基于Matlab 统一环境的生产线混杂系统建模与分析

黄雪梅

(哈尔滨工程大学 工程训练中心教育创新基地，哈尔滨 150001)

0 引言

生产线制造过程是包含连续与离散控制的典型混杂制造过程，不同层次的生产线制造过程表现出各自的动态行为特征。在生产线的顶层，生产任务的分解、调度、分配，生产线性能的分析，包括瓶颈工位、节拍控制、产量预测等，属于典型的离散事件动态行为。在生产单元层次，围绕其中的核心加工设备，表现出任务的执行、等待、阻塞、设备的故障、维修等不同的加工状态。而在底层设备控制器层次，则为针对具体工作任务的连续生产与控制过程。生产线不同层次的生产过程在生产线运行过程中相互作用与协同，体现出大量离散、逻辑决策、连续等的综合混杂动态行为机制。

混杂系统理论已应用于制造系统混杂动态行为机制的研究［1］，研究主要集中在建模、分析、控制与优化等诸方面。在建模方面，有自动机模型、层次结构模型、混杂Petri 网、切换系统及混合逻辑动态等。而在软件分析方面，由于整体混杂过程的复杂性，生产线的连续与离散制造过程是单独进行研究。针对生产线离散制造过程，主要应用离散过程理论及相应软件，如Plant Simulation［2］、ARENA［3］等围绕生产线性能分析研究。对于底层控制器的连续制造过程，基本应用ODE 微分代数方程进行控制过程描述，在应用相应的控制算法与软件工具，如MATLAB、VC++等解决方案。能够融合生产线离散与连续控制过程的统一环境目前较少，而是应用多种软件组合进行，如文献［4］应用ARENA 和STATEFLOW 和SIMULINK 来分析混杂制造过程，而文献［5］采用ARENA 和LABVIEW 组合来各自分析制造系统的离散与连续过程。

本文提出基于MATLAB 统一环境构建描述生产线混杂动态行为机制的工作环境，采用层次结构建模方法，应用SIMEVENTS 描述生产线顶层的离散事件行为，以STATEFLOW 为核心构建生产单元模型，作为沟通上层离散行为与底层控制器连续过程的桥梁，而由SIMULINK 来描述底层控制器的连续控制过程。所形成的基于MATLAB 的统一生产线信息与事件集成环境，可作为生产线混杂动态行为的建模、仿真与分析工具，同时也是进一步研究生产线控制系统动态重构、智能控制与协调的平台与环境。

1 生产线层次结构混杂动态行为模型与控制机理

1.1 生产线混杂生产过程层次化建模

融合离散行为与连续动态过程的混杂控制过程一般根据系统的运行机制可划分为两种情况。一是系统以离散行为过程的变化为主导，连续动态过程根据离散过程的变化采取相应的变化。另一种则是连续动态过程是系统行为变化的核心，离散过程夹杂与连续过程，导致产生离散过程的因素在连续过程进行中触发离散过程，使连续过程产生与具体动态参数为改变的过程。具体到生产线混杂动态行为机制，则属于第一种以离散事件为主导的混杂过程，底层设备控制器的连续动态行为主要根据生产线层次的离散行为机制而改变。即生产线所加工零件族所形成的加工任务的分解、分配、调度产生的各种生产线离散事件形成混杂系统动态行为机制的核心，而下层的生产单元状态转换、底层设备控制器的连续动态过程跟随离散事件产生相应变化。因此系统采取层次结构建模方法，首先构建以SIMEVENTS 为主导的生产线层次离散过程机理描述与离散动态过程，以STATEFLOW 为核心构建生产单元模型，作为沟通上层离散行为与底层控制器连续过程的桥梁，而由SIMULINK 来描述底层控制器的连续控制过程。通过SIMEVENTS 与SIMULINK 及STATEFLOW 接口的方式形成生产线综合动态混杂过程。

1.2 生产线混杂生产过程总体结构

生产线主要有以下四核心部分组成。即生产中心、自动化仓库与供料单元、工作单元子系统及传送线组成。系统中的离散事件流为生产线所加工零件形成的加工任务实体，根据零件的制造工艺进行任务分解、调度，在不同的工作单元进行加工直至完成，具体结构见图1。各部分主要功能如下:

图1 生产线混杂生产过程总体结构

(1)生产中心

①规划与调度生产任务

②联系工作单元子系统，分配各单元具体任务

③规划任务工作路径，并具体实现

(2)工作单元子系统

①规划与调度本单元内工作任务

②与系统层离散事件通讯，完成自身状态转换

③联系本单元底层设备控制器的连续动态过程

(3)运输线

①分别与系统层与具体通讯单元通讯，完成物料运送任务

②联系本单元底层设备控制器的连续动态过程

(4)自动化仓库与供料单元

①物料存储，生成以工作任务为核心的离散事件

②与系统层生产中心通信，传递所生产的加工任务信息

2 生产线混杂制造过程的实现

2.1 生产线零件族变异产品生成及加工路径规划

该部分主要在供料单元完成。在系统的离散事件运行部分中，贯穿系统的离散流动实体为根据生产线加工各零件族涵盖的变异产品的生产工艺所形成的具体加工任务，各具体加工任务被分配到各生产线工作单元。在本系统中，零件族的各变异产品及其加工路径规划，即各产品的各具体加工工作单元及加工顺序是通过赋予实体(ENTITY)的属性值(ATTRIBUTES)来实现。具体见图2。

图2 变异产品生成及其加工路径规划

其中相关的属性值为JobClass:规定各变异产品的种类，JobID 规定各变异产品的ID 识别号，ServiceProcess 为各变异产品在生产线各加工单元的加工路径规划，ServiceTime 为各变异产品在生产线各加工单元的加工时间。

2.2 加工任务的调度与实现

主要在生产中心子模块完成，由生产中心与各生产单元子系统交互，形成加工任务实体根据所规定的加工路径，实现其在各工作单元之间的具有离散事件特征的实体流动过程。在系统中具体通过嵌入式Matlab 函数EMF(Embedded Matlab Function)来描述调度过程，在图3 中对应为Update Current Route and Time 模块。

图3 生产中心子系统实现加工任务的分配与调度

2.3 生产线生产单元子系统模型

(1)基于Stateflow 的工作单元状态描述

以加工设备为主干组成的生产线加工单元在生产线运行过程中具有加工、等待、阻塞、故障、维修、启动等不同状态。其中根据生产单元缓存区的零件数量可以描述工作单元加工、等待、阻塞等状态。而故障、维修、启动等状态则需要启用另外的设备故障事件流来描述(见图4)。在图4 中，基于Stateflow 的状态机Ws1 Fault State 描述设备故障，根据此故障状态机由可直接控制设备的使用状态。

图4 生产单元的故障状态生成与描述

(2)生产设备控制器的连续动态过程描述

将Simulink、Stateflow 和SimEvents 所建模型进行融合［7］，引入由Simulink 描述的连续制造过程至本文的混杂系统，具体见图5 中的WS1 Controller continuous dynamic 模块。采用常用的PID 控制来描述设备控制器，该设备控制器模块可根据设备的具体情况采用其它的控制方法。同时由Simulink 描述的连续制造过程可融合底层加工过程包含的各自具体参数与制造信息，通过与生产线上层离散制造信息进行交互与协同，形成生产线综合动态生产过程。

3 实例

本文采用的实例系统为固高公司的柔性制造系统FMS。生产中心为研祥工控机IPC，PLC +交流变频控制的混合运送线用于物料运送，采用PC +运动控制卡控制的自动化立体仓库和堆垛机，实例系统为验证本文研究的生产线混杂动态过程，目前设置三个生产加工单元，即内雕机+二自由度机械臂的内雕工作单元(工作单元1)，三自由度外雕机组成的外雕单元(工作单元2)和XY 工作平台组成的数控加工单元(工作单元3)。工作单元中的生产设备控制系统采用PC+固高GT-400-SV 运动控制卡的基于PC 控制系统，整条生产线由Profibus-DP 连接，实行基于现场总线的网络化控制。实例采用三种变异产品的加工，在各工作单元的加工顺序与加工时间参见表1，构建了实例生产线的混杂生产过程分析系统。通过Matlab 提供的数据统计能力，能清晰说明该生产系统各层次的动态运行过程。具体见图6 中的生产线加工各零件后的数据统计结果。该结果描述生产系统各层次的动态运行过程的具体内容包括各具体变异产品在各生产单元的加工时间与完成情况，生产单元中的加工设备的完成任务状态，工作单元3 中的XY 工作平台的连续动态运行过程等。

图5 生产设备控制器的连续动态过程

图6 生产线加工零件后的数据统计

表1 变异产品在各工作单元的加工顺序与加工时间

4 结论与进一步工作

基于Matlab 统一软件环境，借助于软件提供的Simevents、Stateflow 和Simulink 等工具，可以建立融合生产线制造系统蕴含的复杂离散与连续动态行为共存的生产过程，形成具有混杂制造机理特征的建模与仿真分析的综合系统。系统采用层次化建模方法，以生产线离散制造过程与运行机制为引导，在离散动态行为机制运行过程中融合生产制造单元的状态变化及底层生产设备连续动态变化机制与控制器控制过程。基于该环境，可以进行生产线综合性能的全面分析与优化设计。同时，由于融合了生产线全面的制造信息与动态运行机理，该环境进一步为生产线控制系的分布式协同机制、分布智能可重构控制机理的研究提供可能环境，该方向也是本文深入的研究内容。

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