基于Petri网的自动制造系统分布式控制研究

The proposal aims to investigate the synthesis of distributed supervisory control systems for the automated manufacturing systems modeled with Petri nets. In order to fulfill the control requirement of complex automated manufacturing systems and obtain more reliable and performance optimal supervisory control systems, the distributed control technique has been extensively and widely adopted in the framework of formal language and automata. Petri nets are an important and full-fledged mathematical tool for modeling, analysis and control of automated manufacturing systems. Comparing with automata, Petri nets are more compact and intuitive. Thus, it is natural to combine the advantages of Petri nets with the distributed control techniques. The work in this proposal is to focus on the synthesis of supervisory control systems for Petri nets modeling automated manufacturing systems. First, aiming to representative classes of Petri net models, the decomposition of entire models will be studied using the structural analysis technique and then the design of local supervisors and coordinators will be implemented based on the resultant relatively independent subnets. Second, the distributed supervisory controllers are to be even more developed by considering the existence of unobservable and uncontrollable transitions in these Petri net models. Last but not least, the optimization of all distributed supervisory controllers will be carried out from a global view to further improve the performance of the distributed control systems.

本项目致力于研究自动制造系统Petri网模型体系下分布式监督控制实现问题。为了实现复杂自动制造系统的控制需求，获得性能可靠与优化的监督控制系统，分布式控制技术在形式语言与自动机模型体系下得到广泛研究。Petri网作为自动制造系统建模、分析和控制的重要数学工具，与自动机相比具有结构紧凑、表达直观等优点。因此，将Petri网的建模与分析优势和分布式控制技术紧密融合，能够更有效地解决自动制造系统的监督控制问题。本项目针对自动制造系统Petri网模型，研究基于分布式控制的监督控制器设计方法。首先，针对典型Petri网模型，采用结构分析技术，研究系统模型的分解技术，然后基于获得的局部子网研究局部监督控制器与协调器设计问题；随后，研究系统Petri网模型存在不可控、不可观变迁等因素下的分布式活性监督控制器设计问题；最后，研究整体优化的Petri网分布式活性监控器综合问题。

Petri网作为自动制造系统建模、分析和控制的重要数学工具，与自动机相比具有结构紧凑、表达直观等优点。将Petri网建模与分析优势和分布式控制技术紧密融合，能够更有效地解决自动制造系统的监督控制问题。项目致力于研究自动制造系统Petri网模型的分布式控制问题。考虑Petri网监控器的非阻塞性、活性及许可行为最优性，寻求Petri网框架下分布式控制的技术实现和Petri网监控器性能的最优化实现。经过三年研究，在几个方面取得较好成果，发表SCI国际期刊论文9篇，EI收录国际会议论文1篇。主要成果包括：(1) 一般Petri网系统模型局部子网分解技术及控制器设计研究：针对一般Petri网，提出分治策略(Divide-and-Conquer)。结合Petri网模型的结构特性，提出模型分解方法，将全局受控网系统分解为相联系的若干局部子网，不同的子网间含有共用变迁；利用可达图技术设计局部控制器，并实现全局监控器综合。提升控制器计算效率，提高监控器动态性能。(2) 基于结构分析的一般Petri网的活性监控器设计方法：(2.a)合理配置资源需求，提出多项式复杂度的死锁预防策略。基于不同的资源分配顺序，得到一组线性不等式活性约束条件，通过对系统添加控制器实现约束条件。(2.b)针对一般Petri网模型，结合资源偏序和基本信标理论，提出一种基于最优资源顺序的次优控制器综合策略。从结构复杂度和行为许可性方面出发，优化一般网系统的信标可控性条件。(3) 融合可达图分析和结构分析的一般Petri网的全局监控器设计：(3.a)可达图分析技术是实现最大许可活性监控器的最佳选择，为减少可达图计算复杂性，针对受控网模型添加全局闲置库所，并逐步增加全局闲置库所中的初始标识，迭代设计受控子网的设计活性局部控制器，并完成全局活性网监控器综合。(3.b)针对一般Petri网-G-system，提出一种迭代的死锁控制策略。通过对网模型添加全局闲置库所，避免求解复杂的规划问题，优化基于可达图技术的活性监督控制器设计。(4) 普通网可达状态数上界的研究：利用组合数学的方法，研究S3PR的可达状态数上确界的求取方法，结合Petri网信标信息排除实际不可达标识，最终获得可达状态数的上界。