基于MIP的柔性制造系统死锁预防方法的研究

发布时间：2020-08-03 05:46

【摘要】：随着科学技术的发展,传统的以大批量、品种单一为主要生产特色的机械制造系统,正在被适应市场动态变化的,以多品种、小批量为主要生产模式的柔性制造系统(Flexiable Manufacturing System,FMS)所替代。一个柔性制造系统往往有多条并行加工的进程,这些进程之间资源是共享的。当竞争资源的进程之间相互等待对方的推进时,死锁就发生了。死锁带来的是部分或整个生产系统的停滞,严重影响着机械制造企业的生产效率。因此,死锁的描述、分析与控制是柔性制造系统研究的重点和难点问题。Petri网作为一个有着坚实数学基础的图形化建模工具,已成为研究柔性制造系统死锁问题最主要的工具。作为Petri网中的一个特殊结构,信标与死锁的发生密切相关,很多基于Petri网的柔性制造系统的死锁预防控制策略都围绕着信标展开。计算复杂性、行为许可性和结构复杂性是衡量死锁预防控制策略性能优劣的三个重要标准。结构复杂性决定了系统验证、确认和实现需要付出的额外代价,行为许可性直接影响着制造系统的柔性和生产效率,而计算复杂性则决定着控制策略对于大规模制造系统的可行性。针对这三项指标的性能优化,本文利用Petri网对柔性制造系统建模,提出了几种基于混合整数规划(Mixed Integer Programming,MIP)的死锁预防控制策略,主要研究工作如下:1.针对柔性制造系统的一般Petri网模型,通过充分研究现有的信标可控性条件的局限性,提出了更宽松的max~#-可控的信标可控性条件。并根据信标max~#-可控的定义,给出了适用于更多类型柔性制造系统Petri网模型的基于MIP的死锁检测算法,为解决大规模柔性制造系统中活性监督控制器的结构复杂性问题提供了有力的理论支撑。2.针对柔性制造系统的S~4PR网模型,通过研究坏信标与网系统活性之间的关系,改进了极小坏信标和与之相关的坏标识的MIP的计算方法,提出了使坏信标受控的迭代的死锁预防控制策略。实验表明,与现有的基于信标的死锁控制策略相比,该方法提高了受控系统的行为许可性,对某些S~4PR网实现了最优控制。同时,因为避免了可达图的计算和信标的遍历,算法具有较低的计算复杂度。3.研究发现,在基于信标的迭代死锁预防控制策略中,非可控信标的受控顺序对活性监督控制器的结构复杂性和受控系统的行为许可性会产生一定的影响。为此,在前期研究成果的基础上,提出了资源最少、资源最少补库所最多和M-控制优先的三种选择性信标控制方法,并给出了其MIP的实现。其中,资源最少和资源最少补库所最多的选择性信标控制方法的主要目标是降低受控系统的结构复杂性。M-控制优先的信标控制方法则主要针对受控系统的行为许可性的提高。实验表明,这三种方法对部分柔性制造系统Petri网模型的死锁控制还是非常有效的。4.针对目前死锁预防控制策略设计出的活性监督控制器普遍存在冗余控制器的问题,提出了基于坏信标检测的S~4PR网活性监督控制器的结构简化方法。该方法通过检测删除某一个控制库所后的受控系统是否存在坏信标,以判断该控制库所的冗余性。它能够最大程度地降低活性监督控制器的结构复杂性,进而提高受控系统的行为许可性。因为坏信标的检测基于MIP法,该结构简化方法同时具有较低的计算复杂性。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP301.1;TH165
【图文】：

加工流程图,刹车片,柔性制造系统,加工流程

浙江理工大学博士学位论文基于 MIP 的柔性制造系统死锁预防方法的研究机 M1 与混料一起高热加压成型，生产出刹车片的粗胚。为了使刹车片具有更高的耐热性，刹车片的粗胚经由热处理炉 M2 高温加热后，由机器人 R 放入缓冲器 B，然后自动上料到磨床 M3 进行研磨切割，以打磨毛边。为避免生锈，再经过喷漆机 M4 的喷漆处理，最终在安装台 M5 上完成与其他附件的组装，成品刹车片就加工完成了。系统的加工流程可由图 2.1(b)表示，其中 I 为上料口，O 为出料口。

刹车片,网模,喷漆机,热处理炉

M3 正在研磨刹车片 t7M3 结束研磨，M4 开始喷漆M4 正在喷漆 t8M4 结束喷漆，M5 开始安装M5 正在安装 t9M5 结束安装，一组新的混料和背板进1 压机 M1 就绪2 热处理炉 M2 就绪3 磨床 M3 就绪4 喷漆机 M4 就绪5 安装台 M5 就绪机器人就绪缓存器就绪

基于MIP的柔性制造系统死锁预防方法的研究

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