多重入复杂制造系统的多尺度建模与优化控制研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文多重入复杂制造系统的多尺度建模与优化控制研究学校：上海交通大学院系：机械与动力工程学院班级：A0902092学号：0090209086博士生：何凤兰专业：机械工程（工业工程）导师：董明教授上海交通大学机械与动力工程学院工业工程与物流工程系2014年11月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityMULTI-SALEMODELINGANDOPTIMALCONTROLOFMULTIPLERE-ENTRANTCOMPLEXMANUFA

2、CTURINGSYSTEMSAuthor:FenglanHeSpecialty:MechanicalEngineering(IndustrialEngineering)Advisor:Prof.MingDongSchoolofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaNovember,2014摘要多重入复杂制造系统的多尺度建模与优化控制研究摘要半导体制造系统是多重入复杂制造(MultipleRe-entrantComplexManuf

3、acturing,MRCM)系统的典型代表。随着半导体市场竞争的越来越激烈，客户的个性化需求越来越明显，对交货期的要求也越来越高。因此，用户对企业的要求不再仅仅是提供所需要的产品，而是在最短的时间里提供满足用户个性化需求的产品。为了实时响应客户日益多样化和个性化动态变化的需求量，特别是针对短时间内产品出现剧增或是硅片的增加所带来的影响及长时间尺度上生产系统的优化控制问题,采用常规的技术难以取得良好的优化效果，需要研究一种新的方法来提高生产系统的性能。本文针对MRCM系统提出了一种新型的调度控制策略，它在实际生产运作过程中

4、已经得到了很好的应用，同时为企业解决实时动态控制难题提供了理论依据与实用价值。本文的研究工作主要包括以下几个方面的内容：(1)MRCM系统的连续建模。为了能对MRCM系统的整体性能指标进行评估，同时在长时间尺度上对多产品MRCM系统的优化控制策略奠定基础，建立连续模型当是首选。本文基于基本的连续模型基础之上，为了反映系统中工件的重入程度对系统性能指标的影响，引入重入因子的概念对基本的连续模型进行更新，建立修正的单产品连续偏微分方程（PartialDifferentialEquation，PDE）模型。由于实际半导体芯片制

5、造系统是多种产品同时加工的生产线，为了对该系统的整体性能指标进行评估和优化控制，在此，根据订单紧急度的情况将系统中的产品划分为不同的加工优先级，建立多产品MRCM系统的PDE模型。(2)多产品MRCM系统的最优投料控制策略。投料策略是在长时间尺度上对生产系统进行控制的，例如，满足季节性需求模式或新产品的增加或减少，对整个生产系统的产出率产生影响。为了满足不同种类产品的市第I页上海交通大学博士学位论文场需求情况，实现整个多产品MRCM系统最优投料控制的目的，因此，本文提出了多产品MRCM系统的最优投料控制策略。该策略的控制

6、目标主要为：针对外部市场动态变化的需求量与内部生产供应间的匹配、系统WIP水平等与MRCM系统整体相关的问题，从而提高不同紧急度订单的准时交货率问题。(3)基于推拉调度策略的连续模型。为了从不同的时间尺度上对生产系统的整体性能进行评估，通过改变系统的加工步优先级以更好的控制生产，建立了一种新型的连续模型——基于推拉调度策略的连续模型。建立该模型的关键因素是引入一个控制变量——“推拉点(Push-PullPoint,PPP)”的概念。建立该模型的基本原理是：在推拉点位置前端的生产线采用推式调度策略，同时在推拉点位置后端的生

7、产线采用拉式调度策略。另外，通过数值实例分析在不同的时间尺度上，推拉点位置的改变对生产系统关键性能指标的影响。(4)基于推拉点的调度控制策略。当工厂收到意外订单时，生产系统中的产品将会出现激增或是短时间内硅片的突然增加，在生产能力满足的情况下，为了增加复杂制造系统的柔性并提高其对市场的实时响应能力，提出了基于推拉点的调度控制策略。该策略的控制原理是：在一定的时间间隔之内，通过改变推拉点的位置，使得推拉点下游的在制品数与市场需求量相匹配。然后通过数值实例，从不同的时间尺度上分析了推拉点位置的改变对系统整体性能指标的影响。同

8、时，通过与纯拉式调度策略和纯推式调度策略的数值模拟结果进行对比分析，验证该控制策略的有效性问题。(5)基于推拉点的线性反馈控制策略。为了实时响应客户日益多样化和个性化动态变化的市场需求量，有效处理晶圆厂收到意外订单的情况，提出了基于推拉点的线性反馈控制策略。首先，给出了该线性反馈控制策略的控制原理和具体的求解过程。其