Inventory Control in Supply Chains: An Internal Model Control Approach

Abstract

Esta tesis se basa en el diseño de estrategias de gestión de inventario en cadenas de suministro usando la teoría de control. El principal objetivo es proponer un esquema de control para resolver los principales problemas que aparecen en el controla gestión de inventario de una cadena de suministro (incertidumbre en el retardo, el efecto látigo y el déficit de inventario). Este objetivo principal se divide en dos objetivos: 1. La neutralización de los efectos causados por el retardo de entrega de un pedido. 2. Diseño de políticas de inventario que permitan un balance entre el rechazo a la perturbación (demanda) y el seguimiento del inventario objetivo. Dado que el esquema de control por modelo interno (IMC) permite tratar los objetivos (1) y (2) bajo el mismo paradigma de control, pero de una manera disociada, éste se presenta en esta tesis como una nueva política de reposición de inventario en cadenas de suministro. Sin embargo, el IMC requiere el conocimiento del retardo para compensar sus efectos. Esta situación no es viable cuando el retardo cambia durante el proceso, situación común en las cadenas de suministro. Por lo tanto, la investigación empieza con la identificación del retardo. Así, en esta tesis se formula un algoritmo de identificación que permite estimar el verdadero valor de los retardos de la cadena de suministro. Estos valores se utilizan para adaptar el bloque de retardos en el esquema de control. De ese modo, el objetivo (1) se finaliza. El objetivo (2) se basa en el diseño de los controladores del esquema IMC. El objetivo de los controladores de IMC es mantener los niveles de inventario de la cadena de suministro cerca del inventario objetivo mitigando el efecto látigo. Cada entidad de la cadena de suministro puede operar en varios modos de trabajo durante el tiempo: suministro infinito y suficiente existencia, (SISE), suministro infinito y Bajas existencia, (SIBE), Suministro limitado, (SL). Cuando el tiempo de espera es demasiado largo y existe incertidumbre en la demanda, muchas empresas optan por utilizar una estrategia de inventario de seguridad para garantizar la satisfacción de la demanda del cliente. En virtud de esta estrategia de la cadena de suministro está siempre en el modo de trabajo (SISE). Cuando el inventario es insuficiente, la cadena de suministro puede trabajar en cualquiera de los modos de trabajo (SISE), (SIBE) o (SL). Por lo tanto, comenzamos proponiendo el diseño del sistema de control para una cadena de suministro bajo la estrategia de inventario de seguridad (SISE). El diseño está basado en las directrices del esquema IMC en el cual se realiza un balance entre la mitigación del efecto látigo y el seguimiento del inventario. Después de eso, el sistema de control se diseña para una cadena de suministro trabajando sin inventario de seguridad (es decir, en cualquier modo de funcionamiento (SISE), (SIBE) o (SL)). Por lo tanto, se propone un sistema de control de inventario conmutado bajo la estrategia de control descentralizado. Este consiste en un banco de controladores diseñados para cada posible caso de funcionamiento de cada entidad y una lógica de conmutación que selecciona el mejor controlador en cada instante de tiempo. Así, el objetivo (2) está terminado.

This thesis relies on the design of inventory management strategies in supply chain systems by using control theory approaches. The main objective is to propose a control scheme to solve the principal problems appearing in the inventory control of the supply chain (uncertainty in the lead time, the bullwhip effect and the inventory drift). This objective is divided in two particular objectives:

1. On the one hand, the counteraction of effects caused by the existing delay between the time at which an order is placed on the immediate supplier and the moment at which the petition is satisfied. 2. On the other hand, the design of inventory policies allowing a trade-off between the disturbance (demand) rejection and the inventory target tracking.

Since the internal model control scheme (IMC) allows to tackle the objectives (1) and (2) under the same paradigm of control but in a decoupled way, the IMC scheme is presented in this thesis as a novel inventory replenishment policy for the entire supply chain. Nevertheless, the IMC requires the perfect knowledge of the lead time to compensate its effects. This situation is not viable when the delay changes during the process which is a common situation in supply chains.

Hence, first of all, the research is focused on the identification of the lead time. As a result of this part of the research, an identification algorithm that allows to estimate the actual delay values of the entire supply chain at each time interval is formulated. The estimated delay values are used to adapt the delay block in the control scheme. Thereby, the particular objective (1) is finalised.

The objective (2) relies on the design of the IMC scheme controllers. The aim of the IMC controllers is to keep the inventory levels of the supply chain close to the inventory target mitigating the bullwhip effect. Each echelon of the supply chain may operate under several working modes during the time: Infinite Supply and High stock, (ISHS), Infinite Supply and Low Stock, (ISLS), Limited Supply, (LS). When the lead time is too long and there exist uncertainty in the demand level, many companies choose to use a safety stock strategy to assure the customer demand satisfaction. Under this strategy the supply chain is always in the (ISHS) working mode. When the stock is insufficient, the supply chain may work under any of (ISHS), (ISLS) or (LS) working modes.

Therefore, we start proposing the design of the control scheme for supply chain under safety stock strategy (ISHS). The design is based on the IMC guidelines where a trade-off between the bullwhip effect avoidance and inventory tracking is carried out, which is the second objective of the research. After that, the control scheme is designed for a supply chain working without safety stock (i.e. under any working mode (ISHS), (ISLS) or (LS)). Therefore, we propose a switched inventory control system for a serial multivariable supply chain under decentralized control strategy. This consists in a bank of controllers designed for each possible operation case of each echelon and a switching logic that selects the best controller at each instant time. Thus, the objective (2) is finalised.