论文部分内容阅读
在工业4.0的背景下，日益激烈的全球化竞争以及快速变化的市场需求驱动着当代工业生产的技术创新与产业发展。传统的生产系统不足以应对当前工业发展的挑战。它们将逐渐被自动制造系统所取代，从而提高竞争力。这种工业制造系统上的换代升级，离不开数字化等新兴技术的产生与发展。因此，很多研究者与工程师关注自动制造系统的建模、分析与控制问题。通常情况下，一个自动制造系统由计算机数控加工机器、缓冲器、机器人、自动导引车、物料搬运装置等设备组成一个整体系统。在设置好监督控制策略以后，自动制造系统能够完成复杂的加工操作，并以更快更高效的方式生产高质量的产品，这是其一个显著的优点。
自动制造系统可以当成一种资源分配系统。因为并发进程需要竞争有限的资源，资源的高共享度带来众所周知的死锁问题。这是自动制造系统遇到的首要的逻辑层面的问题。由此，引发了监督控制理论的发展，通过设计控制器使得系统保持活性。与此同时，在生成一个控制器的过程中，也会遇到高计算复杂度与结构复杂度。最坏情况下，可能会导致生成的规模庞大的控制器无法施加在原系统中。这就带来了另外一个重要的控制问题，即控制器简化问题。到目前为止，大多数的监督控制理论都是针对一般的自动制造系统展开讨论，不涉及复杂的进程结构与资源使用情况；只有小部分研究讨论复杂系统。控制器简化也很自然地被认为与系统的结构和/或可达图有着紧密的联系。事实上，基于结构分析的控制器简化理论证明上往往比较繁琐，而基于可达图的控制器简化一般只适合于小规模的系统。因此，复杂系统的活性分析、活性监督控制以及控制器简化亟待讨论与分析。
大多数自动制造系统可以用离散事件系统来描述，这是因为离散事件系统的事件驱动特征能够很好地表示自动制造系统的状态转移过程。Petri网是离散事件系统中一个重要的数学分析工具，它不仅可以提供系统的结构信息，同时具有严格的数学表示方式。因此，它被广泛用来建模、分析和控制自动制造系统。这篇论文运用Petri网作为工具，将针对复杂自动制造系统的控制器设计与优化问题展开研究。主要的研究成果如下：
首先，针对一种由分级的增广的标志图(HAMG)建模的自动制造系统，研究其活性分析方法以及活性监督控制策略。首先，基于这样的Petri网模型，提出了新的信标分类定义，即类型I信标、类型II信标。这样的划分对于具有柔性路径和具有装配操作的系统都具有适用性。继而，提出事件循环等待，用来刻画HAMG系统中死锁产生的本质原因。它与具有柔性加工路径系统中的资源循环等待相对应。相比较而言，事件循环等待更具有普遍性，同时也能更加精确地描述死锁发生的原因。最后，基于新的信标分类，通过施加广义互斥约束，建立统一的活性监督控制策略。控制器可以通过不等式分析的方法进行简化。
第二，针对一种具有时变生产模式的自动制造系统，研究其时变约束特征与活性监督控制策略。首先证明了，时变约束与活性监督约束条件可以独立地施加，互不影响。针对时变约束，提出了一种带有自环的控制器设计方法。针对活性监督约束条件，给出了基于不变式的线性约束在监督控制中综合性的、比较性的分析研究。其一，利用一种包含状态向量和发射变迁向量的广义线性约束条件，解决状态/事件分离问题，目的是为了与广义互斥约束解决状态阻止问题形成对比。它们分别被称为基于事件与基于状态的控制。其二，提出了加权的基于事件的以及加权的基于状态的控制方法，通过给上述两种约束条件引入权重，从而增强线性约束条件的表达能力。以上各种控制方法都可以通过库所不变式设计控制器。其三，结果表明，加权的基于状态的控制在进程能容纳更多托肯的系统中能够明显地提高许可性。
第三，针对自动制造系统的控制器简化问题，研究简化与系统结构之间的联系，即控制器简化的结构独立性和非独立性的本质问题。这里，控制器简化被看作是一个独立的研究问题。当简化活性监督控制器时，基本信标方法和不等式分析方法是两种非常典型的方法。前者是基于结构分析而后者基于代数分析。可以证明，前者是后者的一种特殊情况，即，基本信标理论中的从属信标对应不等式分析中的从属不等式，而从属不等式不一定对应于从属信标。当拓展到一般的约束简化问题时，首先从结构角度提出了基于库所不变式的方法。然而，可以证明，这种方法依然可以被不等式方法所解释并取代。因此，证明了控制器以及约束条件的简化可以通过代数方法得以解决，从而独立于系统的结构信息。同时也说明，不等式分析可以看作是简便的、具有普遍性的、方便高效的控制器简化方法。
第四，针对自动制造系统的控制器简化问题，进一步研究更具有普遍应用价值的监督控制器简化策略。提出了静态和动态不等式划分方法，即将线性约束条件划分为冗余的和必要的不等式从而简化控制器的结构。其中，静态划分方法只考虑约束条件本身，具有更高的求解效率；而动态划分方法需要同时考虑约束条件和系统的可达状态，能够得到更加简单的控制器。进一步地，通过静态和动态方法相叠加的方式，提出了类型I简化方法。该方法可以折中考虑简化过程的求解效率和运算复杂度。通过静态和动态方法相整合的方式，提出了类型II简化方法。该方法可以进一步提高运算效率，降低计算复杂度。这里所提出的所有的方法都可以通过代数的方法来实现。通过与其他典型的简化方法分析与比较，可以得出，所提出的方法提供了一个统一的框架，可以囊括几乎所有的基于结构分析的控制器简化方法。
自动制造系统可以当成一种资源分配系统。因为并发进程需要竞争有限的资源，资源的高共享度带来众所周知的死锁问题。这是自动制造系统遇到的首要的逻辑层面的问题。由此，引发了监督控制理论的发展，通过设计控制器使得系统保持活性。与此同时，在生成一个控制器的过程中，也会遇到高计算复杂度与结构复杂度。最坏情况下，可能会导致生成的规模庞大的控制器无法施加在原系统中。这就带来了另外一个重要的控制问题，即控制器简化问题。到目前为止，大多数的监督控制理论都是针对一般的自动制造系统展开讨论，不涉及复杂的进程结构与资源使用情况；只有小部分研究讨论复杂系统。控制器简化也很自然地被认为与系统的结构和/或可达图有着紧密的联系。事实上，基于结构分析的控制器简化理论证明上往往比较繁琐，而基于可达图的控制器简化一般只适合于小规模的系统。因此，复杂系统的活性分析、活性监督控制以及控制器简化亟待讨论与分析。
大多数自动制造系统可以用离散事件系统来描述，这是因为离散事件系统的事件驱动特征能够很好地表示自动制造系统的状态转移过程。Petri网是离散事件系统中一个重要的数学分析工具，它不仅可以提供系统的结构信息，同时具有严格的数学表示方式。因此，它被广泛用来建模、分析和控制自动制造系统。这篇论文运用Petri网作为工具，将针对复杂自动制造系统的控制器设计与优化问题展开研究。主要的研究成果如下：
首先，针对一种由分级的增广的标志图(HAMG)建模的自动制造系统，研究其活性分析方法以及活性监督控制策略。首先，基于这样的Petri网模型，提出了新的信标分类定义，即类型I信标、类型II信标。这样的划分对于具有柔性路径和具有装配操作的系统都具有适用性。继而，提出事件循环等待，用来刻画HAMG系统中死锁产生的本质原因。它与具有柔性加工路径系统中的资源循环等待相对应。相比较而言，事件循环等待更具有普遍性，同时也能更加精确地描述死锁发生的原因。最后，基于新的信标分类，通过施加广义互斥约束，建立统一的活性监督控制策略。控制器可以通过不等式分析的方法进行简化。
第二，针对一种具有时变生产模式的自动制造系统，研究其时变约束特征与活性监督控制策略。首先证明了，时变约束与活性监督约束条件可以独立地施加，互不影响。针对时变约束，提出了一种带有自环的控制器设计方法。针对活性监督约束条件，给出了基于不变式的线性约束在监督控制中综合性的、比较性的分析研究。其一，利用一种包含状态向量和发射变迁向量的广义线性约束条件，解决状态/事件分离问题，目的是为了与广义互斥约束解决状态阻止问题形成对比。它们分别被称为基于事件与基于状态的控制。其二，提出了加权的基于事件的以及加权的基于状态的控制方法，通过给上述两种约束条件引入权重，从而增强线性约束条件的表达能力。以上各种控制方法都可以通过库所不变式设计控制器。其三，结果表明，加权的基于状态的控制在进程能容纳更多托肯的系统中能够明显地提高许可性。
第三，针对自动制造系统的控制器简化问题，研究简化与系统结构之间的联系，即控制器简化的结构独立性和非独立性的本质问题。这里，控制器简化被看作是一个独立的研究问题。当简化活性监督控制器时，基本信标方法和不等式分析方法是两种非常典型的方法。前者是基于结构分析而后者基于代数分析。可以证明，前者是后者的一种特殊情况，即，基本信标理论中的从属信标对应不等式分析中的从属不等式，而从属不等式不一定对应于从属信标。当拓展到一般的约束简化问题时，首先从结构角度提出了基于库所不变式的方法。然而，可以证明，这种方法依然可以被不等式方法所解释并取代。因此，证明了控制器以及约束条件的简化可以通过代数方法得以解决，从而独立于系统的结构信息。同时也说明，不等式分析可以看作是简便的、具有普遍性的、方便高效的控制器简化方法。
第四，针对自动制造系统的控制器简化问题，进一步研究更具有普遍应用价值的监督控制器简化策略。提出了静态和动态不等式划分方法，即将线性约束条件划分为冗余的和必要的不等式从而简化控制器的结构。其中，静态划分方法只考虑约束条件本身，具有更高的求解效率；而动态划分方法需要同时考虑约束条件和系统的可达状态，能够得到更加简单的控制器。进一步地，通过静态和动态方法相叠加的方式，提出了类型I简化方法。该方法可以折中考虑简化过程的求解效率和运算复杂度。通过静态和动态方法相整合的方式，提出了类型II简化方法。该方法可以进一步提高运算效率，降低计算复杂度。这里所提出的所有的方法都可以通过代数的方法来实现。通过与其他典型的简化方法分析与比较，可以得出，所提出的方法提供了一个统一的框架，可以囊括几乎所有的基于结构分析的控制器简化方法。