数字孪生控制体系驱动的联动式生产运作系统在线优态控制机制与方法研究

From the viewpoint of production operation control, the core features of highly dynamic production system can be summed up into the model of Synchronized Production Operation Systems (SPOS). Based on the previous research on the configuration and decision-making methods of SPOS, the online optimal control problem under dynamic environment is investigated. The core control principle has been upgraded from Resilient Control which advocates “real-timely adjust the deviated state of a system to the optimal state” to Opti-state Control which advocates “proactively lead the deviated state of a system to the adaptively optimal state”, and deeply studied its implementation architecture, mechanism and methods. Digital twin architecture is extended from the multi-element model mapping of independent objects to the multi-scale state mapping of synchronized systems, based on which a digital twin control architecture will be established to hold the proposed lifecycle opti-state control mechanism of SPOS. At the same time, ALC (Augmented Lagrangian Coordination) will be extend to a new optimal coordination method being suitable for online control purpose, which enjoy dynamic reconfigurable control architecture and dynamically adjustablility between optimization speed and precision. The extended ALC will act as the online generator of optimal control states and provide parameterized calling service to the SPOS lifecycle opti-state control mechanism. The research output of this project will be tested in leading manufacturing enterprises with both discrete and continuous production modes.

从生产运作控制角度，将可应对高动态性的生产系统核心特征归纳为联动式生产运作系统（SPOS）模型。在前期对SPOS配置结构和决策方法充分研究的基础上，重点研究其在动态性作用下的在线优化控制问题。把控制思想从“实时的将偏离状态及时性调整为理论最优状态”的弹性控制改进为“适时的将偏离状态前摄性引导向适应性最优态”的优态控制，并深入研究其实施架构、机制和方法：将数字孪生从独立对象多要素模型映射向联动系统多尺度状态映射拓展，提出数字孪生控制架构并用于系统性承载面向SPOS全生命周期的优态运行控制机制；同时将可用于大系统优化的ALC方法从“优化层级体系的动态可重构”和“优化‘精度-速度’的动态可调节”的两个方面扩展为符合在线控制要求的新型ALC优化方法，并作为优态控制目标模型的在线生成器被SPOS全生命周期优态控制机制进行在线参数化调用。项目成果拟在采用离散和连续生产模式的大型制造企业进行应用测试。

个性化需求驱动的定制化生产模式下，系统运作过程将不可避免地受到来自于订单、资源、服务等方面的动态性干扰，而如何在动态性干扰下将生产系统的性能表现维持在理想状态一直是本领域着重关注的问题。针对开放式资源支撑下的联动式生产运作系统（SPOS）在规范化控制架构、适应性控制机制和在线性优化方法等方面呈现的紧迫需求，本项目重点研究了数字孪生控制体系驱动的联动式生产运作系统在线优态控制与方法问题。首先，从生产运作控制角度，将可应对高动态性的生产系统核心特征归纳为了SPOS模型，并面向SPOS全生命周期管控阶段建立了多尺度状态感知与控制模型，将经典的数字孪生映像体系扩展为了符合在线控制需求的数字孪生控制体系；然后，提出了面向SPOS全生命周期运行控制的在线优态控制机制以及该机制下的多级联动策略，并将该机制无缝导入数字孪生控制架构，以实现孪生状态的精确映射和运控机制的结构化承载；最后，将大系统协调优化的ALC方法从“优化层级体系的动态可重构”和“优化‘精度-速度’的动态可调节”的两个方面扩展为了符合在线控制要求的新型ALC优化方法，并作为优态控制目标模型的在线生成器被SPOS全生命周期优态控制机制进行了在线参数化调用。本项目建立了SPOS的多尺度状态感知与控制架构，在优态控制的思想下实现了联动执行状态向联动控制状态的适时性、前摄性、系统性引导与控制，并通过高效的优化协调方法确保了在线优态控制的定量化效率和效果。通过将上述在线优态控制方法成功应用于包括一家涂料化工生产企业和空调制造企业的多家国内知名企业，验证了本项目所提出的整体在线优态控制机制与方法的有效性，为实现工业4.0战略倡导的智能调控生产运作过程提供了科学的理论依据与高效的方法支撑。