自动制造系统中最大许可的分布式控制策略研究

摘要

死锁是实现自动制造系统安全性、可靠性及其它控制目标时首先必须考虑和解决的问题。一般而言，死锁会造成部分乃至整个系统的停顿，从而产生重大经济损失甚至灾难性后果。因此，对于自动制造系统死锁的描述、分析和控制一直是国际上研究的热点和难点问题。当前，研究自动制造系统死锁问题的主要方法有图论、形式语言、自动机及Petri网。由于Petri网的可构造性、灵活性和并发性等特性，受到研究者的广泛关注。
　　行为许可性、计算复杂性和结构复杂性是活性控制器设计的三个重要指标。为保障自动制造系统正常有效地运行，最近二十年来，人们提出了许多基于Petri网的死锁控制策略。这些控制策略分为集中式和分布式。集中式策略需要提前遍历整个系统网结构来构造控制器。然而，对于大规模的制造系统，由于状态爆炸问题，这类方法将变得不再适用。不同于集中式策略，分布式策略不需要遍历整个系统网，只需通过一系列局部控制器，利用离散化的方式确保系统安全地运行，能有效降低系统Petri网活性控制器设计的复杂性。本文提出一种全局无死锁分布式步长控制策略。首先，利用离散事件系统仿真软件计算Petri网模型的全局无死锁步长；然后，结合向前预测的方法，在局部范围内做出控制决策，从而保证系统无死锁地运行。该策略采用局部预测的分布式控制方式，不需要任何全局信息，从而大大地降低了系统的计算复杂度。同时，使用本文所提出的控制策略，能够实现系统的最大许可行为。论文的主要研究工作与成果如下：
　　（1）基于系统可达图，利用逆推的方式得到死锁状态距离临界状态的最远距离（变迁发射次数最多），提出了全局无死锁最优步长的概念。
　　（2）将全局无死锁最优步长算法应用于具有柔性路径的自动制造系统(FS4R)中，利用向前预测的思想，提出了一种分布式死锁避免控制策略。在求得的全局无死锁最优步长LM范围内，控制器预测后续加工路径是否有死锁状态出现，以此限制相关变迁的发射，从而实现系统的最大许可行为。
　　（3）利用离散事件仿真平台SIMIPN进行仿真并验证，结果表明本文所提出的分布式死锁避免控制策略能够实现自动制造系统的最大许可行为控制。
　　本文的研究工作及成果对自动制造系统死锁控制具有一定的理论意义和工程应用价值。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文完成的主要工作

第二章 Petri网基本理论

2.1 Petri网的基本定义

2.2 Petri网的动态性质

2.3结构不变式

2.4信标和陷阱

2.5自动制造系统的Petri网建模

2.6小结

第三章 许可性与最优步长

3.1许可性

3.2全局无死锁最优步长

3.3仿真平台SIMIPN

3.4小结

第四章 具有柔性路径的自动制造系统中监督控制器的合成

4.1 FS4R网模型

4.2 FS4R网模型中的最优步长

4.3最大许可的分布式死锁避免算法

4.4软件仿真与结果分析

4.5小结

第五章 总结与展望

5.1论文总结

5.2论文展望

附录A

附录B

参考文献

致谢

作者简介