閉環供應鏈協調無模型控制方法及應用研究

摘 要：文章從大系統分析與預測控制的角度，研究了閉環供應鏈大系統環境——經濟雙向協調控制問題。運用動態大系統的相關理論，結合時變系統辨識方法和不依賴于被控對象的自適應控制律（無模型控制律），提出了閉環供應鏈環境——經濟雙向協調無模型控制算法，同時針對閉環供應鏈多輸入多輸出、強耦合且很難解耦的系統，提出了相應的多輸入多輸出非線性系統的無模型控制算法，并較好地將此無模型控制律應用于某紡織服裝閉環供應鏈系統的協調控制中。

關鍵詞：無模型控制；協調控制；閉環供應鏈；大系統

中圖分類號：F274 文獻標識碼：A

Abstract： In this paper， from the perspective of large system analysis and predictive control， the problems on the environmental——economic two-way coordinated control in closed-loop chain large system are studied. On the basis of the related theory of dynamic large system， with the identification method of time-varying system and the adaptive control law independent on the controlled object（model free control law）， the environmental——economic two-way coordinated model free control algorithm in closed-loop chain system is put forward； meanwhile， for the system of MIMO， strong coupling and very difficult decoupling for closed-loop chain， the corresponding model free control for the MIMO nonlinear system is proposed， and the model free control laws are applied to the coordinated control of a textile and apparel closed-loop supply chain system.

Key words： model free control； coordination control； closed-loop supply chain； large system

0 引 言

資源與環境問題一直是人類關注的熱點。自20世紀90年代以來，隨著傳統經濟發展模式向循環經濟發展模式的轉變，學術界、企業界和政府越來越重視以廢舊產品回收再利用為主要特征的閉環供應鏈管理。一方面，由于產品更新換代的加快，產品使用年限縮短[1]；其次，回收的廢舊產品在數量、質量、時間上存在嚴重的不確定性，使得閉環供應鏈較傳統供應鏈更為復雜；第三，閉環供應鏈各節點間既相互協作又互相競爭，同時決策分散[2]。因此，為了實現閉環供應鏈整體經濟與環境的協調發展，對鏈中的供應商、制造商、經銷商以及產品回收商等節點企業的目標進行有效控制就顯得尤為重要。

大量實踐證明，在自動控制理論及應用的發展過程中，建立某些動態系統可以用來設計有效的控制策略的數學模型非常困難，甚至不可能。經典的PID控制只能較好應用于單輸入——單輸出非時變線性系統，智能控制律的設計往往包括緊密依賴于被控對象的專家知識系統和某些推理機構，而閉環供應鏈涉及到各節點的經濟利益、資源的有效利用和環境保護問題等多個方面[3-6]。因此本文通過閉環供應鏈中環境——經濟雙向協調控制問題的研究，運用動態大系統的相關理論，探討閉環供應鏈大系統的協調控制問題，提出閉環供應鏈系統的協調控制模型、系統辨識方法和自適應協調控制算法，并討論閉環供應鏈系統協調無模型控制律問題。

1 閉環供應鏈中環境——經濟系統雙向控制的大系統結構

根據大系統理論的多級遞階結構和多段控制的基本思想[6-14]，對于閉環供應鏈系統，本文設計并建立其協調控制的多級遞階結構如圖1所示。該結構共分為3級，即最高級、中間級和最低級。

最高級為閉環供應鏈協調控制級。通過遞階結構，完成閉環供應鏈系統管理與控制的總任務，實現閉環供應鏈協調發展的總目標。

中間級為閉環供應鏈遞階控制級。通過分析、預測、優化與決策等協調方法，對正向供應鏈子系統與逆向供應鏈子系統進行協調控制，并向上一級（即最高級）傳遞信息，完成全過程控制，從而實現閉環供應鏈系統的協調發展。

最低級為環境經濟基本模擬模型。當它向上（即中間級）傳遞基礎信息時，按經濟系統和環境系統兩個橫斷面，分別選用適當的經濟與環境模型，模擬經濟子系統與環境子系統的狀況，進行環境——經濟系統的評價，并為中間級提供目標要求、各種約束條件及有關數據要求等；同時按中間級的控制要求，通過對供應商、制造商、經銷商、回收商的相關活動如技術改造、原材料成份變化、替代品的開發、新產品開發、廢棄物回收與利用、營銷等手段，向下對經濟子系統和環境子系統進行具體控制。

2 閉環供應鏈中環境——經濟系統協調控制模型及其辨識

2.1 閉環供應鏈系統協調控制模型的結構

閉環供應鏈系統是復雜的離散系統。按復雜系統建模的思想[6-7]，可將整個閉環供應鏈系統分解為兩個子系統（經濟子系統和環境子系統），分別從每個子系統模型入手，進而給出其整體協調模型結構。

3 閉環供應鏈中環境——經濟系統自適應協調控制算法

4 閉環供應鏈系統的無模型控制

如前所述，閉環供應鏈系統包括正向供應鏈和逆向供應鏈，涉及到供應商、制造商、分銷商、零售商、消費者以及回收商等多個節點企業[2]，每個節點企業都有自己的經濟目標和環境目標，同時為了完成閉環供應鏈協調發展的總目標，它們需緊密聯系。因此就閉環供應鏈整體而言，它是一個多輸入多輸出的強耦合且很難解耦的系統，我們可以使用不依賴于被控對象的控制率，來尋求這類多輸入多輸出非線性系統的無模型控制算法。

4.1 擬優勢控制變量

4.2 φk的估計

4.3 無模型控制率

5 閉環供應鏈中環境——經濟系統雙向控制實例

佛山某服裝企業成立于1990年，是一家以生產銷售童裝為主的民營企業。經過20多年的經營，該企業目前與供應商的關系穩固，具有成熟的銷售網絡，與供應商、經銷商之間結成了戰略同盟，共享信息資源，與此同時，該企業從2008年開始，在廢舊服裝回收、利用及廢棄等方面，逐漸建立并形成自己的較為完整的閉環供應鏈。根據該企業2008年到2014年的各項指標數據，按照時變系統的預測方法，可得到以該企業為核心的閉環供應鏈中環境——經濟系統各指標的預測值，如表1和表2所示。

從以上可以看出，采用無模型控制律的控制方法，可以通過降低總資產報酬率、利潤增長率，加大總資產周轉率、銷售增長率、庫存周轉率以及科研開發力度，同時適當增加污染治理資金，提高廢舊紡織品的利用水平，從而使該閉環供應鏈中的環境——經濟雙向控制系統達到預期目標。

6 結 論

本文從分析與預測控制的角度，討論了閉環供應鏈環境——經濟協調控制問題，運用動態大系統的相關理論，結合時變系統辨識以及不依賴于被控對象的自適應律（無模型控制律），提出了閉環供應鏈環境——經濟雙向協調無模型控制算法，同時針對多輸入多輸出的強耦合且很難解耦的系統，提出了相應的多輸入多輸出非線性系統的無模型控制算法。

本系統所提出的算法，邏輯清晰、結構簡單、規范，操作方便，在閉環供應鏈協調控制有著廣泛的應用前景。此外，本文通過以某童服制造為核心企業的閉環供應鏈為實例，介紹了采用所提出的無模型控制方法進行閉環供應鏈協調控制的實際操作過程，將有助于逐步引導閉環供應鏈節點企業按照閉環供應鏈協調發展的要求，充分利用資源，進行低碳生產，實現閉環供應鏈系統的可持續發展。

參考文獻：

[1] Sudip Bhattacharjee， Jose Cruz. Economic sustainability of closed loop supply chains： a holistic model for decision and policy analysis[J]. Design Support Systems， 2015（77）：67-86.

[2] Eleonora Bottani， at el. Modeling and multi-objective optimization of closed loop supply chain： a case study[J]. Computers & Industrial Engineering， 2015（87）：328-342.

[3] 湯兵勇. 一類動態大系統的協調控制模型[J]. 控制與決策，1995，10（2）：104-108.

[4] 韓志剛，等. 無模型控制律[J]. 黑龍江大學自然科學學報，1994，11（4）：1-6.

[5] 韓志剛，等. 多輸入多輸出非線性控制系統的無模型控制律[J]. 黑龍江大學自然科學學報，1995，12（3）：1-7.

[6] 湯兵勇. 市場經濟控制論[M]. 北京：中國環境科學出版社，1997.

[7] 席裕庚. 動態大系統方法導論[M]. 北京：科學出版社，1987.

[8] Frédéric Lafont， et al. A model-free control strategy for an experimental greenhouse with an application to fault accommodation[J]. Computers & Electronics in Agriculture， 2015（110）：139-149.

[9] 鄧敉，丁小東，湯兵勇. 循環經濟下的混合不確定閉環供應鏈協調控制研究[J]. 生態經濟，2007（11）：93-95.

[10] 鄭飛. 閉環供應鏈環境下紡織服裝業組織運作模式[J]. 物流技術，2015（13）：224-226，284.

[11] 張潔，等. 一種非線性系統的自適應無模型預測控制方法[J]. 工業儀表與自動化裝置，2014（1）：9-12，101.

[12] 侯忠生. 再論無模型自適應控制[J]. 系統科學與數學，2014，34（10）：1182-1191.

[13] 韓志剛. 無模型控制律的特征參量分析與估計[J]. 系統科學與數學，2014，34（10）：1159-1171.

[14] 孫劍飛，等. 基于無模型控制的一類宏觀經濟動態控制[J]. 系統工程理論與實踐，2008（6）：45-51.

[15] 湯兵勇，鄭飛. 區域經濟可持續發展的無模型控制[J]. 黑龍江大學自然科學學報，2001，18（3）：30-34.