可重构制造系统Petri网控制器自动重构的研究

摘要

可重构制造系统是一类构形可变的新型制造系统，借助于构形的变化，它能方便、快速转为同一产品族内另一产品的生产。作为可重构制造系统的一个重要组成部分，监督控制系统是否能快速重构直接地影响了可重构制造系统的效能的发挥。目前，监督控制系统重构问题的研究处于起步阶段，其中最大的难点在于实现重构过程的快速性和重构结果的有效性。对此，尚无文献提出系统化的、行之有效的重构理论与方法。 本文进行了对可重构制造系统的监督控制器的自动重构理论与方法的研究，并搭建了模拟实验平台，进行了相关的模拟实验研究。主要工作和成果细述如下： 1) 提出了改进的网重写系统 本文首先提出了改进的网重写系统。改进的网重写系统是通过对Badouel和Llorens等人提出的网重写系统进行改进和扩展而得到的。它除继承了网重写系统能够动态地改变Petri网模型结构的特性外，还解决了网重写系统会损害被处理的Petri网模型的行为属性(如活性、有界性或安全性和可逆性)的难题。论文也给出了改进网重写系统维持其初始基础Petri网的行为属性不变的重要定理与推论，以及严格的证明过程。随后，通过两个例子比较说明了改进的网重写系统相对于网重写系统及其子类的优势。 2) 研究了Petri网控制器的自动重构问题 本文提出基于Petri网的监督控制器(简称Petri网控制器)自动重构的概念和思路，以响应、适应可重构制造系统构形的频繁变化。该思路的核心是将制造系统构形的变化连续地形式化，并动态地作用于已有的Petri网控制器，从而实现控制器的不断更新。这里提到的已有的Petri网控制器必须具有模块化的构造，以及各模块之间具有明确的接口。本文将可重构制造系统构形定义为设备集、动作序列集和构形图的三元式，并提出了利用改进网重写系统来综合这样一类Petri网控制器的方法。此后，针对这类可重构的Petri网控制器，提出了基于改进的网重写系统的Petri网控制器自动重构的方法。自动重构方法的核心是重构器和图重写规则自动生成技术。自动生成技术能将可重构制造系统的构形变化连续地转变为改进的网重写系统的图重写规则。这些规则再由重构器动态地作用于已有的Petri网控制器，便使得该控制器自动重构为新的制造系统构形的控制器。综合与重构方法可从理论上保证过程和结果的正确性。仿真研究的结果显示了方法的有效性。 3) 研究了监督控制中故障恢复问题 首次提出分离对待可重构制造系统的正常的操作控制逻辑与响应故障所引起的扰动的处理逻辑的思路。由此，设计或重构正常操作控制的Petri网控制器和设计故障恢复的Petri网逻辑表示可并行地进行，并且故障的恢复可以处理为在运行时对正常Petri网控制器的“局部、动态、临时性”的调整或修改。按照这一思路，本文提出了基于改进的网重写系统的故障恢复方法。使用该方法进行故障处理、恢复，最终并不会破坏原控制器的结构和行为属性。然后，文章提供了两个例子，展示了方法的有效性。 4) 开发了基于Petri网的离散事件仿真与控制软件 为了满足课题研究的需要，本文使用Java语言开发了基于Petri网的离散事件仿真与控制软件。文章提出了基于Petri网的仿真与控制技术的核心一控制Petri网。此外，还详细地介绍了软件的主要特征与结构，并剖析了该软件开发的若干关键技术。该软件具有Petri网建模、分析等功能，能实现离散事件仿真与控制，并且集成了Petri网模型/监督控制器综合与重构的核心算法。 5) 搭建了模拟可重构制造系统监督控制的实验平台并完成了模拟实验研究 以惠鱼公司的工业模型为主体，构建了微型的可重构加工系统，再结合离散事件仿真与控制软件及相关的控制设备，搭建了微型的可重构制造系统监督控制的实验平台。其次，在该实验平台上，完成了微型可重构加工系统仿真、控制、控制综合与重构的一系列实验。实验结果显示了Petri网控制器综合和重构方法的有效性，同时也表明，研制的软件以及搭建的实验平台达到预期的目标。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 背景与意义

1.2 可重构制造系统简介

1.3 离散事件系统监督控制综述

1.4 主要问题与解决思路

1.5 主要工作与章节安排

第2章 Petri网与网重写系统基础

2.1 Petri网

2.2 网重写系统

2.3 网重写系统存在的问题

2.4 小结

第3章 改进的网重写系统(INRS)

3.1 改进的网重写系统定义

3.2 通用的网模块类型

3.3 主要理论结果及证明

3.4 小结

第4章 Petri网控制器综合的研究

4.1 可重构制造系统构形的定义

4.2 基于INRS的Petri网控制器综合方法

4.2.1 子模型构建

4.2.2 模型的综合

4.2.3 资源库所融合

4.3 仿真研究

4.4 小结

第5章 Petri网控制器自动重构的研究

5.1 基于INRS的自动重构机制的研究

5.2 图重写规则的自动生成

5.2.1 移除机器

5.2.2 添加机器

5.2.3 机器之间的逻辑关系的调整

5.2.4 资源占有模式的重构

5.2.5 操作序列的变化

5.2.6 系统产能的变化

5.3 仿真研究

5.4 小结

第6章 基于INRS的故障处理的初步研究

6.1 问题提出与解决思路

6.2 基于INRS的恢复方法

6.2.1 故障恢复的策略与结构

6.2.2 故障恢复方式

6.2.3 故障恢复的主要过程

6.3 仿真研究

6.4 小结

第7章 基于Petri网的离散事件仿真与控制软件

7.1 需求分析

7.2 控制Petri网的提出

7.3 软件的主要特征与结构

7.3.1 软件的主要特征

7.3.2 软件的体系结构

7.4 关键技术的研究

7.4.1 控制Petri网的基本类设计

7.4.2 控制Petri网模型的存取

7.4.3 仿真与控制技术

7.4.4 网络通信功能设计与实现

7.4.5 Petri网模型或控制器的综合与重构

7.5 小结

第8章 模拟实验平台与模拟实验研究

8.1 模拟实验平台的搭建

8.2 模拟实验研究

8.2.1 Petri网控制器综合的实验

8.2.2 离散事件仿真与控制的实验

8.2.3 Petri网控制器重构的实验

8.3 小结

第9章 结论与展望

9.1 结论

9.2 后续工作的展望

参考文献

附录

致谢

作者简介