基于Petri网的自动制造系统去中心化监督控制策略研究

作     者：侯钧耀 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡核算

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 081202[工学-计算机软件与理论] 080201[工学-机械制造及其自动化] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：Petri网 去中心化 监督控制系统 

摘      要：离散事件系统(Discrete Event System,DES),是一种以事件驱动的动态系统,用来描述自然界和工程界的许多现象与流程。在离散事件系统中需要对其系统的状态进行约束以确保系统状态符合预期。对于不符合预期的状态,称其为禁止状态。本文的研究对象是自动制造系统(Automated Manufacturing System,AMS),由于其拥有离散事件驱动的特性,通常也被归类为离散事件系统。在自动制造系统的活性监督控制中,禁止状态被定义为死锁状态以及不可避免的发展为死锁的状态。由于在工业实践中,自动制造系统往往是具有相当规模的,不同加工进程之间可能会竞争使用有限的资源,进而产生死锁。针对死锁问题的研究,一直是自动制造系统中的热点。本文所研究的监督控制就是指对系统的监控,通过设计合理的、离散的监督控制系统让系统远离禁止状态。在系统的描述方式和建模工具上,本文选择了Petri网,因为Petri网具有随机性,并发性,结合其图形表达和数学分析,能更好的描述此类系统。在Petri网的体系中,广义互斥约束(Generalized Mutual Exclusion Constraint,GMEC),是一种以线性不等式形式出现的控制规范。在此种规范下,满足不等式的状态称为合法状态,反之为禁止状态。为了让系统远离禁止状态,本文选用基于库所控制的监督控制器,根据状态的合法性直接对系统施加控制。监控器的设计需要考虑诸多方面,比如尽可能多的保留系统的许可行为,同时尽可能的减少引入监控器的个数。在传统监控器的实现中,需要一个中心监控器接收状态和下达控制策略。但这种方式在一个复杂的监督控制系统中会产生大量的通信流量,同时控制库所的物理分布也会对实际系统的设计带来额外成本。对此,本文在监督控制器设计中引入去中心化(Decentralized)的设计思路。针对Petri网的活性控制,结合代数与几何学中的知识,设计出一种较为普遍的约束转换算法。算法可以将当前约束转换为任意的期望约束形式。本文还利用约束转换算法设计出了满足去中心化特性的监督控制器策略。本文的主要成果如下:(1)从代数与几何的角度提出了一种针对广义互斥约束的约束转化算法。算法避免了离散状态的遍历与判断,根据连续不等式组形成的凸可行域的体积作为系统包含合法状态数量的量化标准,结合非线性规划设计出一种可以将指定约束转换为任意的、低维度的期望不等式组约束的算法。(2)结合约束转化算法,详细推导与分析了去中心化监控器的约束策略优化。对库所数不超过三的广义互斥约束,给出了一个完整的例子诠释去中心化监督控制器的约束转换的过程,结合几何分析使得结果更加直观。并且还设计对照组实验,试图归纳出不同广义互斥约束与最优的期望约束形式间存在的一般指向性规律。(3)探究了高维、复杂约束的去中心化监督控制器的策略转化实现。针对高维约束转换中的难点提出了自己的算法与定义。包括:给出了高维GMEC的完整转换思路;设计了高维约束组的可行域顶点算法;给出了高维约束组的可行域体积的定义;提出了基于切割组合n维单形体的高维可行域体积算法;对切割算法的改进;并对所有算法给出了仿真与验证。结果也说明了,本文针对在复杂的多库所情况下的完整去中心化监督控制器实现方案在理论上是可行的。