面向对象Petri网在FMS控制系统设计中的应用研究

摘要

柔性制造系统(FMS)是一种高度自动化的制造系统,代表着制造系统的发展方向.作为FMS核心部件的运行控制软件,对FMS的性能起着决定性的作用.本文探讨用建模和仿真的方法研究FMS系统设计的正确性及控制软件编写的方法.本文首先讨论了FMS控制结构的三种发展历程,通过对集中控制、递阶控制和协同控制的比较并结合目前工业生产中的应用,确定本课题的研究对象——固高公司小型FMS采用递阶控制结构,并对FMS的硬件组成以及系统的功能和布局进行了介绍.为了对FMS建模和仿真,引入面向对象Petri网(OPN)理论.首先从基本Petri网入手,阐述了Petri网用于FMS建模的机理并给出了形式化定义.为了扩展Petri网对模型的描述能力,引入了面向对象机制,将基本Petri网扩展为OPN.最后介绍了OPN在FMS建模中应用的五个性质:可达性、活性、守恒性、有界性和安全性.利用OPN理论对FMS建模,首先按照面向对象的观点将整个系统划分为立体仓库类、输送线类、机器人类和机床类.在FMS静态分析阶段,确定了将类对象映射为OPN模型的规则并建立了类对象的OPN模型;在动态分析阶段确定了将类对象转化为对象通信网(OCN)模型的转化规则,并利用不变量分析法验证了所得的OCN模型的正确性.最后确定了将FMS类对象的OPN模型转化为统一建模语言(UML)结构图和状态图的规则,并以机床类对象为例,利用该规则编写了机床控制软件框架.单元控制器处理FMS中的所有消息,而这些消息可以利用各个类对象OCN模型中的G变迁获得,因此本文给出了编写单元控制器软件的一种方法.最后利用VC语言编写了单机仿真软件.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题的背景及来源

1.2柔性制造系统建模和仿真的研究现状

1.2.1柔性制造系统概述

1.2.2 FMS建模和仿真的必要性

1.2.3 FMS建模和仿真的主要方法

1.2.4 Petri网用于FMS建模和仿真的研究现状

1.3 FMS控制系统的演变与发展

1.4本课题的主要研究内容

第2章FMS控制系统的分析设计

2.1 FMS控制系统的组成及功能

2.2 FMS控制结构的选择

2.3 FMS的分析与设计

2.3.1 FMS硬件组成及布局

2.3.2 FMS控制结构设计

2.4本章小结

第3章OPN及其在FMS建模中的应用与研究

3.1基本Petri网理论及其缺陷

3.1.1条件和事件

3.1.2 Petri网的图形表示

3.1.3 Petri网的基本概念

3.1.4基本Petri网模型的缺陷

3.2面向对象方法及其缺陷

3.3面向对象Petri网

3.3.1面向对象Petri网的形式化定义

3.3.2面向对象Petri网的性质及其在FMS建模中的应用

3.4面向对象Petri建模的特点和步骤

3.5本章小结

第4章FMS的OPN模型设计与分析

4.1基于OPN的制造系统集成建模

4.2 FMS的静态分析

4.2.1机床类对象OPN模型

4.2.2立体仓库类的OPN模型

4.2.3输送线类对象的OPN模型

4.2.4机器人类对象的OPN模型

4.3系统的动态分析

4.3.1机床类对象的OCN模型

4.3.2立体仓库类对象的OCN模型

4.3.3输送线类对象的OCN模型

4.3.4机器人类对象的OCN模型

4.4本章小结

第5章单机仿真软件设计与开发

5.1从OPN模型到UML模型的转换

5.1.1UML简介

5.1.2从OPN模型到UML模型的映射规则

5.2单机仿真软件的功能及编程语言的选择

5.2.1软件的功能

5.2.2编程语言的选择

5.3单机仿真程序的实现

5.3.1系统配置模块的实现

5.3.2网络监控模块的实现

5.3.3生产调度模块的实现

5.3.4物料管理模块的实现

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢