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基于Petri网的广义互斥约束转换算法研究

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基于Petri网的广义互斥约束转换算法研究

作者：谢晋浙江大学

学位级别：硕士

离散事件系统(Discrete Event System,简记为DES)是一种由事件而非时间驱动的动态系统。和连续时间系统一样,离散事件系统也需要对状态进行限制以使系统的状态符合预期。不符合预期要求的状态为禁止状态,如自动驾驶车辆系统中车辆的碰... 详细信息

离散事件系统(Discrete Event System,简记为DES)是一种由事件而非时间驱动的动态系统。和连续时间系统一样,离散事件系统也需要对状态进行限制以使系统的状态符合预期。不符合预期要求的状态为禁止状态,如自动驾驶车辆系统中车辆的碰撞、柔性制造系统中的死锁等。禁止状态的监控,就是为离散事件系统设计监控器使得闭环系统不进入禁止状态。尽管也可以使用自动机和形式语言等来研究离散事件系统的监控问题,但是Petri网在描述系统状态和并发特性等方面具有得天独厚的优势,因此本文采用Petri网作为建模工具来研究离散事件系统在广义互斥约束(Generalized Mutual Exclusion Constraint,简写为 GMEC)下的监控问题。Petri网中变迁全部可控情况下的禁止状态监控器设计已经有很多有效的方法。但对于Petri网中含有不可控变迁情况,合法标识可能通过一些不可控变迁的激发到达禁止标识,这使得监控问题变得错综复杂和困难。本文的研究重点是对象Petri网在含有不可控变迁的情况下,将要施加的GMEC转换为最大允许的约束,使得转换后的约束表示的合法标识都不会通过不可控变迁的激发到达禁止标识,这样后续再设计监控器就会简单容易很多。本文的主要研究工作概述如下:1.针对Petri网的不可控影响子网为FSFCF网、要在对象的Petri网上施加GMEC,我们首次提出"库所的分支"的概念,用来分析有多个输出变迁的库所中的托肯的流向和这样的结构对初始GMEC造成的影响。基于FSFCF网的结构,对不可控影响子网中的库所进行分类;通过分析研究FSFCF网不同结构下的性质,得到各类库所的等效权重;最后,将原始GMEC中库所前面的系数换成对应的等效权重,就完成了初始GMEC向最大允许约束的转换。2.针对Petri网的不可控影响子网中有环、库所有多个输出变迁的情况,要在对象的Petri网上施加GMEC,我们首次提出"Petri网的层次"的概念,用来对不可控影响子网中的库所进行分层;还对增量函数、最大增量函数和最大总量函数的概念进行了扩展,以分析不可控变迁对系统状态的影响并将其量化体现在广义互斥约束中;按照自底层向顶层的顺序,分析计算不可控影响子网中各层库所的最大增量函数;最终,计算完不可控影响子网中所有层次的库所的最大增量函数并将其加进初始GMEC,也就完成了将初始GMEC向最大允许约束的转换。我们还用了具体的例子对这两种约束转换算法进行了阐述和说明。

关键词：离散事件系统 Petri网广义互斥约束约束转换 FSFCF网最大增量函数

基于析取型广义互斥约束的Petri网控制器结构简化

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基于析取型广义互斥约束的Petri网控制器结构简化

作者：王慧霞西安电子科技大学

学位级别：硕士

在当今工业化飞速发展的时代,工程项目的复杂性日益增加,为了使系统按照工业化需求进行生产,必须设计出优良的监督控制系统,这样不仅可以预防系统的死锁,也可以在有限的生产成本下提高系统生产效率。Petri网是一种描述离散事件系统的建... 详细信息

在当今工业化飞速发展的时代,工程项目的复杂性日益增加,为了使系统按照工业化需求进行生产,必须设计出优良的监督控制系统,这样不仅可以预防系统的死锁,也可以在有限的生产成本下提高系统生产效率。Petri网是一种描述离散事件系统的建模工具,可以对复杂制造系统进行描述与分析,并直观阐述制造过程中的诸多系统特性。监督控制理论是离散事件系统的一个重要研究分支,广义互斥约束（GMEC）作为离散事件系统监督控制理论中一种重要的控制需求规范,在1992年由Giua等人提出,主要研究系统状态的监控问题。在Petri网离散事件系统理论中,对于监督控制器的设计主要是依据广义互斥约束规范。此约束规范主要分为两种类型,由单个的广义互斥不等式约束的合取组成的规范称为合取型约束规范。由单个的广义互斥不等式约束的析取组成的规范称为析取型约束规范。前人的工作主要研究了依据合取型约束规范设计的控制器结构如何进行简化,对于析取型约束规范设计的控制器在结构简化这方面研究比较少。因此,本文提出了一种基于析取型广义互斥约束Petri网控制器的简化方法。本文提出的简化算法主要从约束规范不等式方面以及不等式之间的逻辑关系进行分析。主要完成的工作如下:1.通过分析有限个数的析取型约束不等式规范的构成,结合四变量卡诺图的逻辑函数化简原理,总结了四变量以内卡诺图可能出现的所有简化结果。之后将其映射到约束规范简化过程,通过减少不等式约束的个数或者改善约束的连接形式来简化析取型约束不等式,提出了低维约束卡诺图简化算法。2.在低维简化的基础上,分析析取型约束不等式组中不等式个数大于四的情况。根据约束不等式中的库所变量是否一致来进行区域划分,通过比较不等式规范组成的约束空间来简化高维析取型约束不等式,提出了高维分区简化算法。这一算法结合了析取型约束规范控制器的设计过程,使得监督控制策略能够更有效实施。最后进行案例分析,从约束不等式的连接形式、连接弧数目以及库所变量个数方面来分析应用算法前后控制规范设计的监督控制器的简化情况。本文通过对广义互斥约束规范的深入研究,基于库所变量的行为提出对应的简化方法,为分析析取型广义互斥约束问题提供了新的思路。在实际工厂应用中,致力于用更简便的控制器结构达到预期的控制策略,简化系统实施复杂度,同时节省系统资源。

关键词： Petri网广义互斥约束监督控制器控制器结构简化

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基于约束转换的Petri网最优监控器设计

浙江大学学报（工学版） 2013年第11期47卷 2051-2056,2072页

作者：罗继亮王飞邵辉赵良煦华侨大学信息科学与工程学院福建厦门361021 浙江工商大学信息与电子工程学院浙江杭州310018

针对不可控影响子网为后向无同步前向无冲突网的广义互斥约束,给出基于约束转换的最优监控方法:根据路径代数法研究后向无同步前向无冲突网的结构,得到与可达性分析相关的若干性质;其次,根据这些性质得到约束转换算法,它将给定约束等价... 详细信息

针对不可控影响子网为后向无同步前向无冲突网的广义互斥约束,给出基于约束转换的最优监控方法:根据路径代数法研究后向无同步前向无冲突网的结构,得到与可达性分析相关的若干性质;其次,根据这些性质得到约束转换算法,它将给定约束等价转换为一组"逻辑或"的允许的广义互斥约束;根据允许约束的性质,得到允许监控器存在性的充要条件和最大允许状态反馈控制策略的表达式,分析结果表明,该策略的在线计算能够在多项式时间内完成,及它能够满足实时性的要求;利用一个制造系统的实例演示了该监控方法.

关键词：离散事件系统 Petri网监控广义互斥约束

改进的部分可观Petri网系统在线故障诊断器设计

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控制理论与应用 2015年第7期32卷 866-872页

作者：刘久富刘文良周建勇刘海阳王志胜刘春生南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016 东南大学电子科学与工程学院江苏南京210096

本文研究部分可观Petri网建模的离散事件系统的故障检测问题.针对现有的部分可观Petri网系统的在线故障诊断器存在故障诊断率较低的缺陷,本文提出了整数线性规划与广义互斥约束集成的部分可观Petri网系统在线故障诊断改进算法.假定部分... 详细信息

本文研究部分可观Petri网建模的离散事件系统的故障检测问题.针对现有的部分可观Petri网系统的在线故障诊断器存在故障诊断率较低的缺陷,本文提出了整数线性规划与广义互斥约束集成的部分可观Petri网系统在线故障诊断改进算法.假定部分可观Petri网系统的结构与初始标识为已知,故障被建模为不可观变迁.首先,算法需要观测接收事件序列,求解部分可观Petri网的整数线性规划问题,算法对系统的故障进行初步诊断.初步诊断为不确定诊断的情形,采用广义互斥约束的方法进行诊断.最后,通过离散事件系统实例分析,采用本文的算法,故障诊断率显著提高,验证了算法的有效性.

关键词：故障诊断部分可观Petri网整数线性规划广义互斥约束

S^3PR网的一种最大许可活性监督控制器设计方法

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计算机集成制造系统 2013年第7期19卷 1548-1552页

作者：闫明明赵咪电子科技大学机电工程学院四川成都610054 石河子大学机械电气工程学院新疆石河子832003

针对S3PR网的死锁预防问题,提出一种基于信标的最大许可死锁控制策略。采用迭代方法对网系统中存在的所有可清空严格极小信标添加一组广义互斥约束,使信标的标志数不超过某个上限值,将基于信标的死锁预防控制转化为禁止状态监控问题,使... 详细信息

针对S3PR网的死锁预防问题,提出一种基于信标的最大许可死锁控制策略。采用迭代方法对网系统中存在的所有可清空严格极小信标添加一组广义互斥约束,使信标的标志数不超过某个上限值,将基于信标的死锁预防控制转化为禁止状态监控问题,使得受控网系统的所有禁止状态不可达,从而保证受控网具有最大许可行为。通过柔性制造系统实例验证了该策略的有效性,该算法尤其适用于结构相对简单的可达状态性能要求比较高的网模型。

关键词：柔性制造系统死锁预防 Petri网信标广义互斥约束

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柔性制造系统中混惑检测及控制

小型微型计算机系统 2017年第4期38卷 906-912页

作者：龙章潮叶剑虹易科华侨大学计算机科学与技术学院福建厦门361021 新泽西理工学院电子与计算机工程系美国新泽西州纽瓦克nj07102

并发和冲突在柔性制造系统中是普遍存在的,当并发和冲突混合在一起时,使人无法从系统可达图相同的终态观测到是否有冲突发生过,系统的这一特征称为混惑,存在混惑的系统不是一个好的系统,不便于对系统施加外部控制.为了解决这一问题,本... 详细信息

并发和冲突在柔性制造系统中是普遍存在的,当并发和冲突混合在一起时,使人无法从系统可达图相同的终态观测到是否有冲突发生过,系统的这一特征称为混惑,存在混惑的系统不是一个好的系统,不便于对系统施加外部控制.为了解决这一问题,本文首先分析了存在混惑的柔性制造系统在结构上存在的关系,提出了基于关联矩阵的混惑结构检测方法;然后,提出基于广义互斥约束的监控器构造方法,并把设计的监控器,预先施加在每个混惑子网上,在系统运行过程中,混惑子网出现混惑导致冲突时,监控器有效,进行混惑控制.最后,通过一个柔性制造系统实例对提出的混惑检测方法及控制策略进行仿真,以验证所提方法的正确性和有效性.

关键词： Petri网柔性制造系统混惑检测混惑控制广义互斥约束

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部分可控Petri网的最优监控器设计

控制工程 2017年第5期24卷 991-997页

作者：高蕾武书彦孙燕周建勇于杰刘久富河南信息统计职业学院信管系郑州450008 河南牧业经济学院信息工程系郑州450011 南京航空航天大学自动化学院南京210016

研究了部分可控Petri网的码垛机器人零件加工系统最优监控器设计的问题。为了保证广义互斥约束满足静态规范和行为规范,提出了部分可控Petri网的最优监控器的方法,探寻出以线性不等式的形式表示的初步约束集,通过可达性分析和初步约束... 详细信息

研究了部分可控Petri网的码垛机器人零件加工系统最优监控器设计的问题。为了保证广义互斥约束满足静态规范和行为规范,提出了部分可控Petri网的最优监控器的方法,探寻出以线性不等式的形式表示的初步约束集,通过可达性分析和初步约束集建立可达树得出合法标识集和有界非法标识集,对分离出的标识建立混合整数线性规划模型,运用分支边界法得到最大允许度且最少数量的广义互斥约束集作为最优监控器。以含不可控变迁的码垛机器人零件加工系统为例,建立了部分可控Petri网模型,结合零件加工过程中机器人的占用和释放环节,对应用Petri网在机器加工系统的最优设计进行了研究,应用监控器生成算法设计的监控器拥有更严格的约束和更简化的模型,验证了该算法的有效性。

关键词：部分可控Petri网监控器不可控变迁广义互斥约束

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自动制造系统的复杂控制约束简化

自动制造系统的复杂控制约束简化

作者：刘思乐西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着自动制造系统的工业化需求日益复杂,产品对于工艺的复杂性要求也不断提高。为了在有限的生产成本和时间下提高工件的生产效率,需要对监督控制系统进行精心设计,才能预防受控系统的故障问题。Petri网具有随机性和并发性,结合图形的表... 详细信息

随着自动制造系统的工业化需求日益复杂,产品对于工艺的复杂性要求也不断提高。为了在有限的生产成本和时间下提高工件的生产效率,需要对监督控制系统进行精心设计,才能预防受控系统的故障问题。Petri网具有随机性和并发性,结合图形的表达,可以更好地分析自动制造系统。因此在描述系统的建模工具上,本文选择了Petri网对离散事件系统的监督控制理论进行研究,其中广义互斥约束作为一种重要的控制策略规范,是设计Petri网监督控制器的理论依据。广义互斥约束以线性不等式的形式出现,将满足受控系统控制需求的标识称为合法标识,反之为禁止标识。根据约束规范之间的连接方式,将不等式组分为三类:合取型广义互斥约束,析取型广义互斥约束以及复杂的合取-析取型广义互斥约束。本文基于经典的合取型约束规范控制器结构,针对减少控制器中监视器库所的数量以及构建复杂的析取型约束规范的控制器结构的问题,对约束规范之间的关联性进行分析,提出了监督控制器的简化和设计思路,主要完成的工作如下:1.将约束规范按照符号类型分为两类:受控库所包含的托肯数不超过b个和受控库所的托肯数至少包含b个,分析识别约束规范的独立性和从属性,剔除冗余的从属约束规范,提出相应的识别算法和简化算法,简化控制器的结构。2.阐述了合取型广义互斥约束、析取型广义互斥约束和合取-析取型广义互斥约束的定义,针对复杂的合取-析取型约束规范的简化问题,提出了将逻辑函数的公式简化法映射到简化的约束规范的思路,通过改变约束规范之间的连接方式以及降低连接弧数目的复杂度来改善控制器的结构。3.在简化复杂的合取-析取型广义互斥约束时,针对约束规范之间的析取组成无法被轻易简化的问题,提出了析取型控制器的构建算法。算法结合了自环的特点,将Petri网的有界性扩展到广义互斥约束的有界性中,在保持约束规范的连接方式仍是析取型的关系的同时,满足系统的控制需求。其次,引入标签Petri网的概念,优化析取型广义互斥约束所对应的合法标识集,使得监督控制器可以选择的逻辑条件更加全面,并通过案例分析,来验证其正确性。

关键词： Petri网广义互斥约束控制器结构简化合取-析取型约束规范

基于Petri网的柔性制造系统混惑检测与控制

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基于Petri网的柔性制造系统混惑检测与控制

作者：龙章潮华侨大学

学位级别：硕士

柔性制造系统中存在并发和冲突是不可避免的。当并发和冲突同时存在于柔性制造系统中时,无法从系统相同的最终状态观测到是否有冲突发生过,这一现象称为混惑。在柔性制造系统中,这种冲突出现的不确定性会导致用户决策失误,并有可能造成... 详细信息

柔性制造系统中存在并发和冲突是不可避免的。当并发和冲突同时存在于柔性制造系统中时,无法从系统相同的最终状态观测到是否有冲突发生过,这一现象称为混惑。在柔性制造系统中,这种冲突出现的不确定性会导致用户决策失误,并有可能造成严重的经济损失。在此背景下,本文在提出混惑检测算法的基础上,运用抑止弧和广义线性约束,还提出了两种不同的柔性制造系统中混惑控制策略。混惑子网是混惑的载体,混惑是混惑子网在有效标识下的动态行为,混惑子网的动态行为可以通过混惑子网结构和有效标识进行描述与分析。如何快速高效的找到混惑子网结构,成为混惑分析和控制的首要任务。本文提出了两种不同的在混惑子网结构检测算法,第一种混惑子网结构检测算法,根据混惑的基本结构特征,首先排除了一些从结构上就不可能出现混惑的库所和变迁,然后在最有可能出现混惑的库所和变迁中去寻找混惑,从而降低了检测混惑的时间复杂度。第二种混惑子网结构检测算法,把Petri网系统用关联矩阵表示,给出了冲突和并发变迁在关联矩阵中的判定定理,并给出了相关的证明,随后提出了基于关联矩阵的混惑子网结构检测算法。在检测出混惑子网结构的基础上,本文也提出了两种不同的混惑控制方案,第一种方案,向Petri网系统中添加抑止弧,改变变迁的发生规则,抑制产生混惑的变迁的发生,能够确保当混惑出现时能够消解。第二种方案,按照预先定义的控制策略,用广义互斥约束的监控器构造方法进行监控器的设计,并把设计的监控器,预先施加在网系统中的各个混惑子网结构中,这些监控器可以保证在系统运行过程中,只有在混惑子网结构出现相应的标识导致混惑时,监控器才有效,进行混惑控制。在本文中,通过柔性制造系统实例对提出的混惑检测方法及控制策略进行仿真实验,结果表明,本文提出的混惑检测算法能够正确的检测出混惑子网结构,提出的混惑控制方案,使得到达系统相同终态的变迁发生序列是唯一的,从而对混惑进行消解。

关键词：柔性制造系统混惑检测混惑控制广义互斥约束