清华大学制造系统第06章制造系统综合与设计PPT课件

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1、第六章第六章 制造系统综合与设计制造系统综合与设计6-1 概述概述6-2 制造系统设计的主要过程制造系统设计的主要过程 6-3 制造系统设计的基本方法制造系统设计的基本方法 6-4 制造系统设计决策方法制造系统设计决策方法 层次分析法层次分析法 2021/7/2416-1 6-1 概述概述一、制造系统综合的基本概念一、制造系统综合的基本概念 系统综合就是根据已知的对系统各方面的要求，通过系统科系统综合就是根据已知的对系统各方面的要求，通过系统科学的理论和方法，产生一满足所给要求的新系统。在很多情况下，学的理论和方法，产生一满足所给要求的新系统。在很多情况下，这一过程是从无到有产生一符合给定要求

2、的新系统。在有些情况这一过程是从无到有产生一符合给定要求的新系统。在有些情况下，也可在现有系统基础上，通过系统校正、系统重构等方法产下，也可在现有系统基础上，通过系统校正、系统重构等方法产生出比原系统性能更优良的新系统。生出比原系统性能更优良的新系统。 这一过程可看作为一种变换与处理过程，它在有关参考模型这一过程可看作为一种变换与处理过程，它在有关参考模型（如制造模式，管理范式等）的支持下，在相关信息的支持下，（如制造模式，管理范式等）的支持下，在相关信息的支持下，由系统设计人员借助于计算机和有关软件系统，对输入信息（对由系统设计人员借助于计算机和有关软件系统，对输入信息（对未来新系统的要求）

3、进行变换、处理，最后产生输出信息（对未未来新系统的要求）进行变换、处理，最后产生输出信息（对未来新系统的描述）。来新系统的描述）。 2021/7/242二、二、制造系统综合的实现过程制造系统综合的实现过程2021/7/243分阶段处理分阶段处理 制造系统的设计需通过从粗到精、由宏观到微制造系统的设计需通过从粗到精、由宏观到微观、由全局到局部的多阶段。观、由全局到局部的多阶段。是一个从需求出发，是一个从需求出发，逐步细化，最终满足要求的过程。逐步细化，最终满足要求的过程。迭代求解迭代求解 由于在每一个实施阶段中，所要解决的问题往由于在每一个实施阶段中，所要解决的问题往往仍很复杂，而且很到问题是非

4、结构化的。因此这往仍很复杂，而且很到问题是非结构化的。因此这些设计阶段中很多具体问题的解决，往往还需通过些设计阶段中很多具体问题的解决，往往还需通过反复反复迭代、逐步获解。迭代、逐步获解。 三、解决制造系统综合问题的思路三、解决制造系统综合问题的思路2021/7/2446-2 6-2 制造系统设计的主要过程制造系统设计的主要过程 现代制造系统的设计，不仅需现代制造系统的设计，不仅需耗费大量人力物力，而且需要较长耗费大量人力物力，而且需要较长的时间周期。更为重要的是，如果的时间周期。更为重要的是，如果设计阶段处理问题不当而产生的失设计阶段处理问题不当而产生的失误往往会造成严重后果，后续阶段误往往

5、会造成严重后果，后续阶段难以弥补。因此，为保证制造系统难以弥补。因此，为保证制造系统设计的质量、减少错误，一般将设设计的质量、减少错误，一般将设计过程划分为若干阶段，每个阶段计过程划分为若干阶段，每个阶段完成后进行严格审查，合格后才能完成后进行严格审查，合格后才能进行下一阶段的工作。进行下一阶段的工作。 2021/7/245一、总体规划一、总体规划 总体规划的任务总体规划的任务是根据用户提出的对是根据用户提出的对未来新系统的要求，未来新系统的要求，通过调研和情报分析、通过调研和情报分析、需求分析等确定系统需求分析等确定系统的目标及功能，在此的目标及功能，在此基础上制定出系统的基础上制定出系统的

6、总体方案和开发计划，总体方案和开发计划，最后进行技术经济分最后进行技术经济分析并完成可行性论证。析并完成可行性论证。 2021/7/246二、二、初步设计初步设计 制造系统初步设制造系统初步设计的任务是对系统总计的任务是对系统总体规划的进一步深化体规划的进一步深化和细化，不但要得到和细化，不但要得到系统的总体结构，而系统的总体结构，而且要建立各子系统的且要建立各子系统的功能模型，并提出实功能模型，并提出实施的技术方案。施的技术方案。 2021/7/247三、详细三、详细设计设计 制造系统详细设计制造系统详细设计的任务是对系统总体规的任务是对系统总体规划和初步设计的进一步划和初步设计的进一步深化

7、和细化，不但要完深化和细化，不但要完成系统内外接口的详细成系统内外接口的详细设计，而且要进行各子设计，而且要进行各子系统的结构设计，并完系统的结构设计，并完成各子系统的详细技术成各子系统的详细技术设计，最后提交能据此设计，最后提交能据此建造新系统的全部技术建造新系统的全部技术文档。文档。 2021/7/248四、四、工程实施工程实施 制造系统工程制造系统工程实施的任务是按照实施的任务是按照详细设计阶段给出详细设计阶段给出的设计图纸、技术的设计图纸、技术数据、技术要求等，数据、技术要求等，建立符合要求的新建立符合要求的新系统。系统。 2021/7/249五、五、运行与维护运行与维护 制造系统运行

8、与维制造系统运行与维护的任务，是对建立的护的任务，是对建立的新系统进行实际运行，新系统进行实际运行，及时解决运行中出现的及时解决运行中出现的问题，并获取系统有关问题，并获取系统有关状态信息，对系统的运状态信息，对系统的运行效果作出全面评价。行效果作出全面评价。 2021/7/2410一、最一、最优化设计方法优化设计方法 最优化设计是制造系统设计所追求的一种理最优化设计是制造系统设计所追求的一种理想方法。想方法。 进行最优化设计的第一步是对设计问题的形进行最优化设计的第一步是对设计问题的形式化描述，建立最优化问题的目标函数并确定约式化描述，建立最优化问题的目标函数并确定约束条件。然后，寻求可行的

9、求解方法，并将其以束条件。然后，寻求可行的求解方法，并将其以计算机算法形式表示出来。最后，据此编制程序计算机算法形式表示出来。最后，据此编制程序通过计算机求解出设计问题的最优解。通过计算机求解出设计问题的最优解。 6-3 6-3 制造系统设计的基本方法制造系统设计的基本方法 2021/7/2411采用规划论方法求解最优化设计问题的过程采用规划论方法求解最优化设计问题的过程 2021/7/2412二、二、迭代设计方法迭代设计方法 迭代设计迭代设计是一个从需求是一个从需求出发，逐步完善，最终满足出发，逐步完善，最终满足要求的过程。要求的过程。 计算机仿真是对设计结计算机仿真是对设计结果进行评估的重

10、要手段。果进行评估的重要手段。 迭代设计迭代设计结果取决于设结果取决于设计人员和评估人员的水平。计人员和评估人员的水平。该方法可以得到较好的可行该方法可以得到较好的可行设计，但不能保证设计结果设计，但不能保证设计结果一定是最优的。一定是最优的。 2021/7/2413三、三、并行设计方法并行设计方法 并行设计方法强调协同性，交互性，预见性，并行设计方法强调协同性，交互性，预见性，可较好地避免串行设计方法存在的设计改动量大，可较好地避免串行设计方法存在的设计改动量大，系统开发周期长，设计实施成本高等问题。系统开发周期长，设计实施成本高等问题。 2021/7/2414并行设计方法与串行设计方法的主

11、要区别：并行设计方法与串行设计方法的主要区别： (1) (1) 串串行行设设计计方方法法是是一一个个时时间间做做一一件件工工作作，各各项项工工作作顺顺序序进进行行，并并行行设设计计方方法法则则是是一一个个时时间间做做多多项项工工作作，有有关关工工作作同时推进。同时推进。 (2) (2) 串串行行设设计计方方法法的的工工作作区区间间相相互互独独立立，并并行行设设计计方方法法则则存存在在工工作作区区间间的的相相互互交交叉叉和和重重叠叠，因因此此并并行行设设计计可可较较好好地地考虑后期工作。考虑后期工作。 (3) (3) 串串行行设设计计是是多多专专业业小小组组相相互互独独立立地地工工作作，并并行行

12、设设计计则是多专业组成的多功能小组协同一致地工作。则是多专业组成的多功能小组协同一致地工作。 (4) (4) 串串行行设设计计中中各各过过程程间间的的信信息息交交换换较较少少，特特别别是是时时间间上上靠靠前前的的设设计计过过程程更更难难以以得得到到后后面面过过程程的的信信息息（因因为为后后续续过过程程还还没没开开始始）。并并行行设设计计中中可可通通过过信信息息流流的的多多层层次次反反复复交交互互，与与各各个个过过程程的的全全部部状状态态的的及及时时反反馈馈，从从而而赢赢得得系系统统设设计计的的快快速完成并一次成功；速完成并一次成功； (5) (5) 串串行行设设计计需需耗耗费费较较多多时时间间

13、资资源源，但但节节约约了了空空间间资资源源，并并行行设设计计方方法法则则以以空空间间资资源源来来换换取取时时间间资资源源，从从而而加加快快了了设设计工作的速度。计工作的速度。 2021/7/2415四、四、重构设计方法重构设计方法 重构设计也称企业业重构设计也称企业业务流程重组（务流程重组（Business Process Reengineering），），是一种以新的思维方式来是一种以新的思维方式来构建高性能制造系统的方构建高性能制造系统的方法。其主要思想是，在已法。其主要思想是，在已有系统基础上，通过引入有系统基础上，通过引入新的运行模式，建立新的新的运行模式，建立新的组织结构，从而使系统

14、获组织结构，从而使系统获得更好的性能。得更好的性能。 2021/7/2416五、五、鲁棒设计方法鲁棒设计方法 1. 1. 鲁棒设计的意义鲁棒设计的意义 鲁棒性鲁棒性( (Robust) )是衡量系统抗拒各种干扰适应环境变化是衡量系统抗拒各种干扰适应环境变化的重要指标。的重要指标。 由于现代制造系统所面临的是瞬息万变的市场由于现代制造系统所面临的是瞬息万变的市场环境，各种干扰非常强烈，环境，各种干扰非常强烈， 因此，实现其鲁棒性设计具有十因此，实现其鲁棒性设计具有十分重要的意义。分重要的意义。 2. 2. 鲁棒设计的主要内容鲁棒设计的主要内容 (1)(1)功功能能结结构构设设计计：在在正正确确、

15、全全面面了了解解用用户户需需求求的的前前提提下下，应应用用系系统统科科学学和和工工程程以以及及相相关关学学科科的的知知识识，从从提提高高鲁鲁棒棒性性的的角角度度对对制制造造系系统统的的功功能能和和结结构构进进行行合合理理设设计计。为为完完成成这这一一任任务务可可通通过过实实验验和和计计算算机机仿仿真真来来确确定定具具有有较较强强鲁鲁棒棒性性的的系系统结构。统结构。 2021/7/2417 (2)(2)参参数数设设计计：是是指指针针对对提提高高制制造造系系统统的的鲁鲁棒棒性性而而言言，如如何何确确定定系系统统参参数数的的最最优优组组合合和和最最优优取取值值。在在某某些些情情况况下下，参参数数设设

16、计计可可通通过过理理论论分分析析完完成成，但但在在更更多多情情况况下下，系系统统参参数数的的最最优优组组合合和和最最优优取取值值需需通通过过实实验验方方法法和和计计算算机机仿仿真真方方法法进进行行测测试试，并并在在理理论论指指导导下下予予以以合合理理确确定定。由由于于参参数数设设计计决决定定了了对对环环境境条条件件和和其其它它干干扰扰最最不不敏敏感感的的系系统统参参数数取取值值，因因此此为提高制造系统的鲁棒性奠定了基础。为提高制造系统的鲁棒性奠定了基础。 (3)(3)容容限限设设计计：其其主主要要任任务务是是确确定定系系统统中中对对鲁鲁棒棒性性影影响响较较大大的的参参数数的的允允许许误误差差范

17、范围围。一一般般情情况况下下，缩缩小小这这些些参参数数的的允允差差范范围围有有利利于于提提高高制制造造系系统统的的鲁鲁棒棒性性，但但这这要要求求采采用用更更先先进进的的设设备备、装装置置和和辅辅助助环环节等，将会提高制造系统的建造成本和运行成本。节等，将会提高制造系统的建造成本和运行成本。 2021/7/2418一、简介一、简介 层层 次次 分分 析析 法法 （ Analytical Hierarchy Process, 简简称称AHP）是是美美国国匹匹兹兹堡堡大大学学教教授授 A.L.Saaty于于20世世纪纪70年年代代提提出出的的一一种种复复杂杂系统分析方法。系统分析方法。 二、二、 基

18、本原理基本原理6-4 6-4 制造系统设计决策方法制造系统设计决策方法 层次分析法层次分析法2021/7/2419 AHP 的基本原理是：的基本原理是： 将问题分解为若干将问题分解为若干层次，然后在每一层中通过因素间的两两比较，层次，然后在每一层中通过因素间的两两比较，求出该层多因素之间的相对重要性，最后从上求出该层多因素之间的相对重要性，最后从上至下综合各层结果求出问题的最终解。至下综合各层结果求出问题的最终解。 该方法的核心是通过最容易实现的两两比该方法的核心是通过最容易实现的两两比较，求出多因素之间的相对重要性较，求出多因素之间的相对重要性，这一过程这一过程可通过求矩阵最大特征值和特征向

19、量来实现。可通过求矩阵最大特征值和特征向量来实现。 求特征向量求特征向量因因 素素重要性重要性排排 队队因因 素素两两 两两比比 较较2021/7/2420 设设有有n个个因因素素，所所对对应应的的重重要要性性为为w w1 1，w w2 2 ， ，w wn n 。将将这这些些因因素素的的重重要要性性进进行行两两两两比比较较（相相除除），即即可可得得到到表表示示 n n个个因因素素重重要要关关系系的的比较矩阵（比较矩阵（AHP中称为判断矩阵）中称为判断矩阵） 2021/7/2421将矩阵将矩阵A A与向量与向量W=W=w w1 1 w w2 2 w wn n T T相乘得相乘得 即即 由上式可见

20、，由上式可见，n 是是A的一个特征根，而的一个特征根，而W为为A对应对应于于n的特征向量。由此可知，通过因素重要性的两两比的特征向量。由此可知，通过因素重要性的两两比较建立判断矩阵后，通过求解特征向量问题，即可得较建立判断矩阵后，通过求解特征向量问题，即可得到各因素的相对重要性（以到各因素的相对重要性（以W的各分量之值表征）。的各分量之值表征）。 2021/7/2422 需说明的是，需说明的是，n 是是A 的最大特征根，其余特征根的最大特征根，其余特征根为零，为零，A的非零特征向量只有的非零特征向量只有W。这时。这时AHP 的求解结的求解结果是最合理的。上述结果成立的条件是矩阵的元素满果是最合

21、理的。上述结果成立的条件是矩阵的元素满足以下关系足以下关系 上上式式完完全全成成立立时时，称称判判断断矩矩阵阵具具有有完完全全一一致致性性。在在实实际际应应用用中中，我我们们应应尽尽量量使使上上式式所所给给关关系系成成立立，以以保证判断矩阵具有良好的一致性。保证判断矩阵具有良好的一致性。 为保证这一要求的可操作性，需建立检验判断矩为保证这一要求的可操作性，需建立检验判断矩阵一致性的标准，这也是阵一致性的标准，这也是AHP应用中的一个关键问题。应用中的一个关键问题。 2021/7/2423式中式中 为判断矩阵的实际最大特征值为判断矩阵的实际最大特征值 为判断矩阵的理想最大特征值为判断矩阵的理想最

22、大特征值此时，实际最大特征值与理想最大特征值之差为此时，实际最大特征值与理想最大特征值之差为 当判断矩阵存在不一致时，有当判断矩阵存在不一致时，有 因此，可取其平均值作为检验判断矩阵一致性因此，可取其平均值作为检验判断矩阵一致性的指标，计算公式如下：的指标，计算公式如下： 2021/7/2424显然，当显然，当 时，时，CI=0，判断矩阵具有完全一，判断矩阵具有完全一致性。致性。CI值越大，判断矩阵的一致性越差。值越大，判断矩阵的一致性越差。 由于判断矩阵的阶数由于判断矩阵的阶数n 越大，其一致性就越差，因越大，其一致性就越差，因此应放宽对高阶判断矩阵的一致性要求。为此引入修正此应放宽对高阶判

23、断矩阵的一致性要求。为此引入修正系数系数RI（称为平均随机一致性指标），对（称为平均随机一致性指标），对CI进行修正，进行修正，得到以下称为得到以下称为“一致性比例一致性比例”的更合理的一致性检验指的更合理的一致性检验指标标 2021/7/242534567890.580.901.121.241.321.411.45常用的常用的39阶判断矩阵的阶判断矩阵的RI值如下表所示值如下表所示 实际应用中，如果一致性比例实际应用中，如果一致性比例CR0.1，则可认为，则可认为判断矩阵的一致性可以接受。判断矩阵的一致性可以接受。 三、三、AHPAHP求解问题的步骤求解问题的步骤 采用采用AHP求解问题的过

24、程可用下图所示流程框图求解问题的过程可用下图所示流程框图表示。表示。 2021/7/2426建立层次结构模型建立层次结构模型问题描述问题描述构造判断矩阵构造判断矩阵层次单排序层次单排序通过？通过？一致性检验一致性检验通过？通过？一致性检验一致性检验层次总排序层次总排序求解结果求解结果是是否否否否是是AHP求求解问题解问题的流程的流程框图框图 2021/7/2427 1.1.建立层次结构模型建立层次结构模型 对对待待解解决决问问题题进进行行分分析析，找找出出影影响响因因素素并并确确立立各各因因素素之之间间的的关关系系，据据此此建建立立求求解解问问题题的的递递阶阶层层次次结构，并用下图所示层次结构

25、模型进行具体描述。结构，并用下图所示层次结构模型进行具体描述。 在在层层次次结结构构模模型型中中，最最高高层层为为目目标标层层，它它描描述述应应用用AHP所所要要达达到到的的目目标标；最最低低层层为为方方案案层层，表表示示解解决决问问题题的的途途径径、方方案案、措措施施等等。最最高高层层与与最最低低层层之之间间的的层层次次为为中中间间层层，中中间间层层可可有有多多层层，主主要要表表示示为求解问题所采用的策略、约束、准则等。为求解问题所采用的策略、约束、准则等。2021/7/2428目标目标A准则准则C1准则准则C2准则准则C3方案方案P1方案方案P3方案方案P4方案方案P2方案方案P5AHP的

26、层次结构模型的层次结构模型 2021/7/24292. 2. 构造判断矩阵构造判断矩阵 判断矩阵表示针对上一层次某因素而言，本层判断矩阵表示针对上一层次某因素而言，本层次与之有关的各因素之间的相对重要性，其形式为次与之有关的各因素之间的相对重要性，其形式为 Ak B1B2BnB1B2Bn b11b12b1nb21b22b2nbn1bn2bnn其中其中 Ak为为上一层中因素，上一层中因素， 2021/7/2430B1，B2， ，Bn为与为与Ak有联系的本层因素，有联系的本层因素， bij为对于为对于Ak而言，而言，Bi对对Bj的相对重要性的数值表示，的相对重要性的数值表示， 例如：例如： bij

27、=1=1，表示，表示 Bi与与 Bj一样重要，一样重要，bij=3=3，表示，表示 Bi比比 Bj稍微重要，稍微重要， bij=5=5，表示，表示 Bi比比 Bj明显重要，明显重要，bij=7=7，表示，表示 Bi比比 Bj重要得多（强烈重要），重要得多（强烈重要），bij=9=9，表示，表示 Bi比比 Bj绝对重要绝对重要. . 任何判断矩阵都应满足任何判断矩阵都应满足 2021/7/24313. 3. 层次单排序层次单排序 层层次次单单排排序序是是指指对对本本层层次次各各因因素素相相对对于于上上一一层层某某因因素素的的重重要要性性所所进进行行的的排排序序。重重要要性性的的大大小小用用权权值

28、值W表示，可根据判断矩阵表示，可根据判断矩阵 B，通过以下关系，通过以下关系计算出计算出求解步骤为：求解步骤为： (1)(1)计算判断矩阵计算判断矩阵B每行元素的几何平均值每行元素的几何平均值 2021/7/2432(2)(2)将将 归一化，即计算归一化，即计算 得到特征向量得到特征向量(3)(3)计算判断矩阵的最大特征值计算判断矩阵的最大特征值 式中式中 (AW)i 为向量为向量AW的第的第i i个元素个元素 2021/7/24334. 4. 层次总排序层次总排序 层层次次总总排排序序是是指指针针对对上上一一层层而而言言，对对本本层层次次所所有有因因素素的的重重要要性性进进行行的的排排序序。

29、由由于于本本层层次次因因素素的的总总排排序序需需用用到到上上一一层层次次的的总总排排序序结结果果，因因此此，层层次次总总排排序序需需从从上上到到下下逐逐层层顺顺序序进进行行。对对于于最最高高层层下下的的第第二二层层，其其层次单排序即为总排序。层次单排序即为总排序。 进行层次总排序时，本层次各因素进行层次总排序时，本层次各因素B1，B2， ，Bn对应的权值可通过下式求出对应的权值可通过下式求出 式中式中 为上一层次总排序各因素对应的权值为上一层次总排序各因素对应的权值 为与为与 对应的本层次因素的单排序结果对应的本层次因素的单排序结果 2021/7/2434 层次A层次BA1A2Ama1a2amB1b11b12b1mB2 b21 b22 b2m Bn bn1 bn2 bnm 表表1 层次总排序计算方法层次总排序计算方法2021/7/2435作业：完成一篇研究论文作业：完成一篇研究论文题目：层次分析法应用研究题目：层次分析法应用研究2021/7/2436四、应用四、应用举例举例 2021/7/24372021/7/2438