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基于无死锁初始标识的Petri网控制器设计

韦娜  
【摘要】: 在生产中,柔性制造系统(FMS)的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,这样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进行生产计划与调度的优化,使得FMS中的物料流程安排合理有效,从整体上提高柔性制造过程的性能和效率,从根本上解决死锁问题,是本文主要研究的问题.本文利用Petri网对柔性制造系统建模,提出了几种新的死锁预防策略. 通常一个FMS中每个环节的生产力是确定的,例如一个机器手一次可以夹取一个工件.但是随着当今社会制造业的飞速发展,各个环节的生产力也不断增长.当这个网系统中的机器手一次可以夹取两个或者更多工件的时候,与其对应的Petri网模型的初始标识就发生了改变.此时,迫切需要对初始标识改变后的网模型重新构造控制器.根据现行的方法,尽管原网模型的结构没有改变,初始标识的改变仍然意味着需要重新设计控制器.本文的方法轻松地解决了此类难题.文中只需要利用代数方法求取一次网系统无死锁时初始标识之间的关系,就可以在获得原控制器网系统的基础上,得到所有库所的新标识,从而保证控制器系统的无死锁性. 本文基于Petri网理论,以柔性制造系统为研究对象,通过合理的建模和控制算法,来实现系统的死锁预防,尤其是针对柔性制造系统中各环节生产力不断增长的特点,提出了几种控制器设计方法.此外,为了解决受控网可达状态数偏少的问题,本文先分析原网模型的可达图,运用区域理论对其设计初始控制器,且该初始控制器具有最大许可行为;然后在对该控制器进行二次控制的过程中,对其系统中所有的严格极小信标都求取标识约束,从而获得网系统无死锁时的标识;最后,结合初始控制器结构和无死锁标识的约束条件,即可获得最终的控制器模型.值得注意的,在求取标识约束条件的过程中,为了减少计算量,将信标分为基本信标和从属信标,并利用它们之间的线性关系求取标识约束;另外,在求取初始控制器的过程中,为了减少添加控制库所的数量,只对基本信标添加控制库所.为了深入分析受控网模型是否真正无死锁或活,本文运用国际上通用的Petri网专业分析软件INA对其进行系统性能分析及死锁检测,结果表明,得到的控制器模型动态性能好,且无死锁或活,从而保证提出的控制算法正确可行. 随着网系统规模的增大,运用上述算法的计算量也随之增大.为了避免计算量迅速增加,本文针对较大规模的网系统提出了另外一种控制器设计策略.针对此类网系统中包含的信标个数较多的情况,提出分类操作的思想.对原网系统的信标采用不变式控制的方法求取初始标识约束,而对受控网新产生的信标通过分配闲置库所与资源库所标识的方法来计算库所标识的约束关系式.通过一个较为复杂的Petri网实例证明了该算法的可行性和正确性. 文中算法皆具备一般性,适用于简单网系统和复杂网系统中.在实际操作中,为了优化控制器的设计过程、减少计算量并得到动态性能较好的控制器,可以根据网系统的复杂性来选取最合适的算法.


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