自动制造系统中监督控制器的结构优化策略研究

In the framework of automated manufacturing systems (AMSs), deadlock may occur unpredictably. Once it enters deadlock, an AMS is stalled; thus, leading to a zero efficiency. Thanks to their significance, deadlock issues interest both the researchers from academia and practitioners from industries. From the resent research, a variety of sensors and actuators are associated with key nodes to achieve effective control and management of shared resources among various concurrent processes. This is the so-called the supervisory control techniques (SCT). Conventional methodologies fail to substantially reduce the supervisor complexity. This results in tremendously excessive observation and control operations which necessitate the rapid increase in the storage space, I/O interfaces, communication amount, and response time. Different from the conventional SCT approaches, our work converts any control specification to a group of inequalities, each of which corresponds to a special net structural object named siphon. In general, the siphon count increases exponentially in terms of the system size. As a consequence, the inequality count increases exponentially. Distinguishing them by independent and dependent ones, our approach can identify and remove those dependent ones. Our method can tremendously reduce the supervisor size, thus leading to a simplified supervisor structure, a minimized communication amount among various nodes, and a deceased response time.

自动制造系统一旦进入死锁，将永远停滞在该状态，运行效率相应地降低为零。因而死锁预防的重要性不言而喻，无论是在理论界还是在工业界，都受到广泛的关注。最新的研究普遍采用将各种传感器和控制器引入各个关键节点，从而对各个并发进程所共享的资源实现有效的控制和管理，即监督控制技术。传统的方法不能够有效地减少控制器的复杂程度，需要引入过多的观测和控制操作，并进而导致存储空间、输入输出接口、通信流量及系统响应时间的剧增。我们的研究在传统控制技术的基础上，将一个控制策略转化为一组不等式，每个不等式对应于 Petri 网模型中的一种称为信标的特殊结构。在最坏的情况下，信标的个数是相对于系统规模呈指数增长的，因此不等式的个数也就是指数式的。我们的方法是将这些不等式区分为独立和从属不等式，然后去除其中的从属不等式。这个方法可以极大地降低监督控制器的规模，从而简化控制器结构，减少节点间的通信流量，降低响应时间。

自动制造系统中监督控制器结构优化问题一直是工程实践中一个重要的关注点。应用代数的分析方法研究系统的监督控制器简化问题，可以极大地降低算法复杂度，提高计算效率，并使得该简化方法具有广泛的适用性与应用的普遍性。该项目系统地研究了基于上述理念的自动制造系统的监督控制器结构优化策略，累计发表期刊论文25篇，其中在IEEE会刊发表论文15篇，在其他SCI检索的国际知名期刊发表论文2篇，在ICRA、CDC、ACC、CASE等世界顶级或者旗舰级国际会议发表论文20篇，其中2篇获得IEEE旗舰国际会议最佳论文提名奖。获得2016年陕西省科学技术奖二等奖、2017年陕西省高等学校科学技术奖二等奖。主要成果如下：.第一，提出了Petri网的独立不等式理论，给出了基于代数方法的判定独立不等式的充分必要条件。该成果使得监督控制器的结构优化问题可以通过线性规划的方法求得，从而极大地降低了算法的复杂度。.第二，在独立不等式理论基础上，提出了Petri网的活性不等式理论。该理论考虑了可达图信息，给出了基于代数方法的判断活性不等式的充分条件。该成果可以进一步优化监督控制器的结构，从而得到更加精简的监督控制器。.第三，提出了一种针对可分解的自动制造系统的分布式监督控制方法，该方法通过恰当地引入缓冲器，将整个Petri网横向分解为若干子网，对应若干子系统。通过对子系统施加控制，达到简化控制器设计的目的。.第四，提出了一种针对一般自动制造系统的分布式监督控制方法，该方法通过各个进程共享的资源，将整个Petri网分割成若干子网。根据当前资源的分布情况，判断其中一个子网中的进程是否能够前进一步。该方法是一种实时的在线的控制策略，具有多项式的算法复杂度。.第五，提出了自动制造系统的稳健性监督控制策略。该方法考虑资源存在故障的情况，通过实时地判断剩余路径中资源的数量和状态，决定相应的工件能否从当前位置前进到目标位置。该策略是一种在线的、实时的、自适应的控制策略。它允许系统相关参数的变化，因而更加具有灵活性，控制策略既可以避开死锁也可以保证系统免于阻塞。