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Petri网的优化协调控制理论及其应用研究

方欢  
【摘要】:Petri网作为一种形式建模和系统分析工具,既有直观的图形表示,又可以引入许多数学方法对其性质进行分析,被广泛应用于离散事件系统,如柔性生产制造、交通运输控制、计算机网络等系统中,取得了很好的效果。然而,Petri网在系统性能建模、优化协调等方面的理论还不太成熟,限制了它在事件驱动型调度系统更深、更广层次的应用。本文针对Petri网的优化协调控制理论及其在矿井机车调度系统中的应用进行研究,主要研究工作摘要如下: (1)阐释了基于经典排队论和随机Petri网的性能评价方法的局限性,提出基于层次颜色Petri网仿真的性能评价方法,给出经典排队系统向层次颜色Petri模型转换的步骤和规则。通过CPN Tools的Data Collector工具采集系统仿真时的动态模拟数据,并在此基础上形式化定义一些主要性能指标的数值解计算公式,利用一些经典的排队系统和休假排队系统案例进行案例分析,仿真结果表明了所提出的性能评价方法是有效的和准确的。 (2)根据资源分配Petri网系统的RT-回路理论,分析系统运行中死锁与潜在死锁的行为特点,研究在两类相关资源约束下的无死锁调度条件,提出被控系统满足无死锁调度的充分条件和充要条件,并进行形式化的证明。另外,在无死锁调度的基础上,提出系统无死锁标识的最大设置边界集求解算法,并证明了调度策略在最大标识边界设置下的无死锁性。进一步,设计遗传优化算法,给出具体的编码方案和算法步骤。最后,以三种调度策略下的矿井机车调度系统为例,研究其无死锁优化调度方案,并进行算法仿真,实验结果表明基于Petri网的无死锁优化调度方法是实际可行的。 (3)通过拓展变迁(组)公平性定义,对混杂Petri网系统中变迁(变迁组)之间公平关系和同步距离的概念进行定义;利用修剪的IB演化图,给出了混杂Petri网中同步距离的计算算法,证明了变迁公平关系判定的充要条件,同时证明了变迁公平关系、同步距离和修剪的IB演化图之间的联系。针对事件驱动型调度系统中不同对象和行为之间协调控制问题,提出基于同步距离的同步协调控制器设计步骤,并进行举例说明。 (4)针对已有的部分可观系统中故障诊断算法的不足,考虑满足故障诊断条件且仅有部分库所可见的系统设计问题,提出故障定位表和监控库所集的确定算法FLTMPD,并证明该算法解的存在性条件和正确性,同时指出该算法是多项式复杂度的。进而,给出系统运行状态判别的诊断算法SOSD,通过算法SOSD可以对系统状态进行诊断,若有故障发生则可以准确定位发生的故障类型。给出一个复杂的柔性生产系统的部分可观系统设计,以及相关的故障诊断条件,结果表明了提出的部分可观系统设计方法拓展了已有研究结论。 (5)将研究的Petri网优化控制协调理论应用于矿井机车调度系统,着重分析了系统的层次颜色Petri网性能建模方法,并通过仿真实验说明了该性能评价模型的有效性;根据基于同步距离的同步协调控制方法设计步骤,给出事件驱动型调度系统中同步协调控制器的定义,并以矿井机车调度系统为例,设计了两类同步协调控制器,实现了机车调度系统中机车运输行为与开采行为的协调,以及保证各类机车发车次数公平性的协调控制;针对矿井机车调度系统中两类典型的故障,通过层次颜色Petri网建立形式化的故障检测与诊断模型,利用在线无二义性的故障诊断算法,给出各种故障进行无二义性诊断的判别条件,从而保障了机车调度系统运行的安全性和可靠性。


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