1.3　制造控制系統研究綜述

在當今復雜的動態制造環境中，傳統的基于勞動分工原則的靜態遞階控制結構已經越來越無法滿足制造企業的需求，因此，研究制造系統新的控制方式和組織模式愈發重要。為了滿足新形勢下制造系統的控制要求，新的控制系統更強調快速的響應性和系統運行的柔性，采用扁平的控制結構，通過將控制決策權力轉移下放，根據制造過程的實際需求動態地組織制造單元，并利用物流供應鏈將制造企業協調組織起來，通過協調配合贏得市場。

1.3.1　制造控制系統的主要研究內容

如圖1.4所示，在制造系統內部除了市場銷售和研究開發及工程設計等非制造性活動，主要都是根據市場需求發布生產任務的，對制造系統底層的各種不同功能的制造資源進行管理和協調調度的生產規劃與控制（Production Planning and Control，PPC）活動，結合圖1.2不難看出，制造系統控制活動主要包括三個層次的問題：（1）戰略層，在市場銷售結果的基礎上預測企業的發展方向及需要研究開發的主要產品，并根據制造企業的實際生產能力進行相關規劃；（2）戰術層，通過對實際訂單進行處理，分解制訂總的生產任務計劃及相應的原材料采購、產品成本會計及庫存控制等計劃；（3）執行層，根據戰術層分解的任務和安排的計劃，具體對各種底層的制造資源（加工機床、操作人員及物流設備等）進行管理、安排和控制協調。

從控制系統角度分析，圖1.5中，與制造有關的功能和動作可以分為與制造資源及任務分配協調相關的非技術性（Logistic）活動和其他與加工制造過程直接關聯的技術性（Technological）活動，以及兩個在垂直方向上相互獨立的制造系統信息流。為了更加準確、清晰地表述制造系統控制協調過程中的相關術語的具體含義，現對有關概念進行如下說明。

（1）制造控制：是指在企業將原材料加工成產品的制造過程中的所有協調控制活動。主要是在滿足制造系統中各種約束的前提下對制造系統的某些性能進行優化操作與控制，加工任務與資源的協調分配、加工路徑的優化選擇、生產任務的規劃與調度等。

（2）制造控制系統結構：指制造系統的控制體系及其結構。主要是描述制造系統的各種控制決策功能是如何分解細化并被分配到各個基層控制實體中去的，并對其控制數據信息交互的接口進行定義，規范其控制動作和信息交互的模式及其具體的協調機制。在控制系統中，其決策性能的好壞往往是由決策職責分解的合理性及控制實體之間協調的效率性的優劣直接決定的，因此，合理的控制結構對于制造系統運行的可靠性和高效性具有至關重要的作用。

（3）生產活動控制（Production Activity Control，PAC）：主要是指在制造系統底層直接進行相應制造活動的運行層所進行的協調控制，從接受上層控制系統的制造任務到完成這些加工任務所需要的規劃、執行、監控和資源分配功能，包括針對加工任務的工藝規劃、動態的車間調度、及時的數據采集和數控程序代碼的實時下載等活動。PAC系統主要通過詳細的生產工藝或路線的規劃、制造加工過程的執行及對物料流動過程的監控，利用制造中的各種過程狀態信息和生產加工中的各種加工狀態信息，實現車間生產過程中內部物料流與控制數據信息流的協調控制和有機集成。

（4）系統擾動：在制造系統運行過程中，往往會遇到很多來自制造系統內外部環境的各種不確定的動態隨機事件或變化，如設備故障、緊急訂單、加工人員缺崗和工藝路線變更等，這會給制造系統的運行性能帶來各種直接或間接的影響，這也使制造控制系統的動態調度和敏捷的協調控制成為系統穩定運行的關鍵。

（5）制造調度：是指為了滿足制造系統運行的相關性能要求，在滿足制造加工過程中的各種約束條件前提下，為生產任務進行制造資源優化分配的決策過程。當前，很多現代化車間擁有自動化程度不同、柔性程度也不相同的制造設備，如CNC機床、加工中心等，車間的加工柔性程度很高；但由于缺乏合理的生產管理和調度控制手段，制造車間往往無法充分利用其擁有的制造資源。例如，我國是制造業大國，擁有接近300萬臺加工機床，但相比于擁有不到80萬臺機床的日本，我國所能實現的制造能力僅為日本的1/10左右。因此，合理高效的調度方法和智能的優化算法是現代制造系統的技術基礎和關鍵。

（6）資源分配：與制造調度的概念緊密相關，它是指制造控制決策系統根據制造資源不同加工能力和不同工藝性約束，決定由具體的某個制造資源在何時負責加工制造某個生產任務或操作。與制造調度強調優化不同，制造資源分配更多的是強調對資源加工能力和工藝性這兩種約束的滿足。

（7）制造系統的實時控制：在復雜多變的動態制造環境中，制造控制系統需要快速地響應各種不確定性事件，并正確執行生產操作，其實質是一個考慮制造系統實時狀態并采用FCFS（First Come First Serve）或SPT（Shortest Processing Time）原則的調度執行過程（Schedule Executing）。

1.3.2　制造控制系統結構研究綜述

隨著科學技術的發展，制造過程已經從17世紀的手工制作發展成由諸多元素（如人員、機器、物料和計算機控制等）配合作用的復雜制造過程，其規模也由簡單的小規模系統演變成了大規模復雜系統。日益激烈的全球化市場競爭迫使企業必須縮短產品的交貨期、提高質量、控制生產成本和增強制造系統的柔性，它們也都已成為制造控制系統迅猛發展的內在驅動力，而這得益于網絡通信技術、數據庫管理技術、分布式計算及人工智能技術的迅猛發展。近幾十年來，制造控制系統的結構主要經歷了集中式控制、遞階式控制、分布式控制和混合式控制四種體系結構形式的變遷，如圖1.6所示。從控制結構的發展趨勢可以看出，隨著系統規模的變大和復雜程度的增加，控制體系結構從集中式逐趨向扁平化，各個控制實體的自治能力逐漸變強，相互之間的主從關系趨弱，更多地傾向于協同工作。另外，控制系統的優化目標也從最終的全局優化趨向局部優化，試圖通過對控制基元實體的自治性、智能性的加強，以及合理的分布與協調各個局部控制基元的決策職責，來實現開放、靈活和具有自組織特性的制造系統控制體系。

1. 集中式控制

在早期制造系統控制結構中，由于其控制功能需求相對單一，且控制邏輯相對固定，因此，通常采用一個中央總控制器對整個制造系統進行操作控制，其優勢在于控制結構固定，系統性能穩定，全局優化性能較好，還可以滿足一定的實時性要求。但是，集中式控制的缺點也很明顯，一旦中央電腦出現故障，則會引起整個控制系統癱瘓，從而影響制造系統的總體性能，即控制系統的可靠性和容錯性差。另外，由于系統的控制邏輯隱含在全局數據結構中，并通過固定的程序實現，如果生產設備發生改變進而導致制造單元發生變化，則集中式控制也很難被改動以適應變化，即系統的可擴展性和可修改性較差。因此，隨著技術的發展，這種控制結構已經很少使用了。

2. 遞階式控制

為了實現對復雜制造系統的控制，克服集中式控制的缺點，進一步提高制造控制系統的柔性，人們提出了遞階式控制結構。遞階式控制結構是在制造系統中采用由上到下分層式的金字塔狀控制結構，每個控制層面包含幾個具有自己特定功能和目標的控制實體，以便起到承上啟下的控制協調作用，使控制指令可以由上而下地得到執行，同時又可以實現上層控制器對下層活動的實時監控功能。遞階式控制結構由于采用的是分層控制模式，一方面，通過分層降低了系統的復雜性，從而簡化了單個控制模塊的功能和大小，使得系統的自適應性控制成為可能；另一方面，因為控制基元采用模塊化設計思想，提高了控制軟件的可重用性，進而增強了整個系統的制造柔性。但由于過于側重上下層控制實體之間的主從關系，使系統層次變多，尤其當制造系統規模非常龐大和復雜的時候，其反應速度比較慢，系統的容錯性和可維護性等性能下降，不太適合控制經常發生變化的制造系統。

3. 分布式控制

近年來，愈發復雜的動態性的制造環境對制造控制系統的自適應性和快速響應性提出了更高的要求，而隨著分布式計算、計算機網絡技術和人工智能等相關技術的發展，促使人們對分布式控制結構進行了深入研究。分布式控制結構更多地強調了一種局部自治決策與全局協同決策的理念，通過某種控制協調機制，來實現分布在整個系統中的各個地位平等且具有局部自治性的控制實體之間的相互協作，從而賦予系統容錯性、自適應性、可重構性和敏捷性等特性。在并行工程、精益生產和敏捷制造等先進制造模式中，均不同程度地體現出了分布式控制的思想。例如，并行工程要求產品開發人員在剛開始設計產品時就必須全面地考慮產品從概念設計到報廢處理的所有需要考慮的因素，其采用的組織方式就是扁平式的分布式控制結構，然后將不同的專家人員組成各個研發小組，賦予各個小組很高的責任和權力，各組之間通過相互協商，解決產品開發過程中的問題。而精益生產則更多的是利用先進的信息技術將原有的樹狀管理結構進行扁平化壓縮，充分發揮項目組的自治作用，簡化開發流程，盡量降低產品成本，可以將非核心技術交予協作廠進行研發生產，通過在各協作廠之間進行協商來解決產品生產問題。敏捷制造則是將制造資源之間合作的概念由單個企業內部推廣到多個企業，在充分利用Internet技術的基礎上，圍繞某種核心產品，將多個企業組成“動態聯盟”或“虛擬企業”的形式，共同進行生產，共同獲利。其實質就是根據市場競爭的需求，按照協同自組織原理，將原本分散、混亂，但又各具優勢的多家制造企業通過相互之間的高效協作組合成有序度高的虛擬企業，以便提高企業的整體制造能力和綜合市場競爭力。盡管如此，當制造系統規模變大、任務變復雜時，受制于信息通信技術的發展，因分布所帶來的各個控制實體間的巨量信息量問題及過于強調自治所帶來的局部優化與全局目標之間的沖突問題，目前尚未得到很好的解決，從而影響了分布式控制的進一步推廣應用。

4. 混合式控制

合理的控制結構應該是一種遞階與分布式控制的結合體，總體上采用傳統的遞階式分層控制模式，每一層控制實體通過相互協商來實現分布式控制功能，各個層面的控制實體之間的協調則由上層控制實體進行調控。在整個混合式控制結構中，上層對下層的控制作用僅是一種協調監督作用，層與層之間變現為一種松散的連接。這樣的控制結構一方面可以保證傳統的由下而上的信息反饋和由上而下的控制輸出；另一方面，也可以保證各個層面中的控制實體具有適當的智能性，通過在同一層中的交互協商，體現出控制系統的局部自治特性。

1.3.3　制造控制系統結構的比較與分析

從制造控制系統結構設計和控制技術發展的角度來看，當今復雜多變的動態制造環境對制造系統提出的動態自適應性和自組織性問題，也正是制造控制系統多年來所面臨的問題。作為制造控制系統中的一項重要的使能技術，控制結構及理論的研究對現代制造系統來說尤為重要。

通過上述分析可以看出，現代制造系統的規模變得日益龐大和復雜，其協調控制難度也愈發困難。為了處理控制系統的復雜性和適應性，人們將最初的集中控制結構逐漸往扁平化的分布控制結構發展，更多地強調了控制系統功能的模塊化、智能化與分布化。在穩定的運行環境或者有限變化的制造環境中，傳統的遞階控制系統具備良好的控制性能，但當系統遇到各種不確定的偶發事件時，其剛性的系統結構將無法滿足系統實時響應、快速重構的要求。而分布式控制由于控制實體具有較強的智能性和自治特性，在系統遇到各種偶發事件時會表現出快速的響應性和良好的可靠性，但由于缺乏集中式優化的全局統籌決策，其全局優化目標和系統局部行為之間難以協調控制，因此，其系統的穩定性和可預測性較差。而混合型控制系統結合了分布式控制與遞階式控制的優點，具有較大的發展空間，可以根據結構中分布與遞階程度的不同，組成多種結構形式，大大增加了制造控制系統體系的靈活性。

但是，如何在遞階系統和分布系統中取得某種合理的折中方案，如何建立一種既可以在復雜的不確定性的制造環境中實現整體優化，又具有可靠的局部自治和快速響應能力的制造系統控制模型，是擺在專家學者面前的一道難題。而在對智能控制技術的研究過程中，人們已經發現，對自然界生命體的模仿往往可以給智能技術的發展帶來很大的啟發。本書將沿用這種思路對制造控制系統和人體生理調控系統進行對比研究，借鑒神經-內分泌系統的調控規律及其控制結構，探索更加合理、高效的制造系統的類生物化控制結構和協調機制，并將其應用到本書搭建的類生物化制造系統仿真平臺中。