Hierarchical model predictive control of series production plants

This thesis deals with the control of an automated manufacturing plant, the theory behind the control algorithm is Model Predictive Control. The plant under study is a manufacturing system with one or more “nodes”; each node is composed of a first machine which carries out a specific process (machine “M” – Manufacturing) followed by a second machine which is responsible for testing the result of the process just performed (machine “T” – Testing). In the case that a part does not pass the test successfully, it will be moved in a buffer (br) waiting to be reworked by the same machine as before. The plant includes also a heuristic algorithm that has the task to verify at every instant if machine M can work raw parts or if it must do the setup to rework from br. The decision of the heuristic algorithm is determined by the number of parts contained in buffer br, that has to be always smaller than a predefined value. The MPC algorithm, implemented in three different approaches, has the task to decide every instant of time if the parts contained in br have to be reworked; in other words, MPC has the possibility to modify, in real time, the limit value of parts in br. The obtained results show that Model Predictive Control is a good method to control this kind of manufacturing plant, the algorithm designed in this work has the capability to avoid deadlocks and optimize the production time.

Questa tesi si occupa del controllo di un impianto di produzione automatizzato, la teoria alla base dell'algoritmo di controllo è Model Predictive Control. L'impianto in analisi è un sistema di produzione costituito da uno o più "nodi"; ogni nodo è composto da una prima macchina che esegue una lavorazione specifica (macchina “M” - Manufacturing) seguita da una seconda macchina che è responsabile del test del risultato del processo appena eseguito (macchina “T” - Test). Nel caso in cui un pezzo non superi correttamente il test, la parte lavorata difettosa verrà spostata in un buffer (br) in attesa di essere rilavorata dalla macchina precedente. L'impianto include anche un algoritmo euristico che ha il compito di verificare ogni istante se la macchina M può lavorare pezzi grezzi o se deve eseguire la procedura di setup per rilavorare da br. La decisione dell'algoritmo euristico è determinata dal numero di pezzi contenuti nel buffer br, che deve sempre essere minore di un valore predefinito. L'algoritmo MPC, implementato in tre diversi approcci, ha il compito di decidere in ogni istante di tempo se i pezzi contenuti in br devono essere rilavorati; in altre parole ha la possibilità di modificare, in real time, il valore limite che comporta il setup. I risultati ottenuti dimostrano che il Modello Predictive Control è un buon metodo per controllare questo tipo di impianto di produzione, l'algoritmo progettato in questo lavoro ha la capacità di evitare deadlock e ottimizzare i tempi di produzione.