可重构制造系统的模块化建模及可控调度优化研究

In order to implement the effective modeling and dynamic reconfiguration of reconfigurable manufacturing system, the theories of modular modeling, deadlock analysis and scheduling optimization of reconfigurable manufacturing system based on manufacturing cells are researched in depth in this project. A dynamic modeling method of object-oriented timed Net-Condition / Event-System (OTNCES) combining object-oriented timed Petri net technology with NCES model of function block of manufacturing cell is proposed. The deadlock detecting formulas for checking the corresponding OTNCES models of the various general composite function blocks in manufacturing cells and the OTNCES model of the complete system are deduced. For OTNCES models at a deadlock, the modification rules of inner dynamic behaviors and control logic in object communication net of OTNCES model are constructed. Based on the above-mentioned OTNCES models of reconfigurable manufacturing system, the admissible heuristic function is constructed based on the attributes of object subnet of manufacturing cell. A fast scheduling strategy with adjustable predictive quality is proposed by introducing controllable relaxing method to admissible A* search algorithm。The researches of this project can provide theory, technology and basis for renovations of product lines in manufacturing enterprises (such as enterprises of food, medicine, mechanical and electrical Equipment and chemical industry product) with multiple products, various batch and dynamic production method.

本项目以实现可重构制造系统的有效建模与动态重构为主要目标，对基于制造单元的可重构制造系统的模块化建模、死锁分析以及调度优化的理论进行深入研究。将面向对象赋时Petri网技术与制造单元功能块的网络条件/事件系统（NCES）模型相结合，建立面向对象赋时NCES（OTNCES）的动态建模方法；推导制造单元通用复合功能块OTNCES模型以及整个系统模型的死锁检测计算公式，建立模型死锁后OTNCES对象通讯网中内部动态行为及控制逻辑关系的修改规则。在上述可重构制造系统OTNCES模型可达图上，采用制造单元对象子网属性构建启发函数，提出将松弛方法可控地引入到可采纳的A*搜索算法的机制，建立可重构制造系统的快速且结果质量可预先控制的调度策略。该项目研究可为采用多品种、变批量、动态生产方法的企业进行生产线(如食品、制药、机电、化工产品等)的技术革新提供理论、技术和依据。

可重构制造系统具有自动化、柔性、可重用和资源共享的特点，因此如何对系统进行有效建模、死锁控制和调度优化是极具挑战性的问题。由于系统中可重用设备和共享资源数量有限，制造系统在运行中会出现死锁，需要避免，否则系统将无法自动化运行，此外，系统的柔性使得系统具有众多的调度路径，调度方案的优劣将直接影响生产成本和生产效率，因此如何快速获得质量有保证的调度方案具有重要意义。本项目中，研究了基于网络条件/事件系统NCES功能块和面向对象Petri网的可重构制造系统模块化建模方法，给出了基于基本功能块的系统模型动态特性分析方法；给出了最优死锁控制器求解的优化方法，首次提出了分别基于整数线性规划和非数学规划的快速冗余约束去除策略，加快了最优Petri网控制器的求解速度，提出了求解结构最小化控制器的方法，从计算速度和控制器结构两方面优化了最优控制器的求解；研究了基于制造单元不同属性构造可采纳和非可采纳启发函数的方法，建立了结合使用不同启发函数加快算法收敛并保证搜索结果质量的机制，证明了所得复合函数的可采纳性及其更优的计算性能，计算模拟了含可选路径制造系统的调度优化。本项目研究发表9篇论文，其中4篇SCI论文，3篇发表在Automatica和IEEE Transactions上，申请国家发明专利两项。