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面向节能的流程工业系统动态调度建模及算法研究

作　者: 曾令李
导　师: 邹逢兴
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 节能流程工业系统动态调度实时任务机器故障混合流水车间空闲时间窗口 HPSO算法
分类号: TB497
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 40次
引　用: 1次
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内容摘要

流程工业是国民经济发展的重要支柱,并广泛存在于冶金、制药、化工等行业。用先进的制造、控制和管理技术对流程工业生产系统进行改造,保持关系国计民生的重点工业领域的又好又快发展,对于保障国家安全和增强国家经济竞争力都非常重要。生产调度是流程企业生产过程控制的核心,提高生产调度的质量和效率,实现资源的有效配置和生产设备的合理利用,是优化生产、节能降耗的有效途径,不仅符合经济效益的目标,也符合可持续发展的要求。节约能源是全人类的主题,是每个国家发展经济的一项长远的战略方针。流程工业是诸多工业领域中的能耗巨头,节能降耗是保证流程企业可持续发展的关键。本文以国家自然科学基金重点项目《面向节能降耗的有色冶金过程控制若干理论与方法研究》(项目编号:60634020)的一个子项目:《流程工业过程的模式识别能耗寻优与优化调度方法研究》作为背景开展研究,以冶金工业中的动态调度问题为主要研究对象,主要做了以下工作:1、针对经典调度问题中的混合流水车间调度问题(Hybrid Flow-shop Scheduling Problem, HFSP),引入空闲时间窗口机制,分别以最大流程时间最小和以能耗最小为主要目标的综合指标最小为目标,建立了数学规划模型。2、采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)求解上述问题;为了克服基本PSO算法的缺陷,引入变异算子增强全局搜索能力,并使惯性权重随着进化代数的变化而变化以增强局部开发能力,构成混合PSO算法(Hybrid PSO, HPSO);仿真结果表明,HPSO算法的求解效果优于基本PSO算法。3、针对实际生产过程中的实时任务和随机机器故障问题,提出了实时任务动态调度机制和处理机器故障的再调度机制,并采用HPSO算法进行仿真实验,结果表明了所提出的动态调度机制和算法求解动态调度问题的可行性、稳定性和最优性。4、以铝工业生产系统为背景,将铝工业生产系统构成虚拟企业,并抽象为一个HFSP问题;按照本文介绍的理论与方法建立模型并求解动态调度问题,仿真实验说明了方法的可行性。最后,对全文进行了总结,并对流程工业生产调度问题建模及其求解算法的下一步研究重点进行了展望。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-24
  1.1 基于虚拟企业的流程工业系统生产调度问题  14-18
    1.1.1 虚拟企业概述  14
    1.1.2 流程工业系统及其生产调度问题  14-16
    1.1.3 铝工业生产概述  16-17
    1.1.4 以铝工业生产系统为背景构建的虚拟企业  17-18
  1.2 动态调度问题的提出及其研究对象  18-19
    1.2.1 动态调度问题的提出  18
    1.2.2 动态调度问题的研究对象  18-19
  1.3 动态调度的研究方法  19-22
    1.3.1 运筹学的方法  19-20
    1.3.2 仿真的方法  20
    1.3.3 人工智能的方法  20-21
    1.3.4 基于智能优化算法的方法  21-22
  1.4 本文的研究内容和章节安排  22-24
第二章基于空闲时间窗口的HFSP 问题模型  24-34
  2.1 空闲时间窗口机制简介  24-25
    2.1.1 空闲时间窗口的概念  24-25
    2.1.2 空闲时间窗口的更新机制  25
  2.2 以最大流程时间最小为目标的HFSP 问题的数学模型  25-28
    2.2.1 相关假设  25-26
    2.2.2 参数说明  26-27
    2.2.3 约束条件  27-28
    2.2.4 目标函数  28
  2.3 以能耗最小为主要目标的多目标HFSP 问题的数学模型  28-33
    2.3.1 相关假设  28-29
    2.3.2 参数说明  29
    2.3.3 求解多目标规划问题的评价函数法  29-31
    2.3.4 以能耗最小为目标的多目标HFSP 问题的目标函数  31-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章求解HFSP 问题的HPSO 算法及仿真分析  34-52
  3.1 PSO 算法简介  34-35
  3.2 HPSO 算法的基本思想  35-36
    3.2.1 HPSO 算法简介  35
    3.2.2 基于惯性权重和变异的HPSO 算法  35-36
  3.3 求解HFSP 问题的HPSO 算法设计  36-41
    3.3.1 粒子的编码与解码  36-37
    3.3.2 粒子的计算方法  37-38
    3.3.3 工件加工时间安排的求解算法  38-40
    3.3.4 适应度函数的计算  40-41
    3.3.5 算法流程  41
  3.4 仿真实验及结果分析  41-50
    3.4.1 数据准备  41-43
    3.4.2 仿真实验及结果  43-47
    3.4.3 结果分析  47-50
  3.5 本章小结  50-52
第四章面向节能的混合流水车间动态调度机制及仿真分析  52-70
  4.1 面向节能的HFSP 问题实时任务动态调度机制  52-55
    4.1.1 待加工工件集的选取  52
    4.1.2 HFSP 问题实时任务动态调度问题描述  52-53
    4.1.3 空闲时间窗口集随初始时刻变化的更新方法  53-54
    4.1.4 实时任务调度方案最大流程时间和能耗的计算方法  54-55
  4.2 面向节能的HFSP 问题再调度机制  55-62
    4.2.1 随机机器故障的概念  55-56
    4.2.2 机器故障修复及中断作业处理策略  56-57
    4.2.3 再调度工件工序集的选取  57-59
    4.2.4 任务取消及空闲时间窗口集的更新方法  59-61
    4.2.5 再调度算法及空闲时间窗口集的更新方法  61
    4.2.6 再调度方案最大流程时间和能耗的计算方法  61-62
  4.3 仿真实验及结果分析  62-69
    4.3.1 实时任务动态调度机制仿真实验及结果分析  62-67
    4.3.2 再调度机制仿真实验及结果分析  67-69
  4.4 本章小结  69-70
第五章面向节能的流程工业系统动态调度问题及算法仿真  70-78
  5.1 以能耗最小为主要目标的多目标铝工业系统生产调度问题  70-72
    5.1.1 铝工业系统生产调度问题  70
    5.1.2 面向节能的铝工业系统生产调度问题实验数据  70-72
  5.2 以能耗最小为主要目标的多目标铝工业系统动态调度仿真与分析  72-76
    5.2.1 仿真实验  72-75
    5.2.2 结果分析  75-76
  5.3 本章小结  76-78
第六章总结与展望  78-80
  6.1 总结  78-79
  6.2 展望  79-80
致谢  80-81
参考文献  81-86
作者在学期间取得的学术成果  86

面向节能的流程工业系统动态调度建模及算法研究

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