《现代制造系统》课件UNIT 3-manufacturing system design

1本课程主要内容纲要产品制造系统的技术体系演变现代产品设计方法——概念设计、并行设计、逆向设计、模块化设计制造系统理论基础——规划、设计、运作及决策理论制造系统设计自动化制造装备——工业机器人、数控机床、自动导引小车、自动化立体仓库自动化生产线布局及设计精益制造系统设计柔性制造系统/计算机集成制造系统/智能制造物流系统设计——系统化布局方法、供应链及物料搬运系统设计制造系统控制及调度方法——物料需求计划、MRPⅡ、ERP、商务智能再制造与循环经济理论2Unit3制造系统理论基础A制造系统规划理论B制造系统设计理论C制造系统运作控制D制造系统决策理论3何谓制造系统？WHAT制造系统是按照一定的制造模式将制造过程所涉及的人力资源、加工设备、物流设备、原材料、能源和其他辅助装置，以及设计方法、加工工艺、管理规范和制造信息等要素整合而成的有机整体，它具有将制造资源转变为有用产品的特定功能。该概念蕴含着制造系统的结构、功能和过程。信息处理过程材料转变过程4制造模式的指导作用制造过程的信息流制造过程的物料流制造过程的能量流制造系统的动态化制造过程的决策制造系统的反馈特性整体性综合性层次性结构性功能性环境适应性制造系统特征制造系统基本特征WHAT一般系统特征参见教材第一章第5-23页制造系统特征、组成、类型、模型、结构5钱学森——系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。Systemisanorganicwholebythecombinationofseveralcomponentsthathavespecificfunctionsandareinteractiveandinterdependent.1SystemdefinitionsandelementsSystemdefinitions6Componentsaretheoperatingpartsofasystemconsistingofinput,process,andoutput.系统运行的组成部分(诸部件）Attributesarethepropertiesordiscerniblemanifestationsofthecomponentsofasystem.系统诸部件的性能或可辨别的表现行为Relationshipsarethelinksbetweencomponentsandattributes.

诸部件与属性之间的关联性1SystemdefinitionsandelementsElementsofaSystem7S1

S2

S4

S3

系统输入

系统输出

S1，S2，S3，S4——系统部件

系统结构

系统周界系统环境

1SystemdefinitionsandelementsElementsofaSystem集合表示法有向图表示法矩阵表示法8

原材料生产车间办公室成品库商品销售系统社会供应系统

物质流信息流指令流工厂生产系统

成品输出原材料等输入

外界社会系统环境

1SystemdefinitionsandelementsElementsofaSystem9按照系统在自然界存在的形态及性质分类Naturalandhuman-madesystems.自然系统与人工系统Physicalandconceptualsystems实体系统与概念系统Staticanddynamicsystems静态系统与动态系统Closedandopensystems孤立系统、封闭系统与开放系统1SystemdefinitionsandelementsClassificationofSystems10自然系统是由自然发生而产生与形成的系统，这类系统的组成部分是自然物（山、海、河流、矿物、植物及动物等）所自然形成的系统。像海洋系统、矿藏系统、生态系统、太阳系、宇宙等，都属于自然系统。

人工系统是人们将有关元素，按其属性和相互关系组合而成的系统，亦即用人工方法建立起来的系统。例如，用人工方法制造出来的工具和机械装置等构成的各种工程系统；人类通过人为地规定的组织、制度、步骤、手续等建立起来的各种管理系统和社会系统；人类通过对自然现象和社会现象的科学认识，用人工方法研究出来的科学体系和技术体系。1SystemdefinitionsandelementsClassificationofSystems11实体系统是指以物理状态的存在物作为组成要素的系统，这些实体占有一定空间，如自然界的矿物、生物，生产部门的机械设备、原始材料等。由于自然物都为实实在在的存在物，因此，实体系统亦称为硬件系统。概念系统是与实体系统相对应的，它是由概念、原理、假说、方法、计划、制度、程序等非物质实体构成的系统，如管理系统、科学技术体系、教育系统、文化系统等。由于概念系统，对应着的多是人们对自然界的认识和假设，因此，概念系统亦称为软件系统。1SystemdefinitionsandelementsClassificationofSystems12动态系统就是系统的状态变量是随时间不断变化的，即系统的状态变量是时间的函数。例如，学校就是一个动态系统，它不仅有建筑物，还有教师和学生。企业也是动态系统的一个典型例子静态系统则是表征系统运行规律的数学模型中不含有时间因素，即模型中的变量不随时间而变化，它是动态系统的一种极限状态，即处于稳定的系统。例如大桥、公路、房屋等。1SystemdefinitionsandelementsClassificationofSystems13孤立系统指的是系统与外界环境既不可能进行物质交换，也不可能进行信息、能量交换。换句话说，系统内部的物质和信息能量不能传至外部，外界环境的物质和信息能量也不能传至系统内部。封闭系统是指系统与外界环境之间可以进行信息、能量交换，但不能进行物质交换。开放系统是指系统与外界环境有信息、物质和能量交互作用的系统。1SystemdefinitionsandelementsClassificationofSystems

S

S

S信息物质14从系统的规模进行分类，系统有大小之分，可分为普通系统、大系统及巨系统；从系统的复杂程度来分，系统又可分为简单系统与复杂系统。面向对象区分的系统形态：物质系统、人类系统及方法步骤系统;作业系统和管理系统；社会经济系统；经营系统。根据具体对象划分的各种系统:工业系统、运输系统、交通系统、通信系统、物资流通系统、金融系统、能源系统等以产业区分系统的形态，或按消费生活系统、医疗系统、军事系统和教育系统等区分的系统形态。1SystemdefinitionsandelementsClassificationofSystems设计.制造.管理Design/Manufacture/ManagementSchoolofMechantronicalEngineeringLanzhouJiaotongUniversity16S1

S2

S4

S3

系统输入

系统输出

S1，S2，S3，S4——系统部件

系统结构

系统周界系统环境

1SystemdefinitionsandelementsElementsofaSystem集合表示法有向图表示法矩阵表示法系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。投入产出模型排队网络模型活动循环图模型Petri网模型要点回顾制造系统基本模型系统结构模型17控制论信息论系统论耗散结构理论协同学突变论……理论的创始者基本的概念基本观点形成的条件学科发展的意义相互之间的联系及差异2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering制造系统规划、设计、运行控制、决策182TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础一般系统论generalsystemtheory一般系统论的产生与发展——自然科学初期(实验科学时代)，科学的主要趋势是分化研究对象层层分解，直到基本单元，研究其基本单元因素，弄清研究对象。如力学的分解隔离法研究、化学元素周期律、原子结构研究等。制造系统体系结构：单元级、车间级、企业级、企业联盟这种方法没有领略到整体大于部分之和的系统思想。ManufacturingSystemEngineering19一般系统论的产生与发展——机械论与活力论之争：机械论把生物进行分解(生物→系统→器官→组织→细胞)研究，最终导致分子生物学产生，破译了遗传密码，取得了显赫的成就。但对更高层次的问题如生命现象、生命组织知之甚少。这种方法在处理各部分间有紧密联系的系统及非线性系统问题上有局限性。活力论认为生物体中存在超物质的“活力”，断言有机界与无机界之间是不可逾越。活力论的生命观指出了生命现象不能归结为机械、物理、化学的过程，但在解释生命现象的复杂性时，仍无建树。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering20一般系统论的产生与发展——20世纪20年代，美籍奥地利生物学家冯·贝塔朗菲在对生物学的研究中发现，把生物分解的越多，反而会失去全貌，对生命的理解和认识反而越来越少。因此开始了理论生物学研究，创立了一般系统论。1945年《关于一般系统论》的发表，成为系统论形成的标志。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering21一般系统论的基本观点——系统的整体性：贝塔朗菲指出“一般系统论是对整体和完整性的科学探索”。系统整体性原理的基本内容：①要素和系统不可分割；②系统整体的功能不等于各组成部分的功能之和，存在系统整体功能放大效应与缩小效应；③系统整体具有不同于各组成部分的新功能。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering22一般系统论的基本观点——系统的开放性：贝塔朗菲认为，一切有机体之所以有组织地处于活动状态并保持其活的生命运动，是由于系统与环境处于相互作用之中，系统与环境不断进行物质、能量和信息的交换，这就是所谓的开放系统。（孤立、封闭、开放系统）系统的开放性、有序性、结构稳定性和目的性联系起来，正是贝塔朗菲一般系统论的核心和重要成果。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering23一般系统论的基本观点——系统的动态相关性：任何系统都处在不断发展变化之中，系统状态是时间的函数，这就是系统的动态性。系统的动态性，取决于系统的相关性。系统的相关性是指系统的要素之间、要素与系统整体之间、系统与环境之间的有机关联性。它们之间相互制约、相互影响、相互作用，存在着不可分割的有机联系。动态相关性的实质是揭示要素、系统和环境三者之间的关系及其对系统状态的影响。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering24一般系统论的基本观点——系统的层次等级性：系统是有结构的，而结构是有层次、等级之分的。系统由子系统构成，低一级层次是高一级层次的基础，层次越高越复杂，组织越有序，并且系统本身也是另一系统的一个组成要素。系统中的不同层次及不同层次等级的系统之间是相互制约、相互关联的。自然系统、社会系统都有层次结构。等级层次结构存在于一切物质系统，因而人们对事物的认识也只是对其某一层面的认识。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering25一般系统论的基本观点——系统的有序性：系统的有序性可从两方面来理解。其一，是系统结构的有序性。若结构合理，则系统的有序程度高，有利于系统整体功效的发挥。其二，是系统发展的有序性。系统在变化发展中从低级结构向高级结构的转变，正体现了系统发展的有序性，这是系统不断改造自身、适应环境的结果。系统结构的有序性体现的是系统的空间有序性，系统发展的有序性体现的是系统的时间有序性，两者共同决定了系统的时空有序性。

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering26一般系统论方法的启示——以系统的观点去看整个世界，不能片面、孤立地看问题。以思辨原则代替实验原则，不能机械地看问题。以整体论代替还原论。对事物的层层剖析，弱化事物各部分间的联系，认为整体是部分的简单加和，这种思想不利于从总体把握事物，对事物的整体功效认识不清。以目的论代替因果论。异因可以同果，为达到一定目的，可采取不同方式。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering27信息论informationtheory信息论的产生与发展——信息论产生于20世纪40年代末，创立者是美国的数学家香农(C.E.Shannon)和维纳。起初信息论仅局限于通信领域，它的基本内容是研究信源、信宿、信道及编码问题。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering28信息论的产生与发展——20世纪70年代以后，信息概念和方法广泛渗透到各门科学领域，一方面，信息论在解决信息的传输方面取得了新的进展。另一方面，对信息概念的扩展也取得了很大的成就。以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机、光导纤维为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要研究目标，形成了信息科学。

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering29信息论的研究领域——根据不同的研究内容，把信息论分成三种不同的类型。狭义信息论:即香农信息论，主要研究消息的信息量、信道(传输消息的通道)容量以及消息的编码问题；一般信息论主要研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波与预测、调制、信息处理等问题。广义信息论不仅包括前两项的研究内容，而且包括所有与信息有关的领域。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering30控制论Cybernetics控制论定义——维纳于1948年出版了《控制论》一书，他对控制论的定义是：“关于动物和机器中控制和通信的科学”。维纳的控制论定义阐述了两个根本观念：①一切有生命、无生命系统都是信息系统；②一切有生命、无生命系统都是控制系统。人们根据维纳的定义形成的比较公认的看法是：“控制论是以研究各种系统共同存在的控制规律为对象的一门科学”。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering31控制论的基本概念——控制系统：通常把施控器、受控器和控制作用的传递者三个部分所组成的、相对于某种环境而具有控制功能与行为的系统，称为控制系统。控制系统按照有无反馈回路而分为闭环控制系统和开环控制系统两大类。控制论研究的重点：带有反馈回路的闭环控制系统，其首要的观点是反馈，另一个重要观点是信息。控制系统的稳定性：稳定性分为第一类稳定性和第二类稳定性。当外界的变化不致使系统发生显著变化时，称为第一类稳定性；当系统所受到的干扰偏离正常的状态，且在干扰消失后系统自动恢复其正常状态，称为第二类稳定性。系统稳定的基本机制是负反馈。

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering322TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering制造系统的反馈控制机制33控制论大致经历的三个时期——经典控制论时期：单变量自动控制，只解决单输入与单输出系统的控制问题现代控制论时期：多输入、多输出、高精度和参数时变系统的分析与设计问题，控制论从“经典控制论”推向“现代控制理论”，从单变量的自动调节发展到多变量的最优控制。大系统控制论时期：重点是大系统多级递阶控制，研究大系统的结构方案、稳定性、最优化、建立模型的模型简化等问题成为大系统理论的基本问题。分解与协调的方法是大系统优化的基本方法。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering最优控制协调控制34控制论对系统工程方法论的启示——黑箱一灰箱一白箱法黑箱是指人们一时无需或无法直接观测其内部结构，只能从外部的输入和输出去认识的现实系统。比如中医看病，通过“望、闻、问、切”等外部观测作出诊断，开出处方。白箱则指系统内部的构成都是十分清楚的系统，介于两者之间的系统称为灰箱。按照对系统的输入、输出及内部结构的认识，可以采用黑箱、灰箱、白箱方法来研究、分析系统。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering35无尺度网络分析无尺度网络概念——网络的研究经历了三个主要阶段：规则网络、随机网络和复杂网络（小世界网络和无尺度网络）。20世纪末，Albea，Jenong和Barabasi在研究万维网的规律时提出了无尺度网络的概念。无尺度网络（或称无标度网络）是带有一类特性的复杂网络，其典型特征是网络中的大部分节点只和很少的节点连接即节点的度很小，而有极少的节点与非常多的节点连接，即节点的度很大。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering36无尺度网络分析无尺度网络特征——无尺度网络存在集散节点。无尺度网络主要由这些少数的集散节点所支配。无尺度网络的成长性。无尺度网络的优先连接性。无尺度网络的鲁棒性与脆弱性。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering阿喀琉斯之踵37无尺度网络分析无尺度网络分析方法——BA模型BA模型是分析无尺度网络最常用的一种动力学模型，BA模型有两个最重要的假设：成长和优先连接。成长。假设网络开始时刻有m0个节点，每隔一个时间步长增加一个新节点，新节点与原系统中已存在的m（≤m0）个节点相连。优先连接。新节点与节点i连接的概率pi与节点i的度ki相关

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering38无尺度网络分析无尺度网络分析方法——BA模型2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering假设ki是一个连续随机变量,ki变化的速率与Π(ki)成正比,因而ki满足动力学方程:方程解为：39无尺度网络分析无尺度网络分析方法——BA模型BA无标度模型的优势之处在于它把实际复杂网络的无标度特性归结为增长和优先连接这两个非常简单的机制,这很好地体现了科学研究中的从复杂现象提取简单本质的特点。BA无标度网络模型和真实网络相比存在一些明显的限制。比如,一些实际网络的局域特性对网络演化结果的影响,外界对网络节点及其连接边删除的影响等等。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering40无尺度网络分析无尺度网络分析方法——BA模型的修正及变体局域世界演化网络模型在世界贸易网中,每个节点代表一个国家,如果两个国家之间有贸易关系,则相应两个节点之间存在连接边

。研究表明,许多国家都致力于加强与各自区域组织内部的国家之间的经济合作和贸易关系,在世界贸易网中,优先连接机制是存在于某些区域经济体中的。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering41无尺度网络分析方法——BA模型的修正及变体分层网络模型2001年，Barabási提出了第一个确定性的分层网络模型。这个模型是为了解释生物学中的代谢网络。分层模型的想法是从模体出发，通过自相似的层次叠加而得到复杂网络。这种思想类似于分数维图形。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering42模式识别模式识别（PatternRecognition）是指对表征事物或现象的各种形式的（数值的、文字的和逻辑关系的）信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程，是信息科学和人工智能的重要组成部分。模式识别又称模式分类，分为有监督的分类（SupervisedClassification）和无监督的分类（UnsupervisedClassification）。二者的主要差别在于，各实验样本所属的类别是否预先已知。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering43模式识别2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering44相似理论相似性原理——相似第一定理：两个彼此相似的系统，单值条件相同，其相似判据的数值也相同。相似第二定理：如果一个现象由n个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含有m种基本量纲时，则能得到（n-m）个相似判据。相似第三定理：对于具有同一特性的现象，当单值条件（如系统的几何性质、介质的物理性质、起始条件和边界条件等）彼此相似，且由单值条件的物理量所组成的相似判据在数值上相等时，则这些现象必定相似。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering45相似理论成组技术与制造单元——成组技术（GroupTchnology，GT）是通过识别产品零件结构特征、材料特征和工艺特征的相似性，进行产品零件族（组）分类，以提高生产效率；进行机器单元或制造单元分类，以扩大批量、减少品种、加快工件流动速度。前者称之为一次相似性，后者称之为二次相似性或派生相似性。

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering46相似理论单元制造系统——单元制造系统（CellularManufacturingSystem，CMS）的核心问题是如何构建高效的制造单元（机器单元）加工不同的零件族，其运用的主要方法有可视化编码技术、图论方法、统计聚类分析、模糊聚类法、模式识别、数学规划方法、神经网络方法、进化算法、模拟退火算法等。制造单元设计主要研究单元空间位置关系问题，即单元内设备布置和单元布置问题。另一个具体问题是成组排序。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering47分形理论分形理论的产生——分形理论是由美籍法国数学家Mandelbrot创建的。1967年Mandelbrot在美国《科学》杂志上的论文《英国的海岸线有多长》中，首次阐明了他的分形思想。1973年Mandelbrot在法兰西学院讲学时，正式提出了分形几何的概念。1975年他的法文专著《分形：形状、机遇和维数》的出版，标志着分形学理论的诞生。1982年出版的《自然界的分形几何》（TheFractalGeometryofNature）等著作，给分形这一学科的发展以持续的推动力。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering科赫雪花48分形理论分形理论的运用——分形理论在自然科学、社会科学、思维科学等各个领域的广泛应用，使得以几何形态自相似为研究对象的狭义分形，扩展到了在结构、功能、信息、时间上等具有自相似性质的广义分形，诸如分形物理学、分形生物学、分形结构地质学、分形地震学、分形经济学、分形人口学等。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering49分形理论分形理论的运用——分形理论在制造系统中的应用主要包括分形理论在企业供应链、复杂系统建模、企业网络，制造决策映射建模，复杂产品的分形设计等方面。随着以人为中心的现代制造系统的进一步发展，学术界与业界的许多学者从企业信息集成模型的企业协同层、企业层和车间层出发，运用分形理论构造了更为实用的分形模型、分形元和分形制造系统（FractalManufacturingsystem）。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering设计.制造.管理Design/Manufacture/ManagementSchoolofMechantronicalEngineeringLanzhouJiaotongUniversity51控制论信息论系统论耗散结构理论协同学突变论……理论的创始者基本的概念基本观点形成的条件学科发展的意义相互之间的联系及差异2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering制造系统规划、设计、运行控制、决策要点回顾分形理论模式识别无尺度网络分析相似理论52协同学collaborativetheory协同学的产生——20世纪70年代后期，原西德理论物理学家哈肯创立了协同学。哈肯早在60年代初激光问世时就积极从事激光理论研究，他发现激光呈现出丰富的合作现象，从而得出了协同作用的重要概念。但协同学正式形成框架是在1977年。

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering53协同学的定义——协同学是一种研究各种不同系统在一定外部条件下，系统内部各子系统之间通过非线性相互作用产生协同效应，使系统从混沌无序向有序，从低级有序向高级有序，以及从有序状态向混沌状态转化的机理和共同规律的理论。协同学以信息论、控制论、耗散结构理论、突变论等现代科学理论的新成果为基础，采用统计学与动力学考查相结合的方法，通过类比，对各学科中的从无序到有序的现象建立了一整套数学模型和处理方案，从而可把在一门学科中所取得的成果很快推广到其他学科类似现象上去。

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering54协同学的基本观点——系统由无序到有序的关键不在平衡、非平衡或离平衡态有多远，关键在于组成系统的各子系统在一定条件下，它们之间的非线性作用、相互协同和合作，自发产生有序结构，因此强调了协同现象的普遍性和重要性。协同学着重研究系统中各元素间的合作，它不仅研究开放系统从无序到有序的演化规律，而且也研究其从有序到无序的演化规律，真正统一了有序与无序。因而协同学较耗散结构理论来说有更广的适用领域，它把研究从远离平衡态的开放系统扩展到近平衡态和平衡态系统。协同学的出现把非平衡系统的自组织理论推向了一个新的发展阶段。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering55协同学的基本原理——①协同效用原理即“协同导致有序”。系统的有序性是由系统要素的协同作用形成的，协同作用是任何复杂系统本身所固有的自组织能力，是形成系统有序结构的内部作用力。②支配原理。在复杂系统中有两类变量，即快变量与慢变量

，它们的地位不同，复杂系统在由不稳定点向新有序时空结构转变时，起支配控制作用的变量是慢变量。快变量在系统受到干扰而偏离稳态时，总是倾向于使系统重新回到原来的稳态，这种变量起到类似阻尼的作用，并衰减得很快。慢变量在系统因涨落而偏离稳态时，总是倾向于使系统更加偏离原来的稳态而走向非稳态，这种变量在系统处于稳态与非稳态的临界区时，呈现出一种无阻尼特征，并且衰减得很慢。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering56协同学的基本原理——③自组织原理。系统在没有外部指令的条件下，其内部子系统之间能够按照某种规则自动形成一定的结构或功能，它具有内在性和自生性。在外部能量和物质输入的情况下，系统会通过大量子系统间的协同作用，在自身涨落力的推动下，形成新的时空结构。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering57协同学的意义——协同学是一门横断科学和边缘科学。由于它研究和揭示了在一定条件下，不同系统通过子系统间的协同作用与自组织，从无序向有序转变的共同规律和特征，因而在自然科学和社会科学领域有着广阔的应用前景。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering58突变论catastrophetheory突变论的产生及其特点——法国数学家托姆于1972年创立突变论。突变论是一个新的数学分支，也是系统科学发展中的一个重要分支。以往的数学只能解决连续变化(离散连续)问题，对那些突然出现的非连续性变化显得无能为力。突变论从量的角度研究各种事物的不连续变化问题，进行从量变到质变的研究。它用形象而精确的数学模型来模拟突变过程，其要点在于考察这一过程从一种稳态到另一种稳态的跃迁。运用的数学工具主要为拓扑学、奇点理论和结构稳定性理论。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering59突变论的产生及其特点——突变论以稳定性理论为基础，通过对系统稳定性的研究，阐明了稳定态与非稳定态、渐变与突变的特征及其相互关系，揭示了突变现象的规律和特点。突变论中以控制变量来表示那些作为突变原因的连续变化因素，以状态变量来表示可能出现突变的量。突变论运用数学工具描述系统处于稳定态、不稳定态的参数区域以及系统突变时的参数特定位置，从而建立起突变过程的数学模型。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering60突变论的基本观点——稳定机制是事物的普遍特性之一，是突变论阐述的主要内容，事物的变化发展是其稳定态与非稳定态交互运行的过程。质变可以通过渐变和突变两种途径来实现，质变到底是以哪种方式来进行的，关键是要看质变经历的中间过渡态是不是稳定的。如果是稳定的，那么就是通过渐变方式达到质变的；如果不稳定，就是通过质变方式达到的。在一种稳定态中的变化属于量变，在两种结构稳定态中的变化或在结构稳定态与不稳定态之间的变化则是质变。量变必然体现为渐变，突变必然导致质变，而质变则可以通过突变和渐变两种方式来实现。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering61运筹学方法运筹学是将系统思想定量化所形成的数学理论和算法，通常运用模型化的方法，将一个已确定研究范围的现实问题，按预期目标，将主要因素及各种约束条件之间的因果关系、逻辑关系建立数学模型，通过模型求解来寻求最优方案。运筹学研究的8类问题：分配问题、库存问题、排队问题、顺序问题、更新问题、路线问题、对抗问题和搜索问题。运筹学研究的数学分支主要有：线性规划、非线性规划、动态规划、排队论、决策论、博弈论、搜索论等。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering62误差流理论产品零部件的误差源——产品零部件在制造系统中受各种误差源（设计、制造、储运等方面的误差因素）的影响，尺寸误差不断地产生、累积和传递，最终形成产品的实际尺寸相对于设计尺寸的偏离差值。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering63误差流理论误差流控制方法——提高设计阶段“首次正确率”以控制误差流。其目的就是尽量减少在制造阶段对产品和工艺进行修改。通过误差源的诊断控制误差流，不仅需要在设计阶段提高“首次正确率”，而且需要在制造阶段快速有效地诊断和排除系统误差源。充分利用多工序间复杂的相关性控制误差流。揭示流程关键特征之间相互影响的逻辑关系，建立产品误差与各种误差之间定量关系的数学模型，通过对误差传递的过程进行机理性的描述。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering64误差流理论误差流理论的应用

——误差流理论作为误差分析、建模、诊断和控制的有效工具，已经在汽车车身制造、半导体制造与装配、飞机关键零部件的制造与装配、发动机制造等领域得到成功应用。汽车车身焊装误差的形成及其控制为例，分析产品工艺设计、焊接夹具、零件偏差、焊接变形和操作过程变形五个方面对车身焊装的影响。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering65离散事件系统理论离散事件系统定义——离散事件系统（DiscreteEventDynamicSystem，DEDS）是由异步、突发的事件驱动状态演化的动态系统。这种系统的状态通常只取有限个离散值，对应于系统部件的好坏、忙闲及待处理工件个数等可能的物理状况，或计划制定、作业调度等宏观管理的状况。而这些状态的变化则由诸如某些环境条件的出现或消失、系统操作的启动或完成等各种事件的发生而引起。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering离散事件系统的突出特点是系统性能状态变量只在随机的时间点上发生跃变，而在两个时间点之间不发生任何变化。其中与系统状态变化相关的主要专用术语包括实体、事件、活动和进程。实体（Entity）：是被仿真系统中可单独辨识和刻划的构成要素。事件（Event）：导致系统状态变化的瞬间操作或行为。活动（Activity）：实体在一段时间内持续进行的操作或过程。进程（Process）：一组按发生时间排列的事件/活动序列称为进程2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering顾客源到达模式排队规则服务规则2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering68耗散结构理论dissipativestructuretheory耗散结构理论的基本观点——1969年比利时物理学家普利高津对非平衡态不可逆过程的研究提出了一种学说：一个远离平衡态(平衡态时熵最大)的开放系统(不管是力学、物理化学的，还是生命的)，在外界条件发生变化达到一定阀值时，量变可以发生质变(由无序到有序的突变)，突变后形成的有序状态称耗散结构。耗散结构的定量研究描述了无序向有序的转化，统一了非生命与生命系统之间的联系。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering69耗散结构的形成条件——系统必须是远离平衡态的开放系统，当系统处于平衡态或近平衡态时，系统不能产生新结构，因而要形成耗散结构，系统就要远离平衡态。系统内部具有非线性动力学机制。系统要素间的非线性相互作用是推动系统向有序发展的内部动力。这种非线性机制能促使系统各要素间产生相干效应(使系统元素耦合，产生自组织结构)和临界效应(临界点上失稳，形成新结构)，从而使系统由混乱无序向有序转变。非线性机制所产生的非加和作用是系统产生并保持耗散结构的根本原因。

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering70耗散结构理论的意义——耗散结构理论的意义在于它指出了化学、生态系统等许多复杂系统由无序转向有序的规律是一般的，沟通了生命系统与非生命系统之间的联系。耗散结构理论的提出结束了科学界对时间可逆与否、世界是进化了还是退化了的争论。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering71系统动力学方法系统动力学概念——系统动力学方法（SystemDynamics，SD）或称系统动态学方法，是一门综合运用系统论（SystemTheory）、控制论、信息论、伺服机械学（Servo-mechanism）、决策理论以及计算机仿真（ComputerSimulation）技术等多个学科的理论和方法，形成的以反馈控制理论为基础，以计算机仿真技术为主要手段，研究大型非线性复杂系统动态行为的定性与定量相结合的系统分析方法。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering72系统动力学的基本术语

——2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering因果关系反馈回路是正反馈还是负反馈的判别标准：因果关系反馈回路的符号与所含因果箭符号的乘积符号相同，或者说在同一个因果反馈回路中，若含有奇数条极性为负的因果箭，则整个因果关系回路是负反馈回路；反之，就是正反馈回路。73系统动力学的基本术语

——2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering决策的反馈回路事实上就是连接决策（流速）、积累、行动、信息的完整过程。积累也称之为水准变量或水平变量（Level），是系统内部流的堆积量，是用来描述系统状态的概念；流速也称之为决策变量或速率变量（Rate），是系统中单位时间内通过的流量，它表明流的活动状态。74系统动力学的基本术语

——2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering系统内各因素的相互作用和相互影响，也需要经历一定的时间才能完成，这种现象就称之为延迟。延迟一般分为一次延迟和多次延迟。2024/7/1775认识问题环境分析界定系统建立结构模型要素及其因果关系分析建立数学模型仿真分析比较与评价（流图）（DYNAMOY方程）因果关系图定性与定量方法的结合2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineeringModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理1232024/7/1776因果箭：连接因果要素的有向线段。箭尾始于原因，箭头终于结果。因果关系是系统动力学建模的基础，是对系统内部结构关系的一种定性描述。有正负极性之分。正(+)为加强，负(-)为削弱。因果链：因果关系具有传递性。用因果箭对具有递推性质的因素关系加以描绘即得到因果链CausalRelationship因果关系图ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理决择信息行动系统状态2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering12024/7/1777因果关系正负极性的判别标准：若满足下列条件之一：①A加到B中；②A是B的乘积因子；③A变到A±△A，有B变到B±△B，即A、B的变化方向相同。则称A到B具有正因果关系，简称正关系，用“＋”号标在因果链上。ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理CausalRelationship因果关系图利息(元/年)银行货币利率++(+)2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering12024/7/1778因果关系正负极性的判别标准：若满足下列条件之一：①A从B中减去；②1/A是B的乘积因子；③A变到A±△A，有B变到B(-＋)△B，即A、B的变化方向相反。则称A到B具有负因果关系，简称负关系，用“－”号标在因果链上。ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理CausalRelationship因果关系图库存量订货量库存差额++-(-）期望库存2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering12024/7/1779因果链极性的判别标准：因果链的符号与所含因果箭符号的乘积符号相同。或者说在同一个因果链中，若含有奇数条极性为负的因果箭，则整条因果链是负的因果链；否则，就是正的因果链。因果(反馈)回路：原因和结果的相互作用形成因果关系回路(因果反馈回路、环)。它是一种特殊的(即封闭的、首尾相接的)因果链，其极性判别准则如因果链ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理CausalRelationship因果关系图对服务质量的重视程度有效的读者意见读者意见++-（-）偏见2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering12024/7/1780社会系统中的因果反馈环是社会系统中各要素的因果关系本身所固有的。正反馈回路，起到自我强化的作用，负反馈回路具有“内部稳定器”的作用。多重因果(反馈)回路：社会系统的动态行为是由系统本身存在着的许多正反馈和负反馈回路决定的，从而形成多重反馈回路。CausalRelationship因果关系图ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering12024/7/1781ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理出生人口人口总量死亡人口（平均）出生率（平均）死亡率(－)-++（+）+CausalRelationship因果关系图2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering12024/7/1782ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理投资(元/年)工业资本折旧(元/年)平均资本投资率平均资本折旧率(－)－++（+）+CausalRelationship因果关系图2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering12024/7/1783ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理人口分配生产消费流通消费水平资源消耗或占用量资源存量+-++++++++-(-)(-)(+)2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering2024/7/1784ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理例：因果关系图容器A进水出水水位L1控制流率(决策功能)流率RA流率和水位概念图2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering2024/7/1785SDFlowDiagram流图ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理因果反馈回路表达了系统发生变化的原因即反馈结构，但这种定性描述还不能确定使回路中的变量发生变化的机制。为了进一步明确表示系统各元素之间的数量关系，并建立相应的动力学模型，系统动力学方法通过广义的决策反馈机构来描述上述机制。源或汇(环境)决策系统状态有关系统状态的信息2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering22024/7/1786SDFlowDiagram流图要素与符号ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理①流实物流信息流③水准变量

L1④辅助变量A1。②速率变量R12TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering22024/7/1787ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理⑤参数（量）（常量）（初值）⑥源与洞⑦信息的取出

L1。。A1。R1SDFlowDiagram流图要素与符号2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering22024/7/1788ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理⑧滞后或延迟延迟时间SDFlowDiagram流图要素与符号输出率DELAY1,3输入率DLINE3延迟变量。。延迟时间A,L,或R。。SMOOTH平滑变量A,L,或R平滑时间一、三阶指数物质延迟一阶信息延迟三阶信息延迟2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering2期望库存库存发货单定货途中货物量收货﹢﹢﹢﹢﹣期望库存定货率发货率收货率定货周期途中货物量库存量存货差收货周期例题1商业网点建设建设速度被占土地部分网点拆毁商业网点﹢﹢﹢(﹢)﹢﹢(﹣)(﹣)﹣﹣例题2被占土地部分RC网点建设RD网点拆毁RB城市商业网点数ELRC对建设进度的影响因子正常建设速度NCFLFO总的网点占地面积AREAALRP每个网点平均占地面积ALRB网点平均使用周期2024/7/1791

L1R1（利息）C1(利率)IR1(订货量)库存量DY(期望库存)（库存差额）利息(元/年)银行货币利率++(+)库存量订货量库存差额++-(-）期望库存练习12TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering2024/7/1792PR1R2(出生人口)(人口总量)(死亡人口)C1（出生率）C2（死亡率）组织改善组织绩效组织缺陷。。出生人口人口总量死亡人口出生率死亡率(－)-++（+）+组织改善组织缺陷组织绩效－－＋(＋）练习22TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering2024/7/1793DrawingproceduresofFlowDiagram流图绘制程序ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理①明确问题及其构成要素；②绘制要素间相互作用关系的因果关系图。注意一定要形成回路；③确定变量类型（L变量、R变量和A变量）。将要素转化为变量，是建模的关键一步。2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering22024/7/1794ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理确定变量类型需要注意如下原则——

a.水准（L）变量是积累变量，可定义在任何时点；而速率（R)变量只在一个时段才有意义。b.决策者最为关注和需要输出的要素一般被处理成L变量。c.在反馈控制回路中，两个L变量或两个R变量不能直接相连。d.为降低系统的阶次，应尽可能减少回路中L变量的个数，增加辅助（A）变量。DrawingproceduresofFlowDiagram流图绘制程序2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering22024/7/1795SD结构模型建模——商店库存模型示例ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理订货商店工厂销售产品2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering2024/7/1796

商店订货工厂生产商店销售商店库存工厂未供订货生产能力预定产量R1R2A1A2L1―L2R3―+―(―)+++++(―)D1D3L1L2S2A1S1A2D2YR1R3R2D1:期望的完成未供订货时间D2:调整生产时间D3:商店订货平滑化时间S1:平均销售量S2:库存差额Y:期望库存SD结构模型建模——商店库存模型设计.制造.管理Design/Manufacture/ManagementSchoolofMechantronicalEngineeringLanzhouJiaotongUniversity98认识问题环境分析界定系统建立结构模型要素及其因果关系分析建立数学模型仿真分析比较与评价（流图）（DYNAMOY方程）因果关系图定性与定量方法的结合2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineeringModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理123要点回顾2024/7/1799ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理例：因果关系图容器A进水出水水位L1控制流率(决策功能)流率RA流率和水位概念图2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering要点回顾2024/7/17100SDFlowDiagram流图ModelingprincipleofSD系统动力学模型化原理因果反馈回路表达了系统发生变化的原因即反馈结构，但这种定性描述还不能确定使回路中的变量发生变化的机制。为了进一步明确表示系统各元素之间的数量关系，并建立相应的动力学模型，系统动力学方法通过广义的决策反馈机构来描述上述机制。源或汇(环境)决策系统状态有关系统状态的信息2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering2要点回顾2024/7/17101基本反馈回路的DYNAMO仿真分析2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering32024/7/17102DYNAMO语言与模型

基本反馈回路的DYNAMO仿真分析DYNAMO是一种连续系统计算机仿真语言，是DYNAmicMOdel

的缩写；1958年麻省理工学院编制的的工业管理问题的计算机程序SIMPLE（SimulationofIndustrialManagementProblemswithLotsofEquations）的基础上设计的；三重含义：一种语言、一种软件和一段程序编码；DYNAMO模型由两种语句组成：方程式语句（直接用于仿真计算）；命令语句（用于控制仿真过程、输入输出）2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering32024/7/17103基本反馈回路的DYNAMO仿真分析设状态变量集合为X＝[x1，…，xn]T，变化率为R＝[r1，r2，…，rm]T,若R在[t，t+△t]内不变，则X(t+△t)=X(t)+△t·RSD中，DT用△t表示，X(t+△t)、X(t)分别为现在时刻、前一时刻状态值，即Level（现在）和Level（过去），则Level(现在)=Level(过去)+DT(Rin-Rout)其中，R为流入Rin，流出Rout的净流率DTDT．JK．KL前一时刻现在时刻下一时刻JKL基本DYNAMO方程

2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering32024/7/17104基本DYNAMO方程

基本反馈回路的DYNAMO仿真分析水准方程（L方程）—表达了系统中状态积累过程LLEVEL·K=LEVEL·J+DT*(RI·JK-RO·JK)速率方程（R方程）—表达了系统中状态变化速率RRATE·KL=f(L·K,A·K,…)辅助方程（A方程）AAUX·K=g(L·K,A·K,R·JK,…)赋初值方程（N方程）NLEVEL=数值或LEVEL=L10L10=数值常量方程（C方程）CCONST=数值2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering32024/7/17105水准方程L方程式

基本反馈回路的DYNAMO仿真分析用L方程式定义的变量必须用初值方程式给定初始值，例：LPOP.K＝POP.J﹢DT

（BIRTH.

JKDEATH.JK）NPOP＝10000POPR1R2(出生人口)(人口总量)(死亡人口)C1（出生率）C2（死亡率）2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering32024/7/17106速率方程R方程式

基本反馈回路的DYNAMO仿真分析R方程式右边没有固定形式，根据建模思路可归纳为五种基本形式①CONSTLEVEL.K形式，表示状态变量的增加会导致变化率成比例地增加RRATE·KL=f(L·K,A·K,…)RRATE·KL=

CONSTLEVEL.K2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering32024/7/17107速率方程R方程式

基本反馈回路的DYNAMO仿真分析②LEVEL.K/LIFE

形式，其中LIFE表示时间，代表事物处于某一状态的平均“寿命”RRD.KL=RB.K/ALRB被占土地部分RC网点建设RD网点拆毁RB城市商业网点数ELRC对建设进度的影响因子正常建设速度NCFLFO总的网点占地面积AREAALRP每个网点平均占地面积ALRB

网点平均使用周期2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础ManufacturingSystemEngineering32024/7/17108速率方程R方程式

基本反馈回路的DYNAMO仿真分析③（GOAL.KLEVEL.K）ADJTM形式，常数ADJTM表示调整时间，在这段时间内，决策机构企图消除状态值与期望值之间的偏差。RRD.KL=(GOAL.KLEVEL.K)ADJTM偏差决策期望状态系统状态观察值2TheoryfoundationsofMSE制造系统工程的理论基础Manufac