第二章先進制造系統的基礎理論第一節

先進制造系統的基本構成

第二節 物料流第三節 信息流第四節 先進制造系統的控制方式第五節 約束與決策第六節 面向21世紀的信息化制造1/43第二章先進制造系統的基礎理論第一節 先進制造系統的基本構成第二節 物料流第三節 信息流第四節 先進制造系統的控制方式第五節 約束與決策第六節 面向21世紀的信息化制造2/43一、制造系統基本概念二、制造系統基本構成3/43第一節先進制造系統的基本構成第二章之先進制造系統基礎理論一、制造系統基本概念國際生產工程學會(CIRP)1990年將制造系統定義為：制造系統是制造業中形成制造生產(簡稱生產)的組織形式，而在機電工程產業中的制造系統具有設計、生產、發運和銷售的一體化功能。制造系統作為由人、工具、材料組成的有機整體，存在狹義的制造系統概念和廣義的制造系統概念。狹義的制造系統僅僅研究產品的設計、工藝、加工、裝配等生產過程；而廣義的制造系統除研

究生產過程外，其研究內容還包括市場、經營、銷售、售后服務、成本與財務等，即研究從經營決策開始直到售后服務、報廢回收的產品生產整個生命周期過程。制造系統是制造過程所涉及的硬件(物料、設備、工具、能源等)、軟件(包括制造理論、制造工藝和制造信息等)和人員所組成的一個個具有特定功能的有機整體，將輸入制造資源(原材料、能源等)，通過制造過程輸出產品或半成品，制造系統的運行過程包括市場分析析、產品設計、工藝規劃、制造裝配、檢驗出廠、產品銷售及售后

服務等各個環節4/43第一節先進制造系統的基本構成第二章之先進制造系統基礎理論5/43合的基礎上再對結構進行分析。二、制造系統基本構成制造系統是由眾多的要素和子系統組成的有機整體，因而在子系統與要素之間存在著組織、協調等管理問問題。制造系統是過程系統與結構系統的統一，因此此制造系統理論應該實現過程研究與結構研究的統

一，即制造系統理論應該實現靜態分析與動態分析

的統一。

過程系統是指其產品的生產從設計、工藝、加工、裝配到檢測出廠是一個隨時間變化的序列系統。對于過程系統，一般宜采用分析的方法，在對各環節分析的基礎上進行綜合。

結構系統指制造系統在空間上具有一定的結構形態。對于結構系統，宜于采用綜合的方法，在綜第一節先進制造系統的基本構成第二章之先進制造系統基礎理論第一節先進制造系統的基本構成第二章之先進制造系統基礎理論二、制造系統基本構成制造系統靜態分析是在不考慮時間因素情況下研究制造系統的各組成要素，要素之間的相互關系及子系統與分系統，系統與環境之間的相互關系。以系統論的觀點，任何系統的功能都可以抽象為一個利用系統資源，在滿足系統約束和目標的前提下，將從系統環境中獲得的輸入轉換為輸出的過程。

制造系統根據訂單和市場預測安排的生產計劃，利用制造資源(包括人員、

機床設備、刀量夾輔具、技術、相關的產品數據和計算機軟、硬件等)，在

生產過程中采用相應技術實現產品的生產，以最適當的制造成本，在最適當的時間生產出客戶需要的產品以獲取最大利潤。6/43第一節先進制造系統的基本構成二、制造系統基本構成制造系統整體的性能是與系統各個組成部分之間是緊密相關的。在制造系統運行過程中，無時無刻不伴隨著物料流、信息流和能量流的流動，并且制造系統中的物料流、信息流、能量流之間相互聯系、相互影響，形成一個不可分割的有機整體。

物料流是在整個加工過程中(包括加工準備階段)物料的輸入和輸出的動態過程，這種物料在制造系統中的運動稱為物料流。

制造系統中的信息可分為靜態信息(如工件尺寸、公差大小等)和動態信息(如刀具磨損程度、資源狀態、加工進程等)，信息在制造系統中中的作用過程稱為信息流。所有這些信息不斷地與制造過程的各種狀態進行信息交換，并綜合、分析來自各方面的信息，從而有效地控制制造過程，以保證制造過程的正常進行，提高制造系統的效率和產品質量。

制造過程中的能量運動稱為能量流。在制造系統中，能量是一切物質運動的基礎，其所有運動，例如物料的運動，均需要能量來維持。7/43第二章之先進制造系統基礎理論第二章先進制造系統的基礎理論第一節 先進制造系統的基本構成第二節 物料流第三節 信息流第四節 先進制造系統的控制方式第五節 約束與決策第六節 面向21世紀的信息化制造8/43制造系統中的所有資源構成制造資源，制造資源是制造系統存在和運行的物質基礎。狹義制造資源包括物料(原材料、坯料、半成品等)、設備(機床、生產線等)、能源(電能、燃料等)、其他(

土地、廠房、工具等)；廣義制造資源不僅包括物料、設設備、能源、土地、廠房、工具等，還包括資金、技術、信息、人力等。制造系統中將制造資源轉變為產品或零件的制造過程，實質上是一個物料流動的動態過程。根據制造系統的定義，制造系統是一個輸入制造資源(原材料、能源等)通過制造過程而輸出產品(包括半成品)的輸入輸出系統，它同時產生廢棄物，并可能9造/43

成第二節物料流第二章之先進制造系統基礎理論流物消，，制造系統的物料流動過程不僅是物料資源轉化和消耗的主要過程而且因為物料的流動和物料的加工制造均需要能量來驅動或轉化因為物料流動過程也是能量消耗的主要過程。第二節物料流第二章之先進制造系統基礎理論10/43

制造系統是一個不斷輸入制造資源，通過制造過程而輸出產品，并同時產生廢棄物的輸入輸出系統。

制造系統中資源的輸入、消耗、轉化、回收、處理及這些過程的影響和控制，形成了制造系統的物料流。

制造系統物料流應以資源利用率最高和廢棄物產生最小小作為目標，充分考慮優化產品生產周期過程中影響資源消耗的各個環節。包括產品壽命終結后的處理，從而優化資源流動過程，最有效地利用資源和最低限度地產生廢棄物。

制造過程是資源直接轉化和資源直接消耗的主要環節，生產同樣的產品，不同的制造加工的設備、工藝方案和不同的工藝路線，將會使得物料和能源的消耗不第二節物料流第二章之先進制造系統基礎理論11/43第二章先進制造系統的基礎理論第一節 先進制造系統的基本構成第二節 物料流第三節 信息流第四節 先進制造系統的控制方式第五節 約束與決策第六節 面向21世紀的信息化制造12/43傳統企業的信息流，大多是按照企業的業務流程、組織機構、功能目標等框架體系進行設計，流程設計思路雷同，數據處理比較簡單，缺乏針對不同企業、不同業務流程的個性化設計和深層次分析。現代企業的信息流不能只滿足于對現有數據的簡單的的、常規的處理和分析，應更積極主動地思考生產管理中的重要問題，對數據進行進一步的挖掘和多角度的分析，從而賦予企業更靈敏的反應能力、更積極主動的調整能力和更強有力的競爭能力。13/43第三節信息流第二章之先進制造系統基礎理論

傳統制造系統的信息流，大多是按照其業務流程、組織機構、功能目標等框架體系進行設計，導致系統在關鍵時刻卻找不到所需的信息或錯誤信息。

先進制造系統的信息流不僅能滿足對簡單、常規信息的處理與分析，而且能夠通過對數據的全面管理和挖掘，使制造系統具有更高的柔性、敏捷性和競爭力。

通過網絡系統和分布式數據庫系統規劃、調度和監視整個制造系統中的信息流，從而能夠以正確的方式、

在正確的時間、向正確的信息流節點傳輸所需的正確信信息，并支持分布式制造環境下信息和人員的分布性

以及信息流動過程的時序性。

制造系統中，管理信息分系統MIS、制造自動化分系第三節信息流第二章之先進制造系統基礎理論14/43第三節信息流第二章之先進制造系統基礎理論15/43第三節信息流第二章之先進制造系統基礎理論16/43第三節信息流第二章之先進制造系統基礎理論17/43第二章先進制造系統的基礎理論第一節先進制造系統的基本構成第二節物料流第三節信息流第四節先進制造系統的控制方式第五節約束與決策第六節面向21世紀的信息化制造18/43第四節先進制造系統的控制方式19/43第二章之先進制造系統基礎理論為了便于對控制系統進行研究，人們把一個

復雜的控制系統分為若干組成部分(控制單元)，控制結構描述了控制系統中各控制單元的

決策職責和權限及各控制單元之間的協調關系系。控制系統的職責分配在相應控制結構的

各控制單元之中，并通過各控制單元協調執

行。一、制造系統對控制結構的要求二、集中式控制結構三、遞階式控制結構四、分布式控制結構20/43第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論一、制造系統對控制結構的要求(1)可靠性／容錯能力。可靠性是對系統按照規定指標無故障連續運行性能的度量，而容錯能力是指系統在狀狀態惡化，甚至發生故障條件下繼續運行的能力。通常，容錯期由四個階段組成：故障原因檢測、損壞范圍確定和程度評定、故障原因處理、故障恢復和繼繼續系統服務。可更改性／可擴展性。可更改性是指對已存控制系統的部分控制單元進行更改和調整的可行性，而可擴展性是指擴展已存控制系統的功能時，將新控制單元元加入系統的可行性。可重構性／適應性。可重構性是指在已存的控制系統中增加或拆除部分控制單元并重構成新系統的可行21性/43第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論二、集中式控制結構集中式控制結構的特點是對整個制造系統中的信息統一處理，擁擁有一個全局數據庫以記錄系統各種工程活動，每一制造實體都都和中央處理單元連接。其主要特征如下：(1)集中控制單元由一臺強功能計算機構成。

(2)所有控制決策功能由集中控制單元承擔。

(3)全局數據庫記錄系統的全部活動。其主要優點如下：

(1)全局信息可共享。

(2)可全局優化。(3)唯一的系統狀態信息源。其主要缺點如下：響應速度慢且不一致。控制任務的完成依賴于唯一的集中控制單元。

(3)控制軟件難以更改。22/43第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論三、遞階式控制結構遞階式控制結構：組織方式和控制結構是一種從上到下逐步細化的方式。遞階式控制制結構雖然增加了信息傳遞的環節，但降低了控制難度。其主要特點：異型多計算機構成控制系統。決策層之間維持剛性的上下級關系。

(3)上級協調下級的所有活動。每一層都有集中的數據庫。其主要優點如下：

(1)可逐步實現。(2)可以用冗余的計算機資源來增強系統的容錯能力。

(3)可利用狀態反饋信息。(4)簡化各控制模塊自身的規模、功能和復雜性。其主要缺點如下：上層故障會造成下層控制的整體癱瘓。設備布置的改變會影響到整個控制系統，因而使增加或刪除設備變得非常困難，難以滿足未來修改的需要。由于通信延遲使上層決策往往滯后于下層狀態的變化，甚至基于對下層信息的估估計上，會造成控制失誤，難以滿足動態適應性要求。局部控制器的計算能力有限。·通信可靠性隨遞階層次增多而降低。23/43標策第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論四、分布式控制結構分布式控制：把制造系統的各種功能模塊看成是一個個自治的實體，實體間以一定的協議相互協商解決問題。1．非等級控制非等級控制策略主要包括排隊策略、任務投策略、協商策略、協作策略等。排隊策略。在排隊策略中，當一項新任務進入系統時，系統按照預先約定的原則把把它分配到一個單元，這種原則可以是最短排隊長度原則或最先可用單元原則。任務投標策略。當一項新任務進入投標系統時，各單元把任務的處理要求及規范與與自己的能力進行比較，有能力完成該任務的單元參加投標。按照預先約定的判據，投標值最高或最低的單元將獲得該項任務。協商策略。當一項新任務進入協商系統時，有能力完成該項任務的單元與另一試圖承擔該項任務的單元協商。每一個單元內均包含本單元的所有信息，包括本單元能加工工的零件族、可用的排隊場地等。每一單元僅試圖獲得自己能完成的任務，它將總是試

圖按照自己的能力和當前的負荷狀況，估計自己完成該任務的效率來獲得這項任務。協作策略。協作策略形式上與協商相似，但原理上與協商不同。在協商方式中，各單元為獲得任務而競爭；而在協作方式中，各單元為系統任務更好址分配而協作。協作作策略可采取許多形式，包括資源共享和任務交換。24/43第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論四、分布式控制結構1．非等級控制其主要特征如下：(1)同型或異型計算機構成控制系統。

(2)控制單元之間無上下級關系。完整的局部自治。面向活動協調的分布式決策。

(5)只有局部數據庫。其主要優點如下：降低整個系統的復雜性。降低監視的投資和監視過程對實時控制的延遲。由于采用模塊化和可重構的結構，使得維護和更改更容易。

(4)容錯能力強。真正的權力下放使得工作人員責任感增強。其主要缺點如下：(1)缺乏對一些問題的解決方法，如單元間任務分配不平衡、單元內設備任務分分配欠優化等。(2)目前還沒有支持全部功能的硬件和軟件。

(3)存在數據重復和數據沖突的趨勢。(4)存在死鎖的可能性。25/43第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論四、分布式控制結構混雜控制結構常見的混雜控制結構兼有遞階控制和非等級控制的特點，層

與層之間為上上下級關系，同一層 各控制單元為平等關系，由于各控制單元間的關系較為復雜，不像遞階控制或非等級控制中。各控制單元之間具有一致的上下級或平等關系，在實現時需要對各控制單元之間的關系進行仔細地設計。常見的混雜控制結構如下。改進型遞階控制結構。它強調了各平級子層之間的直接通信和協調關系，如圖2-9所示。26/43第四節先進制造系統的控制方式第二章之先進制造系統基礎理論四、分布式控制結構半非等級控制結構。它由若干改進型遞階控制結

構組成，其各頂層之間形成成平等的通信和協調關系，如圖2-10所示。寡頭控制結構。它是各控制單元之間關系最為復

雜的一種結構，它要求包括括頂層在內的各控制層內

保持平等的直接通信和協

調關系，同時還要求各上

層與每一下層保持明確的上上下級關系，如圖2-11所示。27/43第二章先進制造系統的基礎理論第一節先進制造系統的基本構成第二節物料流第三節信息流第四節先進制造系統的控制方式第五節約束與決策第六節面向21世紀的信息化制造28/43－－信息時代對決策支持系統水平的要求也大為提高，從原先的一般數據采集與處理為基礎的支持結構化問題的一般戰術決策，發展到以信息融合、知識

處理為基礎的支持非結構化問題的戰略決策。目前提出的各種新的制造與管理模式是從不同學科、不同角度，解決提高企業的敏捷性。－－例如，先進制造系統的自組織的過程實質上是使企業產品同市場的需求協同，制造系統、經營過程、企業組織同新產品設計、加工與經營需求相協同。自組織被定義為一個系統不依靠任何外來的干預，而獲得的一種空間、時間間或功能(時—空)的結構。自組織并不等于人們對這類復雜系統無法施加影響。它是決策者、設計師參與下的自組織過程，這里“參與”，不等于傳統的“干

干預”，參與是一種宏觀高層次上的控制，是通過制定規則與約束的手段實現

控制，“干預”是在某一層次上具體的控制。－－協同論是一門研究存在于復雜自然界自組織基理的學科，其價值主要有：

支配原理與序參數。其中支配原理揭示復雜系統，從無序到有序的過程中，上一一層是如何支配下一層的，而序參數是系統中的少數參數，它們處于上層、變化緩慢、控制著宏觀系統的變化，使系統從無序到新的有序。利用支配原理與序參數就可以對系統變量眾多、具有非線性、正反饋的復雜系統進行科學有有效的簡化，進而進行有效的控制。29/43第五節約束與決策第二章之先進制造系統基礎理論－－決策過程是滿足必要的約束條件下的一種復雜的尋優求解過程。決策問

題的復雜性取決于決策過程所處的環境，任何決策都由三個要素組成：機遇、信息與資源。成功的決策必須滿足兩類規律的約束：客觀規律和人們的利益(價值規律)。－－機遇是決策者所向往與追求的目的，機遇具有風險與效益，它們是同時并存的，是一個事物的兩個屬性，克服風險獲取效益是決策者的中心任務；而信息(包括知識)是克服風險的唯一資源；資源(物質與能量)是實現任何決策所必須的物質基礎。－－以往簡單的“拍腦袋”決策，對決策問題考慮得不夠周到與深刻，用科

學的系統論和決策論的語言說，即決策空間考慮得不夠大，因而丟掉了機遇。因此，決策者及決策支持系統的任務是協調信息、機遇與資源這三大要素間

的沖突。－－在各類制造系統的設計、運行和管理中，會涉及各種復雜的決策問題。

決策者根據對實際環境的分析，構思一組解決問題的方案。每一方案均會產生生一個結果，決策者在評價結果時一般是多個目標的，鑒于環境、資源及安全性的問題日益突出，應由成本C、時間T(生產率)、質量Q、柔性F、服務

S和環境E六大制造決策屬性組成決策目標，決策取決于決策者的偏好與價值觀。30/43第五節約束與決策第二章之先進制造系統基礎理論－－在制造系統的綜合決策模型中，決策目標應充分體現制造系統的基本

使命和經營目標。因此需要建立一個適用于各類制造系統的綜合決策模型，將不同的目標映射到表達決策者愿望的價值空間上，并在模型中反映制造

系統主要決策目標，以更好地支持決策分析活動，這對提高制造系統的整

體綜合效益具有重要意義。例如，美國學者提出了制造系統“四面體決策框架模型”，該模型將成本、時間(生產率)、質量和柔性四大制造決策屬性作為制造系統決策的目標函數，提出了制造系統和制造過程的各類決策變量，可通過技術經濟模型映射成為制造決策屬性的組成元素的設想。31/43第五節約束與決策第二章之先進制造系統基礎理論第二章先進制造系統的基礎理論第一節 先進制造系統的基本構成第二節 物料流第三節 信息流第四節 先進制造系統的控制方式第五節 約束與決策第六節 面向21世紀的信息化制造32/43一、概述二、信息化制造的特點三、分布式信息化制造邏輯體系結構四、集中分布式模式下的企業新式產品開發技術體系五、集中分布式模式下的企業新式商務運作模式六、信息化制造的關鍵技術33/43第六節面向21世紀的信息化制造第二章之先進制造系統基礎理論第六節面向21世紀的信息化制造第二章之先進制造系統基礎理論一、概述21世紀制造業的特點及其面臨的挑戰，使新得一：代制造業將是：從產品本身的角度看，批量化生產正被基于客戶定制的多品種、單件小批量制造所替代。從產品實現的角度看，支持產品整個生命周期的數字化模型將起關鍵性作用。從制造產品所涉及到的設備看，數字化的可再配置敏捷設備、單元、車間等將構成新一代的制造硬硬件環境。從制造產品所需的企業管理與組織結構方面看，具備全球化、并行化與敏捷化特征的企業集成技術34/43第六節面向21世紀的信息化制造第二章之先進制造系統基礎理論一、概述我國國家自然科學基金委員會也對21世紀的制造系統理論及生產模式進行了探討，提出21世紀的制造科學研究報告，并概括出21世紀制造科學研究內容如下：(1)制造系統理論與信息化制造。

(2)微系統中尺度效應及制造技術。材料和零件制造過程中的擬實仿真，優化和加工新技術基礎。機械仿生與生物制造。流程制造的特性研究與綠色制造。35/4336/43第六節面向21世紀的信息化制造第二章之先進制造系統基礎理論二、信息化制造的特點信息化制造涉及制造技術的方方面面，從硬件到軟軟件、從技術到管理、從企業到全社會的組織與個個人、從局部資源到全球資源等等。其顯著特點

有：(1)基于Internet／Intranet的網絡化。

(2)產品設計、制造進程中的全程數字化。

(3)制造設備的信息化、智能化、柔性化。

(4)制造組織的全球化、敏捷化。(5)制造資源的分布性、共享性。

(6)制造過程的并行化、協同