（机械电子工程专业论文）自动制造系统的petri网结构分析和控制器设计.pdf

摘要 摘要 死锁分析与控制对自动制造系统的运行至关重要。死锁造成的整个或部分系统的 停顿在很多情况下并不是单纯降低生产率的问题，而是可能造成重大经济损失( 如 半导体制造系统) 甚至灾难性后果( 如核电站的操作管理系统) 。随着自动化水平 和复杂程度的提高，自动制造系统中死锁的描述、分析、控制和求解已成为国际上 研究的热点和难点问题。p e t r i 网由于具有简约和规范的表述形式，在自动制造系统的 建模、分析、和控制中得到了广泛的应用和发展。近二十年，研究者们提出了大量 基于p e t r i 网的死锁控制策略，而评价这些策略的性能指标主要是从行为许可性、计算 复杂度以及结构复杂度三方面来考虑。从技术角度来看，大部分策略是通过p e t r i 网状 态空间分析或其结构分析来实现死锁控制。基于p e t r i 网状态空间分析的策略一般能很 好地解决行为许可性问题，但其存在高计算复杂度和状态爆炸问题；基于p e t r i 网结构 分析的策略可以成功避开状态爆炸问题，但是当前基于这种方法获得系统最大或接 近最大的许可行为数还未成熟。信标作为p e t r i 网中的一个特殊结构，与死锁有着密切 的关系。当前基于信标控制死锁问题，针对普通p e t r i 网比较成熟，对于较为复杂的一 般p e t r i 网，信标控制还处于探索阶段。 另一方面，近年来基于p e t r i 网进行死锁控制的工作大都是建立在系统资源稳定可 靠的基础上展开研究的。而事实上，在实际生产系统中资源故障是存在且比较常见的 现象。在自动制造系统死锁控制中考虑资源不可靠因素是更贴近实际和生产系统迫 切需求的。当考虑资源不可靠因素时，已有基于p e t r i 网死锁控制策略很难直接应用。 当前以p e t r i 网为工具，对系统中有不可靠资源设计鲁棒的活性监督控制器的技术很薄 弱。 本文针对以上两方面对自动制造系统中基于p e t r i 网进行死锁控制时面临的难题展 开研究，主要研究工作及取得的成果如下： 第一，针对s 4 r 网，分析了当前存在的两种信标控制条件：m a x 可控条件和m a x 7 可 控条件的局限性。基于混合整数规划( m i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n g ，m i p ) ，提出了信标 被m a x m a r k e d 的概念，在此概念的基础上，定义了m a x h - c o n t r o l l e d 信标。证明了一 个s 4 r 网中的所有信标是m a x u 可控时，则该网是活的。m a x - c o n t r o l l e d 信标概念的提 出，放松了s 4 r 网中信标的控制条件。 第二，针对s 4 r 网，分析了当前存在的基于死标记信标( d e a d l ym a r k e ds i p h o n ， d m s ) 概念，应用m i p 技术检测网活性的局限性。基于m a x h - c o n t r o l l e d 信标的概念，定 义了扩展死标记信标( e x t e n d e dd e a d l ym a r k e ds i p h o n ，e d m s ) 。基于e d m s ，提出了一 种应用m i p 技术检钡, m j s 4 r 网中引起死锁或活锁的极4 e d m s 的方法。证明了当所列写 的m i p 没有可行解时，s 4 r 网是活的。为s 4 r 网建模的自动制造系统的死锁和活锁的进 一步分析和控制奠定了基础。 i is t r u c t u r a la n a l y s i so fa n ds u p e r 、i s o rd e s i g nf o rp e t r in e t so fa m s 再者，提出了一种建模能力更强的p e t r i 网即m n e t ，结合信标控制理论和区域理 论，设计了能较好取得最优性( 行为许可性) 和计算复杂度平衡的一种死锁预防策 略。区域理论的应用使得该策略相当趋近于最优解。给定一个p e t r i 网，首先通过结构 分析计算出网的极小的初始标识，并计算出对应的最优活性受控系统；然后，得出与 控制器中的标识和网模型库所中的标识相关的一组不等式约束使得没有信标是未充分 标记的。提出一个识别冗余约束的方法。对于网模型的一个新的初始标识，不用改变 受控系统的结构，仅需控制其中的标识使得其满足不等式约束便可以获得一个无死锁 的受控系统。该方法可以获得一个接近最优解的受控系统。 最后，针对实际情况下自动制造系统中存在的资源不可靠问题，为其设计鲁棒的 活性监督控制器。s 3 p r 网建模的自动制造系统有不可靠资源时，首先给每个可能被 清空的严格极小信标添加控制器，设计活性监督控制器；然后考虑不可靠资源因素， 通过添加恢复子网、常规弧以及抑制弧来增强活性受控系统的鲁棒性。鲁棒的活性 监督控制器的设计方法弥补了传统死锁控制只考虑资源全部可靠时的空缺，使得基 于p e t r i 网的死锁分析与控制和实际系统更为贴切。 本文的研究工作对于以p e t r i 网为形式的自动制造系统的监督控制具有重要的理论 和现实意义。 关键词：自动制造系统死锁p e t r i 网信标区域理论 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t a n a l y s i sa n dc o n t r o lo fd e a d l o c k sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g na n do p - e r a t i o no fa u t o m a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ( a m s ) p a r t i a l l y , l o c a l l yo rc o m p l e t e l y c r i p p l e ds y s t e m sc a u s e db yd e a d l o c k sa r eah i g h l yu n d e s i r a b l es i t u a t i o n i nm a n yc a s e s ， t h e yn o to n l yr e d u c ep r o d u c t i v i t y , b u ta l s oc a u s ef a t a le c o n o m i cc o s ts u c ha si ns e m i c o n d u c t o rf a b r i c a t i o ns y s t e m s ，a n dc a t a s t r o p h i cr e s u l t ss u c ha si nm a n i p u l a t i o ns y s t e m s o fn u c l e a rp o w e rs t a t i o n a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n ga u t o m a t i z a t i o na n dc o m p l e x i t y , t h e d e s c r i p t i o n ，a n a l y s i s ，c o n t r o l ，a n dr e s o l u t i o no fd e a d l o c k s i na m sh a v eb e e nt h et o p i c s o fh i g hi n t e r e s t p e t r in e t sh a v eb e e nw i d e l yu s e df o rm o d e l i n g ，a n a l y s i s ，a n dd e a d - l o c kc o n t r o lo fa m sf o rt h e i rc o m p a c ta n dg r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o n o v e rt h el a s tt w o d e c a d e s an u m b e ro fd e a d l o c kc o n t r o lp o l i c i e sb a s e do np e t r in e t sh a v eb e e np r o p o s e d t r a d i t i o n a l l y , ad e a d l o c kc o n t r o lp o l i c yc a n b ee v a l u a t e db yt h r e ep e r f o r m a n c ec r i t e r i a ： s t r u c t u r a lc o m p l e x i t y , b e h a v i o r a lp e r m i s s i v e n e s s ，a n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f r o m at e c h n i c a lp e r s p e c t i v e ，m o s to ft h ec o n t r o lp o l i c i e sr e s o l v i n gd e a d l o c k sa r ed e v e l o p e d v i as t a t es p a c ea n a l y s i so rs t r u c t u r a la n a l y s i so fp e t r in e t s g e n e r a l l y , d e a d l o c kc o n t r o l p o l i c i e sb a s e do nt h ef o r m e rc a l la p p r o a c ht h em a x i m a lp e r m i s s i v eb e h a v i o r ，b u tm a y e n c o u n t e rh i g h l yc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n das t a t ee x p l o s i o np r o b l e m d e a d l o c k c o n t r o lp o l i c i e sb a s e do nt h el a t t e rc a na v o i das t a t ee x p l o s i o np r o b l e ms u c c e s s f u l l y , b u tc a n n o tl e a dt ot h em a x i m a lo rn e a rm a x i m a lp e r m i s s i v eb e h a v i o ro ft h es y s t e m si n m o s tc a s e s s i p h o n s ，a sas p e c i a ls t r u c t u r a lo b je c to fap e t r in e t ，a r ec l o s e l yi n t e r r e l a t e d w i t hd e a d l o c k s d e a d l o c kc o n t r o lt h e o r yb a s e do ns i p h o ni sn o ta l la p p l 争p i eg r o w n - u p t h e o r y f o ro r d i n a r yp e t r in e t s ，t h ec u r r e n tt h e o r yi sf a i r l ym a t u r e ，w h i l ef o rg e n e r a l i z e d p e t r in e t s i ti sp r e s e n t l ya ta ne a r l ys t a g e o nt h eo t h e rh a n d ，i nr e c e n ty e a r s ，m o s to fd e a d l o c kc o n t r o lp o l i c i e sb a s e do np e t r i n e t sf o ra m sh a v eh a dap r e m i s et h a tt h er e s o u r c e si nt h es y s t e m su n d e rc o n s i d e r a t i o n a r er e l i a b l e a c t u a l l y ，r e s o u r c ef a i l u r e sa r ei n e v i t a b l ei nm o s ta m s ，w h i c hm a ya l s o c a u s ep r o c e s s e st oh a l t t h e r e f o r e ，i ti san e c e s s a r yr e q u i r e m e n tt od e v e l o pa ne f f e c - t i v ea n dr o b u s td e a d l o c kc o n t r o lp o l i c yb yc o n s i d e r i n gu n r e l i a b l er e s o u r c e s c u r r e n t l y , t h et e c h n o l o g yt od e s i g nr o b u s tl i v e n e s s e n f o r c i n gs u p e r v i s o r sf o ra m sw i t hu n r e l i a b l e r e s o u r c e si sv e r ym u c hl a c k i n g t h i st h e s i sa i m st ot a c k l et h el i m i t a t i o n sm e n t i o n e da b o v ea n dt h em a i nr e s u l t so f t h i sr e s e a r c ha r ep r e s e n t e da sf o l l o w s f i r s t l y , f o rs y s t e mo fs e q u e n t i a ls y s t e m sw i t hs h a r e dr e s o u r c e s ( s 4 r ) ，t h i st h e s i s r e v i e w st h ec o n c e p t so fm a xa n dm a x _ c o n t r o l l a b i l i t yc o n d i t i o n so fs i p h o n sa n dt h e i r 1 i m i t a t i o 璐b a s e do nm i x e di n t e g e rp r o g r a m m i n g ( m i p ) ，t h ec o n c e p to fm a x 一m a r k e d s i p h o n si sd e f t n e d ，a n dt h e nt h ec o n c e p to fm 锄x - c o n t r o l l e ds i p h o n s i sf o r m u l a t e d 、v e c o n c l u d et h a ta ns 4 ri sl i v ei fa l li t ss i p h o n sa r em a ) 一c o n t r o l l e d c o m p a r e dw i t ht h e e x i s t i n go n e , 8 ，t h ep r o p o s e do n e i sm o r eg e n e r a l s e c o n d l y , f o rs 4 r ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h el i m i t a t i o no ft h ec u r r e n tm i p t h a tc a n t e s tt h e i rl i v e n e s sb a s e do nd e a d l ym a r k e ds i p h o n s ( d m s ) t h ec o n c e p to fe x t e n d e d d e a d l vm a r k e ds i p h o n s ( e d m s ) i sd e f i n e do i lt h eb a s i so fm a x 一c o n t r o l l a b i l i t yc o n d i t i o n o fs i p h o n s a c c o r d i n g l y ，am o r eg e n e r a lm i pt e s t i n ga p p r o a c ht h a tc a nd e t e c tt h e m i n i m a le d m st h a tc a u s ed e a d l o c k so rl i v e l o c k si ns 4 ri sp r e s e n t e dt ol a yf o u n d a t i o n s f o rf u r t h e ra n a l y s i sa n dc o n t r o lo fd e a d l o c k s w ec o n c l u d et h a ta ns 4 ri sl i v ei ft h e r e i sn of e a s i b l es o l u t i o nt ot h i sn e wm i pt e s t c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gm e t h o d s ，t h e p r o p o s e do n e i sm o r eg e n e r a la n dp o w e r f u l t h i r d l y , t h i st h e s i sp r o p o s e sa c l a s so fm a n u f a c t u r i n g - o r i e n t e dp e t r in e t s ，m n e t s f o rs h o r t ，w i t hs t r o n gm o d e l i n gc a p a b i l i t y c o m b i n i n gc o n t r o lt h e o r yb a s e do ns i p h o n s a n dt h e o r yo fr e g i o i l s ，w ed e v e l o pad e a d l o c kp r e v e n t i o nm e t h o dt h a tm a k e sag o o d t r a d 争o f fb e t w e e no p t i m a l i t ya n dc o m p u t a t i o n a lt r a c t a b i l i t yf o rm n e t s t h et h e o r yo f r e g i o 璐g u i d e so u re f f o r t st o w a r d st h ed e v e l o p m e n to fn e a r o p t i m a ls o l u t i o n sf o r d e a d l o c k d r e v e n t i o n g i v e nap l a n tn e t ，am i n i m a li n i t i a lm a r k i n gi sf i r s td e c i d e db ys t r u c t u r a l a n a l y s i s a n da l lo p t i m a ll i v ec o n t r o l l e ds y s t e mi s f o u n d 。t h e n ，as e to fi n e q u a l i t y c o n s t r a i n t si sd e r i v e dw i t hr e s p e c tt ot h em a r k i n g so fm o n i t o r sa n dt h ep l a c e si nt h e m o d e ls u c ht h a tn os i p h o nc a nb ei n s u f f i c i e n t l ym a r k e d am e t h o di sp r o p o s e dt o i d e n t i f yt h er e d u n d a n c yc o n d i t i o nf o ra c o n s t r a i n t f o ran e wi n i t i a lm a r k i n go ft h e p l a n tn e t ，ad e a d l o c k f r e ec o n t r o l l e ds y s t e mc a nb eo b t a i n e db yr e g u l a t i n gt h em a r k i n g s o ft h em o n i t o r ss u c ht h a tt h ei n e q u a l i t yc o n s t r a i n t sa r es a t i s f i e d ，w i t h o u tc h a n g i n gt h e s t r u e t u r eo ft h ec o n t r o l l e ds y s t e m t h en e a r o p t i m a lp e r f o r m a n c eo fac o n t r o l l e dn e t s y s t e mc a nb eo b t a i n e dv i at h ep r o p o s e dm e t h o d a tl a s t ，t h i st h e s i sd e s i g n sr o b u s tl i v e n e s s - e n f o r c i n gs u p e r v i s o r sf o ra m s w i t hu n r e - l i a b l er e s o u r c e si nr e a l - w o r l d f o rs y s t e m so fs i m p l es e q u e n t i a lp r o c e s s e sw i t hr e s o u r c e s ( s 3 p r ) ，i nt h ef i r s tp l a c e ，am o n i t o ri sa d d e df o re a c he m p t i a b l es t r i c tm i n i m a ls i p h o n ( s m s ) t oo b t a i nal i v e n e s s e n f o r c i n gs u p e r v i s o r i nt h es e c o n dp l a c e ，t oi m p r o v et h e r o b u s t n e s so ft h es u p e r v i s o r ，w ea d dr e c o v e r ys u b n e t s ，n o r m a la r c s ，a n di n h i b i t o ra r c st o t h es v s t e mo b t a i n e db yt h ef i r s ts t a g es u c ht h a tl i v e n e s si ss t i l lp r e s e r v e d t h ep r o p o s e d m e t h o db r i d g e st h eg a pb e t w e e ne x i s t i n gp e t r in e tc o n t r o lp o l i c i e sa n d t h e i ra p p l i c a t i o n t or e a ls y s t e m sw i t hu n r e l i a b l er e s o u r c e s t h i sr e s e a r c hi so fs i g n i f i c a n c eb o t hi nt h e o r ya n d i np r a c t i c et ot h es u p e r v i s o r y c o n t r o 】o fa m si nap e t r in e tf o r m a l i s m a b s t r a c t v k e y w o r d s ： a u t o m a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sd e a d l o c k p e t r in e t s s i p h o n st h e o r yo fr e g i o n s s 、m b o l s i x c c f j h ( r ) j ：p _ z 川i i + 叫l _ ，：t - 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i n c i d e n c em a t r i xo fap e t r in e t a p l a c ei nap e t r in e t t h ep o s t s e to fap l a c e p t h ep r e s e to fap l a c ep a ni d l ep l a c e a nu n r e l i a b l ep l a c e t h es e to ft r a n s i t i o n st ow h i c ht h e r ea r ei n h i b i t o ra r c sf r o mp l a c e p a ni n h i b i t o ra r c t h es e to fm a r k i n g sr e a c h a b l ef r o mm t h es e to fm a r k i n g sr e a c h a b l ef r o mm 0 t h es e to fh a n d l e r s ( o p e r a t o r s ) o f p t h er a n ko fm a t r i xa as i p h o n t h es e to fa c t i v i t yp l a c e si ns t h es e to fr e s o u r c ep l a c e si ns t h ec o m p l e m e n t a r ys e to fs t h ec o m p l e m e n t a r ys e to fsi nt h ef o r mo fm u l t i s e t as e to ft r a n s i t i o n si nap e t r in e t at r a n s i t i o ni nap e t r in e t t h ep r e s e to fat r a n s i t i o n 芒 t h ep o s t s e to fat r a n s i t i o nt t h es e to fp l a c e sf r o mw h i c ht h e r ea r ei n h i b i t o ra r c st ot r a n s i t i o nt aw e i g h tf u n c t i o n t h ew e i g h to fa x e 仁，秒) t h ew e i g h to fa r c t h ep r e s e to fan o d ez p u t t h ep o s t s e to fan o d ex e p u t as e t t h ee l e m e n tc o u n ti nas e tx t h ec a r d i n a l i t yi nas e tx t h ep r e s e to fas e tx c p u t t h ep o s t s e to fas e tx c p u t t h es e to fi n t e g e r s 卵 ， 仆仆q、， 珞魄p矿印矿m矿蛳辟删s乳屹0 f。圹甲一咖嘲。矿x冈f z e d g h y u q t 仃 j 盯 q q ( 口) t h es e to fs t r i c tm i n i m a ls i p h o n s t h es e to fe l e m e n t a r ys i p h o n s t h es e to fd e p e n d a n ts i p h o n s t h es e to fp l a n ts i p h o n t h es e to fh y b r i ds i p h o n t h es e to fm o n i t o rs i p h o n as e to fu n c o n t r o l l e ds i p h o n s t h et i m e st h a t 亡i sf i r e df r o mm a r k i n gm a f i r i n gs e q u e n c eo fap e t r i n e t t h ep a r i k hv e c t o ro ff i r i n gs e q u e n c e 盯 am u l t i s e t t h ec o e f f i c i e n to fe l e m e n ta ai nq c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n t e c h n o l o g i c a lr e v o l u t i o ni no u r r e a l - w o r l dh a si n c r e a s i n g l yr e q u i r e dn e wt e c h n i q u e s f o rt h es y n t h e s i sa n dv e r i f i c a t i o no fc o m p l e xs y s t e m ss u c ha sa u t o m a t e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ( a m s ) ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，a n dt r a f f i c c o n t r o l s y s t e m s f o ra m s ，r e a d i l yr e p r e s e n t e d i na l o g i c a lf o r m a sd i s c r e t ee v e n ts y s t e m s ( d e s ) ， p e t r in e t sa r eu s e di nt h i sw o r k t h e ya r ew e l ls u i t a b l et od e s c r i b ea m s b e h a v i o r a n dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sc o n c u r r e n c y , c o n f l i c t ，a n dc a u s a ld e p e n d e n c y t h e yc a nb e u s e dt or e v e a ls u c hb e h a v i o r a lp r o p e r t i e sa sl i v e n e s s ，a n db o u n d e d n e s sv i aap e t r in e t f o r m a l i s m 【7 】，【17 ，”c o m p a r e dt of i n i t ea u t o m a t a ，w h i c ha r ee x t e n s i v e l yu s e di n t h ed e sf r a m e w o r k ，p e t r in e t so f f e rac o m p a c tr e p r e s e n t a t i o no fd e s ，a st h e yd on o t r e p r e s e n te x p l i c i t l yt h es t a t es p a c eo ft h es y s t e m t h i st h e s i sa d d r e s s e sn e wm e t h o d o l o g i e sf o rt h es u p e r v i s o r yc o n t r o lo fa m s t h i s i n t r o d u c t o r yc h a p t e rf i r s tp r o v i d e st h eb a c k g r o u n do fa m s a n dt h e i rd e a d l o c kp r o b l e m s a n dr e s o l u t i o n s u b s e q u e n t l y , l i v e n e s s e n f o r c i n gs u p e r v i s i o nf o ra m sw i t ha n dw i t h o u tu n r e l i a b l er e s o u r c e sa r eb r i e f l yd i s c u s s e da n dr e s e a r c hi s s u e st ob ea d d r e s s e da r e i n d i c a t e d f i n a l l y , t h et h e s i so r g a n i z a t i o ni sp r e s e n t e d 1 1 b a c k g r o u n d c o m p e t i t i o na m o n gt h ew o r l d sm a j o ri n d u s t r i a ln a t i o n s h a sr e n e w e di n t e r e s ti nt h e i s s u e so fi n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t yt h r o u g hs t a t e o f - t h e - a r tm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s s u c hat e c h n o l o g i c a le d g ec a nb ea c h i e v e dt h r o u g ht h ed e v e l o p m e n ta n dd e p l o y m e n t o fa d v a n c e da u t o m a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ( a m s ) a na m si sac o n g l o m e r a t i o n o fc o m p u t e rn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e dm a c h i n et o o l s ，r o b o t s ，a u t o m a t e dg u i d e dv e h i c l e s ( a g v ) ，b u f f e r sa n df i x t u r e s ，s e r v e db yam a t e r i a l h a n d l i n gs y s t e m p a r t se n t e ra m s ， a c c o r d i n gt oap r e d e f i n e d ( o rp a r t i a l l yp r e d e f i n e d ) s e q u e n c eo fo p e r a t i o n s ，t h r o u g ht h e s e to fs y s t e mr e s o u r c e sa n da r ec o n c u r r e n t l yp r o c e s s e d a na m su s u a l l ye x h i b i t sah i g h d e g r e eo fr e s o u r c es h a r i n gi no r d e r t oi n c r e a s ef l e x i b i l i t ys u c ht h a ti tc a nq u i c k l yr e s p o n d t om a r k e tc h a n g e s t