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《广东工业大学》 2019年
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基于面向资源Petri网的自动化制造系统的死锁控制与优化

陈鹤峰  
【摘要】:自动化制造系统设计和实现过程是相当复杂的。通常需要在系统投入实施和运行之前,对其进行清楚、准确的建模,并对构成要素及系统特性加以分析,从而在设计之初可发现并克服系统存在的各种问题。如何根据产品信息和系统的制造能力设计生产计划与调度,使得制造系统中的物料流程安排合理有效,提高制造过程的柔性性能和效率。首先,需确保系统的操作的持续性,即无阻塞运行。其次,实现系统动态行为优化。Petri网是自动化制造系统建模和分析的重要数学工具。采用正规的Petri网——面向进程的Petri网—来对自动化制造系统建模,建模能力强,适用于各类制造系统,能够直观的描述了生产加工中的工件流向和资源分配与回收过程,但面向进程的Petri网模型的规模庞大,信息冗余偏多,网结构复杂,提取网结构困难(比如,提取“信标”需求解整数规划)等诸多不便。通过给正规的Petri网元素添加颜色及限制库所容量,将正规Petri网拓展为面向资源的Petri网。形式上,面向资源的Petri网可以看成一个有向图。与普通Petri网相比,面向资源的Petri网隐藏了加工过程的某些信息,网规模较小,结构紧凑。死锁在网结构表现为完全的有向回路达到饱和。数学上图论中与有向图相关的算法可以平移到面向资源的Petri网上。面向资源的Petri网能准确地描述制造系统的特殊子类—析取的单资源系统—的行为特征,该子类正是本文的研究对象。本文采用可达图分析与结构分析相结合的手段,研究自动化制造系统中的“资源合理分配及优化调度”,建立恰当的数学模型和综合高效的控制算法,不仅确保系统无全局或局部的停顿,而且实现系统行为的优化运行。Petri网可达图存在状态爆炸问题,生成可达图是NP-hard的。首先,缩减面向资源的Petri网的规模,移除与死锁无关的网结构与网元素,使得可达状态计数以指数级降低。其次,状态空间被识别为两个不相交的子空间,即,合法标识集与非法标识集。然后,采用标识覆盖技术,将识别出数据空间缩小成两个规模更小的集合。最后,构造并求解一个整数规划问题获取系统最优控制控制策略。求解整数规划不是有效的算法。系统的死锁的充分必要条件是存在完全的资源变迁回路是饱和的。通过控制完全的资源变迁回路永远达不到饱和可以确保当前系统无死锁,但系统可能陷入“系统受控”而带来的死锁。如果任意两条完全的资源变迁回路的共享链的容量大于1时,仅通过控制完全的资源变迁回路永远达不到饱和而获得对系统的最优控制。面向资源的Petri网用来建模析取的单资源系统。共享链的容量为1的情形普遍存在。在可达性分析的基础上,采用标识结构识别技术,将压缩后的非法标识集按结构特征将其划分为特征子类。对于每一个子类,在网规模的多项式级的计算复杂度下识别该类的结构特征,获取最大许可控制策略,因而识别算法是有效的。对于还未能通过结构分析方法识别的标识,采用线性规划的方法求解。最后,通过文献中常见的范例证明提出的死锁预防最大许可控制策略是有效的。
【学位授予单位】:广东工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH16;TP301.1;TP273

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