自动制造系统的Petri网控制器设计及优化

To ensure the effective and efficient operation of an automated.manufacturing system (AMS), it is expected that a control mechanism can be designed to properly allocate resources to different processes. Such a mechanism should not only promise the deadlock-freeness but also guarantee the performance of the entire system. Owing to their compact and formal expression capability, Petri nets are widely used and greatly developed in the modeling, analysis and control of the AMS. By sufficiently employing the structural property of Petri nets, one can significantly reduce computational time to obtain a supervisor, simplify its implementation structure, and ensure the system performance. In this project, the research topics can be summarized as follows. First, it investigates the deadlock and ratio control and their coordination. Methods are proposed to realize the compatibility between a liveness supervisor and a ratio one and guarantee the system performance. Second, it concerns a kind of liveness supervisors which can make a trade-off between the supervisor implementation cost and the controlled system performance. Third, for the AMS associated with time information, a method is investigated to avoid the enumeration of the reachability graph. Such a method should produce the most reachable states in the controlled system with an as low as possible computational complexity.

为确保自动制造系统的正常和有效运行，需要一定的控制机制将资源合理地分配给各个过程。这种分配机制应该使得系统在无死锁的前提下保证一定的性能。Petri网由于具有简约和规范的表述形式，在制造系统中的建模、分析和控制中得到了很大应用和发展。充分地利用Petri网的结构化控制特性可以极大地降低控制器的计算时间，简化控制器的实现结构,确保受控系统性能。本项目的主要研究内容有：1) 研究自动制造系统中的死锁控制与比例控制问题及其解决机制。设计出兼容的死锁控制器和比例控制器，并确保受控系统的运行效率；2) 研究兼顾控制器实现代价和受控系统性能的活性监督控制器设计策略。建立实现代价最小和受控系统性能最优的控制器设计的一般方法；3) 针对考虑时间信息的自动制造系统，研究出避免遍历系统可达图的监督控制器设计方法。该方法应具有低的算法复杂度，所实现的受控系统应该具有最多的可达状态。

自动制造系统的研究对经典控制理论提出诸多挑战。应用层次化和分布式结构，解析大规模复杂系统，可以极大地降低系统复杂度，并使得系统具有适应性、鲁棒性和可重构性。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理论和方法，累积发表论文30余篇，其中在IEEE会刊发表论文9篇，在其他SCI检索的国际知名期刊发表论文2篇，在ICRA、CASE等世界顶级或者旗舰级国际会议发表论文19篇。其中1篇论文获得了IEEE旗舰国际会议最佳自动化论文提名奖，项目负责人入选教育部新世纪优秀人才支持计划、获得陕西省科学技术奖贰等奖。主要成果如下：.第一，提出了基本信标不唯一的思想，给出了最优基本信标的概念。该研究成果将原本被普遍认为具有指数式复杂度的组合优化问题转化为可以找到多项式算法的线性规划问题，从而实现了最优基本信标的高效计算。.第二，证明了应用不变式的比例控制不会引入新的信标，即它们自身不会导致系统的死锁。这就意味着可以独立设计与实现这两种不同的监督控制器。提出了一组线性不等式，可以迭代计算Petri网中的信标，从而实现了高效的控制器设计算法。.第三，提出了兼顾控制器实现代价和受控系统性能的活性监督控制器设计策略。给出了实现代价最小的监督控制器的计算方法，从而节约了系统的控制成本，并将研究成果进一步地应用于时间Petri网，以便于综合评价系统的控制代价和运行效率。.第四，提出了具有多项式时间复杂度的监督控制器设计策略。研究成果避免了现有研究中必须进行的危险状态和事件的分离操作问题。在不计算系统可达图的情况下，首次解决了对于考虑时间约束的Petri网控制器的实现问题。.第五，克服了现有方法或者仅关注于研究具有柔性路径的系统，或者仅关注于研究具有装配工序的自动制造系统的缺点，首次将柔性路径和装配工序结合起来。提出了一种递阶式的设计方法，可以有效综合上述诸多结构特性，为研究更加复杂的系统奠定了基础。