基于自动机的虚拟生产系统混合式监控与自适应调度

发布时间：2020-03-28 05:45

【摘要】： 随着科技的进步和经济全球化的深入,当今制造业所处的环境发生了巨大的变化。各制造企业不仅需要向用户提供高质量、高性能的产品,而且要能及时对动态多变的市场环境做出准确的响应,为用户提供多品种小批量生产直至大规模定制。以实现柔性和对多变市场需求作出及时响应为目标的面向客户的敏捷制造日益成为21世纪企业的主要模式。在敏捷制造的研究中,如何使企业生产系统的资源结构(资源组织方式)和控制结构(资源调度方式)快速、高效和经济地适应市场需求是敏捷思想得以实现的核心部分。对于我国大部分制造企业而言,尽管已在硬件方面营建了实施敏捷制造的条件,但还是普遍缺乏有效和适合的资源组织、调度以及控制等软性技术的支持,因此,从敏捷制造的角度研究企业车间级生产的资源结构和控制结构及其复杂的优化问题,将对我国制造企业进一步发展敏捷制造、提高企业竞争力起到有力的指导和推进作用。本文通过对生产系统资源结构和控制结构研究现状的比较,分析和归纳了它们的发展趋势,并预见了结合众多新型资源结构理论而提出的虚拟生产系统(VPSs)具有潜在的研究和应用价值。在分析了VPSs研究现状后,以提高控制效率、动态调度的实时能力、稳定性以及降低变化成本等为目标,提出了在虚拟空间上构造一种具有可重构性、鲁棒性、自适应性、经济性,适合于单件小批量生产环境的VPSs监控调度集成系统。首先,针对现有基于Petri网方法的VPSs模型在控制效率上的不足,本文构筑了兼顾控制和调度的基于自治与协调的VPSs监控调度系统,并在UPPAAL软件平台上加以实现。该系统主要包括:采用自动机/形式语言方法并结合面向对象的技术以及层级的方法建立的VPSs可重构DEDS模型;针对VPSs逻辑(虚拟)和物理的双重特点设计的基于自治与协调的混合式监控框架;以及进一步应用自动机反馈监控原理及网络技术具体构建的基于自治与协调的VPSs两层级混合式监控结构。将赋时自动机(网络)理论与所设计VPSs闭环控制系统相结合,最终在UPPAAL上搭建了基于自治与协调的VPSs监控调度系统,并进行了无死锁性分析以及时间最优调度的计算和仿真。其次,针对现有基于整体重调度方法的VPSs动态调度在实时能力、稳定性和经济性上的不足,本文采用局部重调度方法,在专家系统软件平台CLIPS上开发了VPSs自适应动态调度专家系统。它主要包括:结合VPSs自身的特点,构建基于事件驱动的VPSs自适应动态调度基本框架;进一步系统地制定VPSs自适应动态调度的机理所包含的各项内容;并提出改进的启发式受影响操作重调度算法,作为VPSs自适应动态调度的算法;最终在CLIPS上构建VPSs自适应动态调度专家系统。最后,建立了由这两个系统构成的VPSs监控调度集成系统,并以典型而复杂的FMS为例,在正常和异常情况下分别进行了实时监控调度和动态调整调度的实验,从而验证了本文所提出的方法和所建立的系统是可行和有效的。
【图文】：

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第 11 页图 1-5 虚拟生产系统（VPSs）示意图Fig.1-5 The paradigm of Virtual Production Systems (VPSs)在实际生产系统中，由若干并存的 VPS 构建起的可以同时进行多品种产品制 VPSs 是采用 VPS 这一新资源结构的典型例子，如图 1-5 所示。它很好地结合了产品与面向功能这两种基本资源结构的优势，具有以下三个显著的特征：（1）有效的内部物流管理：从 VPSs 逻辑层的角度出发，每个 VPS 实际上是根据某一特定用户产品的生产、在控制计算机上建立起来的一个专用生产系统，并且由独立的控制器进行控制以，VPSs 可以进行面向产品的资源结构那样有效的内部物流管理，易于掌握每品的生产状况，并对其生产过程实施调度与控制。（2）简单的制造资源管理：

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图 4-2 VPSs 的赋时自动机（网络）模型Fig.4-2 The NTA model of VPSs图 4-2 中，双圈为初始位置，单圈为其他位置，带箭头的实线表示边，，每条边可选择性地带有行为、卫式以及更新的标签。为了与各自的自治监控器建立对应的监督和控制关系，各 VPS 及其所使用制造资源的赋时自动机（网络）模型都在行为后面标记了符号“!”和“?”，分别用来表示通过同步通道发送和接收信息。这样，监控对象中的行为就与自治监控器中相对应的行为通过同步通道关联了起来。例如，监控对象 VPS1 中的“VPS1AGV?”通过同步通道 VPS1AGV 与它自治监控器中的“VPS1AGV!”相关联，这样，一旦 VPS1 通过同步通道 VPSAGV 接收到控制命令“VPSAGV!”，它就会受到“VPSAGV?”的激发而从位置 Begin 变迁到位置AGVtransporting1。此外，整型变量 AGVid 和 AGVbackupid 的卫式用于确定 T1 和T2 中哪个为当前工作的 AGV。例如，若卫式 AGVid == 1，AGVbackupid == 2 满足，则 T1 为当前负责输送的 AGV，T2 为备用 AGV。4.3.2 自治监控器的赋时自动机（网络）模型
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：F406

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