性和正确性以及质量信息的利用率都不高, 更谈不上为决策者提供决策支持, 这显然已难以适应现代企业管理的要求。
随着信息技术和先进制造技术的发展, 采用各种先进的现代科学技术和手段, 将产品生命周期中各阶段、各部分的质量因素、质量控制、质量保证作为一个有机的整体来研究, 将传统的以检验驱动, 转变为以用户驱动来保证产品质量, 将传统的注意制造过程中的质量控制转变为注意整个产品生命周期中各个环节的质量控制;将事后检验变为事前预防;确定质量目标和制定质量保证计划;在企业的内部和外部通过各种方式采集质量数据;处理质量数据并进行评价, 诊断产品和过程存在的问题及原因;将有关纠正措施和控制信息传递到相关部门和设备;进行质量优化, 为不同部门和层次的质量活动提供决策依据。
3.2 质量管理系统业务模型
根据以上对质量管理现状及其需求的分析, 提出了离散制造企业质量管理系统的业务模型:
首先, 质量管理系统根据质量检验计划从生产现场采集质量实绩数据;之后, 依据判定标准对检验结果进行判定, 对有质量问题的数据进行返修、改制等过程跟踪管理、划分责任, 并能够通过产品质量分析, 找出造成质量问题的原因, 为改进工艺或工艺规程提供参考依据。对于合格的产品, 最终打印质保书。具体分析, 每个过程还有各自的业务流程, 下面一一进行介绍。
(1) 质检计划管理。
质检计划的主要任务是制定从原材料采购到零部件生产与装配, 乃至整机检验出厂的全过程的质量检验范围、检验项目、检验方法、检验水平、检验手段和设备、检验人员配备以及检验费用配备等各项内容的规划。首先, 依据标准、设计文件、相关规范等编制质检计划, 通过审核后形成质检计划单, 没有通过审核的需进行修改。
(2) 质量数据采集。
在质量数据采集过程中, 数据采集项点一般置于生产现场关键工序处, 呈现出多点分布式的特点, 借助有意义的条码、无线射频识别等技术进行质量数据的定位、采集, 可实时、准确地获取生产现场的质量数据。首先接收质检计划, 然后确定待检零部件, 确定检验项目, 通过采集设备完成质量数据的采集, 审核采集结果, 结果正确后报出数据。
(3) 质量判定。
接收质量检验结果数据, 对检验结果进行判定。当发现质量异常后, 一部分零件报废直接进入废品库, 有时则需相关部门组织评审会议, 确定返工、返修还是报废。返工、返修零件重新上线, 报废品则进入废品库。判定合格的继续生产, 直至产品完成, 最后进行综合判定, 合格的出具质保书。
(4) 质量文件管理。
对质量管理过程中涉及的文件从编辑到作废进行全生命周期管理。
(5) 质量统计分析。
质量统计分析, 主要是对质量活动产生的质量情况进行统计, 分析质量数据反映的质量水平现状, 满足质量人员对质量不断改进的需求。根据生产数据接收和质量数据接收进行数据的查询, 再依据业务规则统计汇总数据, 最终形成统计分析报表或图表。
(6) 质量追溯。
产品质量追溯是从已经发生质量问题的产品出发, 分析和找出发生质量问题的根本原因, 追溯其它也存在缺陷的产品和零部件, 对产品进行及时维修或者召回, 对零部件则需要进行退货或者维修, 同时也可以追溯质量形成过程, 包括其相关的工艺、物料和责任人等。提高企业质量管理水平, 从而提高企业的形象。离散制造业质量追溯的流程如图3。
3.3 质量管理系统功能模型
根据离散制造企业对质量管理系统的需求分析和业务流程分析, 需建立具有如下6个管理模块的系统功能结构 (见图4) 。
(1) 基础数据管理模块主要负责对产品整个质量生命周期中的基础数据信息进行维护。质量标准管理负责录入及维护质量检验标准, 包括标准上下限、正负公差、检验部位、检验方式、试样数量等;检验项目管理负责录入及维护质量检验所对应的检验项目编号、名称、单位及其分类等;质量缺陷管理负责录入及维护质量问题的缺陷类别、缺陷编码及名称、责任单位、责任人、不合格品处置方法等。
(2) 质量数据采集模块负责对生产过程中的零部件、半成品、成品进行现场数据的自动或人工采集工作。通过接收质检计划功能接收质检计划, 明确待检试样、检验项目、检验数量、检验方式等信息;然后通过生成检验任务功能按照质检计划, 将其转化成检验任务, 以便对质量信息进行采集;再通过质量数据采集功能对试样, 按照检验计划, 进行现场数据的采集;最后通过采集结果审核功能审核采集到的数据是否有效, 确认后报出;此外, 还能进行质量数据查询, 对现场采集的质量数据进行实时查询。
(3) 质量判定管理模块负责对采集到的检验结果进行合格或不合格品的判定, 合格的可以编制并打印质保书;不合格的给出相应的返工返修或是报废的处理方式。包括检验结果接收、检验结果判定、判定结果审核、判定结果查询、质保书制作、不合格品处理等功能。
(4) 质量文件管理负责对产品质量全生命周期的相关文件进行管理。包括文件编辑、文件上传、文件发放、文件浏览/下载以及文件作废等功能。
(5) 质量统计分析模块负责统计功能包括统计报表和一些质量控制图, 从中可获取有关产品质量或生产加工过程的状态等信息, 从而发现产品与生产过程的质量问题, 最终达到改进产品的设计质量和加工工艺水平的目的。包括统计数据接收、接收数据查询、质量统计报表制作、质量分析图表制作等功能。
(6) 缺陷产品及零部件批次追溯能够依据有质量问题的产品及零部件批次信息, 对同一批次编号的质量信息进行正向和反向追溯;缺陷零件采购过程信息追溯能够依据缺陷零部件的批次信息, 对采购供应商的批次、质量问题、责任人等进行追溯;缺陷自制件加工过程信息追溯能够对自制的加工件, 可以按批次、工序等条件对加工过程的质量信息进行追溯;缺陷产品装配过程信息追溯能够对缺陷产品在装配过程中发现的质量问题进行追溯。
4 应用成果
本系统凭借详尽的需求分析、规范的业务流程、清晰的功能结构, 赢得多家离散制造企业的青睐, 至今已成功实施了多家企业, 取得了良好的运行效果。
以某电机生产公司为例, 随着市场的发展, 产品的生产由数量增长型向质量安全效益型转变, 面临国内外市场的冲击, 企业意识到要利用计算机技术和信息化手段改善生产管理模式, 提高生产和管理效率。通过实施质量管理系统, 企业不但实现了无纸化管理, 提高了数据查询及决策的效率, 保证了数字信息的准确性、快捷性, 更使得产品的加工生产有据可查, 真正做到产品全生命周期的质量跟踪, 以及对问题产品的溯源问责。有了质量保障, 产品就有了市场竞争力, 同时企业也实现了经济效益和社会价值的双丰收。
5 结语
本文以离散制造型企业为研究对象, 详细分析了行业特点和生产管理流程, 针对质量管理现状提出了问题所在, 并得出建立质量管理系统的必要性。在质量管理系统的设计规划部分, 首先进行系统的需求分析, 然后梳理了质量管理的业务流程, 最后设计出系统的功能结构。实践证明, 系统的实施有助于提高离散制造企业的生产水平和质量管理效率。
参考文献
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离散加工系统 篇5
各学科学生,特别是理工科学生人才培养目标之一是应具有本领域系统特征的知识体系,一个合格的毕业生应能够在系统各个层面上进行抽象和考虑问题。计算机科学与技术专业学生的系统能力[4]包括抽象思维能力、系统分析与设计能力、系统实现能力。
离散数学[2]是研究离散量的结构及其相互关系的数学学科,是信息和计算机专业的一门重要专业基础课,它在信息与计算机科学中有着广泛的应用背景,是集[3]数理逻辑、集合论、关系论、函数论、组合数学、数论、代数结构、图论等领域汇集起来的一门综合学科,它跨越了数学的诸多分支,并与整个计算机科学紧密联系,是学生掌握处理离散结构所必需的描述工具和方法,离散数学是在学生学习了程序设计课程后的一门专业基础课程,它是后续学生学习多门专业课程的重要基础和支撑。
2 离散数学教学存在的问题
经过多年实际教授离散数学课程,我认为离散数学教学存在下列问题:(1)离散数学课程内容、教材内容全部是数学理论,教学一般采用“定义—定理—证明—习题”的教学方法,这门课程一般没有与计算机专业课程相结合的实验课程,学生认为这是一门数学课,无法将这门课程与计算机专业课程相联系,无法将数学理论与具体实际计算机系统相结合,无法建立离散数学课程内容与实际计算机系统之间的关联,学生学习缺乏兴趣。(2)离散数学知识繁杂,涉及数学理论的多个领域。多领域众多的内容并不适合让计算机本科学生全部学习,如何在众多的离散数学内容中精选出适合计算机专业本科生学习的内容,是需要解决的一个问题。
3 解决的方法与对策
如果能将离散数学教学中知识的每个环节和计算机硬件和软件关联起来,使学生初步建立计算机系统体系的层次结构框架,了解计算机系统的相关知识,以培养学生的系统能力为目标,既能提高学生学习离散数学的兴趣,又能为后续计算机专业课程打下坚实的基础。
因此我们首先改革传统的教学方法,在教学中我们不使用学习数学的教学方法,而是为离散数学每一部分的相关知识找到计算机专业领域的实际例子,我们通过离散数学在计算机软硬件方面的实际应用,把计算机专业知识与离散数学知识相对应,通过离散数学的学习,使学生能够将数学理论与具体实际计算机系统相结合,提升学生系统能力,提高学生分析问题解决问题的能力,并提高学生学习离散数学课程的学习兴趣。主要用以下三个方案对离散数学教学进行改革,改革初见成效。
3.1精选教学内容,以够用为主,突出其应用性,突出系统能力培养
数理逻辑[1]是研究推理的形式结构和推理规律的数学学科,数字逻辑的部分理论建立在数理逻辑的布尔代数和时序机的理论基础上。我们在计算机中开关电路的设计可以使用布尔代数和范式的实例,可以让学生在课堂上利用布尔代数设计开关电路,开关电路的接通和断开用二个值的布尔代数来描述,并构造其真值表,求出主析取范式和主合取范式。使得我们的开关电路设计更加直观,也学习了数学理论。
数据库中的数据是按一定的数据模型进行组织的,早期的数据库是层次模型、网络模型,存储数据复杂。关系代数[2]是关系型数据库设计的基础,关系理论使数据存储变为关系模型,关系模型使数据存储的逻辑结构变得简单,数据的独立性强,数据操作简单。
代数结构[1]主要研究典型的抽象代数系统,格与布尔代数是设计计算机硬件设计的工具,在硬件体系结构设计中发挥着重要的作用。编码理论在通讯中发挥着重要的作用,有限域是它的数学基础。格论又是计算机语言的形式语义的理论基础。
数据结构研究数据的线形结构、树形结构和图结构,其中树形结构和图结构以图论作为它的数学基础。线形结构中的线形表、栈、队列是根据数据元素之间关系的不同而建立的对象,它以集合论作为它的数学基础。在计算机鼓轮设计问题中,如果使鼓轮旋转一周,触点输出一组二进制信号,需要使用图论的知识。进程之间的并发关系、网络路由算法要用到通路的知识。因此,本着够用的基本思想,我们在众多离散数学内容中选取数理逻辑、集合论、代数系统、图论作为授课内容。
3.2 改革教学方法和教学手段,引导学生应用所学知识去分析和解决实际问题
首先,在教学方法和教学手段上进行了改革,让学生把离散数学的知识与计算机软、硬件应用相关联,意识到计算机专业学生离散数学课程的价值。例如:图论中集成电路板的布线与平面图结合,最短路径搜索和最小交通费用应用与带权图的最小生成树结合,计算机通讯与根树中求最优树的方法结合,使信息在传输过程中,既能节省二进制位,又能准确无误地传递。集合论部分,工厂的任务调度应用到偏序关系上。数理逻辑中逻辑开关电路的设计应用真值表。在讲解关系代数时,选取教务管理系统里相关表,如学生基本信息和选课信息表,与数据库原理中表之间的运算联系起来,这两个表是相互独立,又有关联的表,那么如何实现两表数据的正确关联,形成一个稳定的数据库信息从而提高检索效率和检索准确性?方法:“笛卡尔积”关联。又如,可以通过C语言实验求解图论中最短路径和最优二叉树。使学生明白计算机专业课中软硬件知识是以离散数学知识为基础,激发学生学习离散数学的兴趣。
其次,在教学模式上:(1)尝试“开课五分钟”,教师在每节课开始五分钟,通过给出问题,提出思考,让学生学会思考,督促学生对前面所讲的内容进行复习。(2)采用“多循环”教学法,在每章讲解时,以一条知识为主线,本章各节课中内容的知识点与这一知识点关联,由前一知识点推出后一知识点。使学生通过表示知识点的图就能够理清每章内容之间的内在联系,使每章知识条理化和系统化。以图的基本概念为例,把各个知识点串起来,如图所示。(3)以课程“大作业”男女生分组强弱搭配法,尝试以强带弱、共同学习提高学生学习能力,以此改变期中、期末以“卷”为主的思路,重学生能力培养、重方法讨论、重实验报告训练、潜移默化地给学生灌输“软件工程”思想,培养学生的计算机系统能力。
3.3 开设实验课程,培养学生对计算机系统的认识
离散数学开设实验课有利用培养学生对计算机系统认识,通过开设实验课程,使学生从数学角度和计算机角度这两种方法来学习离散数学。因此研究离散数学各部分内容与程序设计整合模块的设计项目是重要的研究内容,我们在离散数学教学中开设了如下一些验证性实验。
4 结语
离散数学是计算机专业的一门重要专业基础课程,它与计算机科学技术的相关专业课程密切相关。本文提出基于系统能力培养的离散数学教学改革,从学习离散数学各相关内容入手,找出离散数学内容与计算机相关专业课程之间联系的实例,从计算机系统观出发,既培养学生的抽象思维能力,又培养了学生系统分析与设计能力、系统实现能力[4],实现培养具有良好系统能力的计算机专业人才的目标。
参考文献
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[3]邓秀勤,郝志峰,刘海林.基于创新能力培养的离散数学课程教学改革探索[J].计算机教育,2013(16)62-66.
一种非线性输出延时系统离散方法 篇6
几乎所有的控制系统都存在非线性的特性。这就激发了对于非线性延时系统的控制的研究。一种研究方向是将无延时的非线性系统的技术扩展到非线性延时系统中去[1～2]。大多数由于系统硬件、执行单元或传感器等的限制而产生延时的系统是以连续的形式进行描述的。为了进行数字控制器的设计, 经常需要得到其相应的离散模型。在离散领域中, 对于无延时的连续系统传统的欧拉法已经被用于去得到其离散模型[3]。该方法需要小的采样周期才能获得足够准确的离散模型。但是由于技术限制, 有时候大的采样周期是不可避免的。一种将线性延时系统的离散方法[4]扩展到非线性延时系统的离散方法[5]可以解决大采样周期的问题。
现今, 现代控制方法大都是在数字控制器上执行。因此控制算法必须以离散形式工作。这篇文章提出了一种非线性输出延时系统的离散方法。该方法利用泰勒级数和一阶保持假设, 可以为非线性输出延时连续系统提供一个准确的离散模型。基于该模型, 可以进行数字非线性控制器的设计。
1 一阶保持假设
非线性输出延时系统的离散方法可以基于泰勒级数而获得。非线性输出延时连续系统可以用下式来表示:
其中:D>0是该非线性系统的输出延时时间, x (t) ∈Rn, u (t) ∈R f, g, h是关于x的函数。系统的输出y (t) ∈R是状态参数x在时刻t-D的函数。
考虑在时间轴上相等的时间间隔T=tk+1-tk>0, 其中:
[t k, tk+1) =[k T, (k+1) T) 是采样间隔, T是采样周期。并且假设系统 (1) 是由在每个采样间隔中成线性分布的输入信号来驱动。也就是说一阶保持假设成立。
基于一阶保持假设, 当D=0时, 在时间间隔kT≤t
其中q∈{0, 1, 2, ...}, 0<γ
2 非线性输出延时系统的离散
基于泰勒级数和一阶保持假设, 公式 (1) 表示的非线性输出延时系统可以用下述公式离散:
也可以通过截取一定的泰勒级数的阶数N来获得有限维数的、近似的离散模型, 见下式:
其中x (k) , 是状态参数x在时刻t=tk=k T的值, A[l] (x, u) 可以用下式来计算:
3 仿真
文中提出的离散方法通过将它应用到一个非线性输出延时系统来做仿真进行验证。这就需要参考的结果去验证离散的结果。在仿真中Matlab ODE解算程序被用于获得参考的结果。每一步的离散结果都与该解算程序的结果进行比较。离散算法用Maple软件进行实现。本文使用的仿真系统如下所示。
我们选择的参数分别为:x (0) =0, T=0.05s, D=0.02s;和x (0) =0T=0.05s, D=0.32s。控制信号为u=1.1cos (0.5t) 。这两种情况下的Matlab ODE的解算结果和提出的离散化方法的离散结果分别显示在表1和2中。图1和2分别显示了状态参数和系统输出在这两种情况下的离散结果的误差。从结果可以看出这种离散方法可以为非线性输出延时系统提供足够好的离散结果。
4 结语
这篇文章提出了一种获得有输出时间延时的非线性系统离散模型的新的方法。这种方法基于泰勒级数和一阶保持假设。这种离散方法可以提供一个准确的、有限维数的有输出时间延时的非线性连续系统的离散模型。这就使得可以基于该离散模型进行非线性控制器的设计。通过对一个非线性输出延时连续系统进行仿真所得到的结果验证了该方法的可行性。将该方法扩展到有输入时间延时的非线性连续系统的离散也是可行的, 这将是下一步的研究工作。
参考文献
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离散加工系统 篇7
关键词：货币供给,离散时间系统,稳定性
0 引言
本文选取法定存款准备金率和超额准备金率、中央银行公开市场业务额、再贷款额为货币政策工具 (控制变量) , 以货币供应量为货币政策中介目标。中央银行通过货币政策工具调控基础货币, 在货币乘数的作用下间接调控货币应量。由于广义货币供应量M2可以反映整个社会现实和潜在购买力, 故本文选取M2为货币供应量的衡量指标。另外, 我国经济尚处于转轨时期, 经济金融体制还不够健全, 导致利率变动难以充分发挥作用, 因此本文在选取货币政策中介目标时只考虑货币供应量而不考虑利率。
1 货币供给离散时间系统
设t时刻商业银行的超额准备金、法定存款准备金和流通中的现金数额分别为ERt、LRt、Ct, t时刻法定存款准备金率为rt, t时刻至t+1时刻中央银行公开市场业务额的Pt (买为正, 卖为负) , t时刻至t+1时刻商业银行再贷款数额为Qt, t时刻商业银行超额准备金率为qt, μt为t时刻至t+1时刻中央银行公开市场业务额中向商业银行买卖证券数额占总成交额的比例;为1-μt中央银行公开市场业务额中向公众买卖证券数额占总成交额的比例, Rt为准备金总额, 即Rt=LRt+ERt;Dt为t时刻的存款总额, ct为t时刻的存款现金比率, 即ct=C/D。设mt为货币乘数, 则由货币银行理论有undefined, 其中M2t表示广义货币供应量, 即M2t=Ct+Dt;Bt表示基础货币, 即Bt=Ct+Rt=Ct+LRt+ERt。
由于本期超额准备金是在上期超额准备金基础上增减的, 另外, 同中央银行公开市场业务中向商业银行买卖证券以及向商业银行再贷有关, 因此有:
ERt+1=ERt+μtPt+Qt (1)
关于t+1时刻的法定准备金, 它由两部分组成, 一部分是由于法定准备金率变化引起。t时刻存款总额为Dt, 则LRt=rtDt, 当t+1时刻准备金率变为rt+1时, 法定存款准备金LRt+1变为undefined (假定此时存款尚未发生变化) 。另一部分是由于公开市场业务影响流通中现金从而影响商业银行存款引起。t至t+1时刻中央银行直接向公众买卖证券使流通中现金变化额为 (1-μt) Pt, 按存款现金比率ct计, 则商业银行存款变动额为undefined, 从而t+1时刻法定准备金变动额为undefined, 于是有:
undefined (2)
t+l时刻流通中现金为t时刻流通中现金加上公开市场业务中由现金率计算出的公众用于流通的现金额, 可得:
undefined (3)
又t+1时刻的广义货币供应量为:
undefined
综合 (1) (2) (3) (4) 即可得到描述货币供给的离散时间系统:
Xt+1=f (Xt, Ut) (5)
Mt+1=g (Xt, Ut) (6)
其中XtT= (ERt, LRt, Ct) , UtT= (qt, qt+1, rt, rt+1, Pt, Qt, μt, ct, ct+1) , (5) (6) 分别为状态方程和输出方程, Xt是状态向量, Ut是输入向量。
2 一个简化的模型
我们假定中央银行变动基础货币的渠道是采用中央银行再贷款。设在第t-1期 (时间间隔可以为年、季、月等) , 商业银行吸收的存款金额为D (t-1) , 本期末及以前从中央银行获取的央行贷款、再贴现、公开市场操作净值之和为u (t-1) (下面简称中央银行再贷款) , 在第t期除上交准备金和备付金rt-1D (t-1) 外, 发放贷款余额为L (t) , 其中rt-1为t-1期法定准备金率和超额准备金率的加权和, 即第t-1期的加权准备率, 且0
L (t) =ηt-1 (1-rt-1) D (t-1) +ηt-1u (t-1) (7)
由于商业银行本期存款与上期贷款有关, 从整个银行体系来看, 贷款决定存款, 于是有:
D (t-1) =kt-1L (t-2) (8)
其中kt-1为第t-1期存款余额与第t-2期贷款额之比, 或称t-1期派生存款率, 且kt>0, 将 (8) 代入 (7) 得:
L (t) =ηt-1 (1-rt-1) kt-1L (t-2) +ηt-1u (t-1) (9)
上式为商业银行贷款余额的动态方程。设L (t-2) =x1 (t) , L (t-1) =x2 (t) , L (t) =x3 (t) , 则可以得到离散时间系统:
X (t+1) =A (t) X (t) +Bu (t) (10)
Y (t) =CX (t) (11)
其中C=[0, 0, 1], XT=[x1 (t) , x2 (t) , x3 (t) ]=[L (t-2) , L (t-1) , L (t) ]为系统的状态向量, u (t) 称为系统控制变量, 称为系统的状态矩阵, BT=[0, 0, ηt]。
于是我们得到公众、商业银行、中央银行构成的货币供给系统状态方程 (10) 和输出方程 (11) , 其中系统的输出正是第t期的贷款额L (t) 。考虑货币供给系统动态模型的状态方程 (10) , 其特征多项式为:
f (λ) =λI-A (t) =λ2[λ-ηt (1-rt) kt]
其中I为三阶单位阵, λ为系统特征根。由经济控制论知识可知:离散时间系统渐近稳定的充要条件是系统所有特征根的模小于1。因此, 以公众、商业银行和中央银行构成的货币供给系统在第t期渐进稳定的充要条件是ηt (1-rt) kt<1。其中rt、kt和ηt分别是系统在第t期的加权准备金率、派生存款率及贷款比率, 且0
3 结语
上述分析说明, 当ηt (1-rt) kt<1时, 系统在第t期是渐近稳定的, 此时, 中央银行可以在这个系统中通过控制u (t) 达到对商业银行贷款规模的控制。当ηt (1-rt) kt≥1时, 系统是不稳定的, 此时, 当系统受到外来的干扰时 (如市场利率变动) , 商业银行的贷款规模很难控制到既定规模上, 或者说, 即使通过中央银行的货币政策来控制L (t+1) , 必须付出较大代价。因此, 中央银行在对宏观经济活动进行控制的时候, 首先应根据商业银行的存、贷情况确定出合理的加权准备金率, 保证系统渐近稳定, 然后再利用其他政策对商业银行的贷款规模乃至全社会货币供应总量进行控制。
参考文献
[1]姚长辉.货币银行学[M].北京:北京大学出版社, 2005.
[2]易纲, 吴有昌.货币银行学[M].上海:格致出版社, 1999.
[3]胡庆康.货币银行学[M].上海:复旦大学出版社, 2008.