柔性制造系统死锁预防的Petri网控制器综合

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在柔性制造系统中,使得共享资源利用率最大化来提高系统生产率是系统设计中的一个重要问题,然而由于共享资源的分配不当会导致死锁的产生,造成长时间停机和昂贵设备利用率低下等损失。因此,柔性制造系统中的死锁问题已成为近年来的研究热点之一。Petri网以其对并发行为有效描述的优势和严谨的数学基础成为了对离散事件动态系统建模的主要工具,而柔性制造系统作为一类典型的离散事件动态系统,其死锁问题被越来越多的研究者在Petri网理论框架下建模和分析。死锁问题的研究主要分为三个方向:死锁检测及恢复、死锁避免和死锁预防,分别针对死锁的诊断、在线控制和离线控制进行分析和设计。而死锁预防以其离线控制而节约在线计算成本的优势为大多数研究者所亲睐。死锁预防控制策略的优劣往往以如下三个方面的性能作为评估标准:行为容许性,计算效率和控制器结构复杂性。基于Petri网的理论框架,本文在前人研究工作的基础上,针对不多类型的柔性制造系统,提出多种有效的死锁预防控制方法,具体包括:(1)针对一般性的柔性制造系统,给出了操作库所标识最小化的概念,并在此基础上给出了一种仅需计算必要信标的混合整数规划算法。然后引入传统的迭代控制算法并加以改进,提出了一种必要信标的顺序迭代控制死锁预防策略。该策略只需计算和控制最必要的信标,因此大大减少了控制器的个数;而改进的迭代控制算法保证了系统的最大容许性,使得共享资源的利用率最大化;每一次迭代只需求解一次线性整数规划,从而有效地提高了计算效率。而且在顺序迭代控制过程中,提出了一种多项式时间复杂度的控制器转换算法,可以避免因网络转换产生的控制器冗余。该死锁预防策略经标准例子验证在总的控制性能上优于目前存在的其它死锁预防控制策略。(2)针对一般性的柔性制造系统,在提出的必要信标顺序控制算法的基础上,提出了信标互补库所集标识约束的迭代信标控制策略。其中,每次迭代通过控制必要信标的互补库所集的标识来控制该信标,使得所需的控制器全部为普通控制器,从而避免了网络转换;在控制器设计完毕后,提出了一种改进的冗余控制器检测法,该算法在使最终所需的控制器个数最小化的基础上提高了冗余检测的计算效率。该死锁预防控制策略经标准例子验证能保证在次优的容许性能上获得最少的控制器个数,而且计算效率也较高。(3)将已有的缓冲器预分配和分隔死锁预防技术扩展运用到一类更广泛的柔性制造系统中,并定义了两类Petri网子网来阐述该技术的扩展运用。进而,将缓冲器分隔技术做出改进提出了一种更有效的缓冲器预分配和分隔相结合的死锁预防算法。该算法通过对最少的缓冲器做出分隔,因此比传统对每个缓冲器进行分隔的算法能获得更多的许可行为,也比传统的算法适用的范围更广;此外,该算法和已报道的其它死锁策略相比,有着更好的鲁棒性,可以节省因系统初始状态频繁改变而需重新设计控制器带来的时间和硬件上的损耗。(4)提出了一种基于严格极小信标不变的网络转换算法。该算法可以在保持活性不变的情况下将本文提出的一类Petri网子网转化为另一类广为研究的子网,而且网规模大幅度减少更便于计算和研究。而后,针对一类带有缓冲器的柔性制造系统,通过将缓冲器预分配技术和本文提出的网络变型算法及迭代信标控制算法相结合,提出了一种混合死锁预防控制策略。经几个典型的例子验证,该策略具有很高的计算效率,需要很少的控制器并且具有良好的容许性;可视为对控制策略的三大性能做出了很好的权衡。最后,在总结全文的基础上,对柔性事件系统死锁预防的未来工作进行了展望。
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