基于Petri网的柔性制造系统可达性分析与死锁控制

发布时间：2019-09-25 06:26

【摘要】：柔性制造系统(FMSs)是由数控机床、缓冲器、夹具、机器人、自动导向小车(AGV)以及其它材料处理设备构成的计算机控制系统。其中一部分被视为该柔性制造系统的共享资源。而并行加工过程对这些有限资源的竞争会导致死锁的出现,会极大地降低生产效率。因此,对死锁的分析与控制势在必行。Petri网由于具有简约和规范的表达形式,在柔性制造系统的建模、分析和控制中得到了广泛的应用和发展。近年来,研究者提出了大量基于Petri网的控制策略。通常,评价这些策略的性能指标主要有三个：行为许可性、结构复杂度以及计算复杂度。从技术角度看,这些策略主要通过结构分析和可达图分析来实现死锁控制。基于结构分析通过信标或资源变迁环路来获得活性控制器,通常计算效率较高但却限制了系统的部分许可行为。而基于可达图分析往往可以获得具有较高许可行为的次优或最优活性控制器。但由于要枚举部分或全部可达图而存在状态爆炸问题。本论文致力于研究柔性制造系统可达状态的高效求解方法及活性控制器设计。主要的研究成果如下：1.针对一类被称作Pipe-line Nets(PLNs)的子网,提出了一种高效的基于P-不变式和严格极小信标计算可达标识集的新方法。首先,根据极小P-半流求得系统的不变式标识集,其中由于系统共享资源的存在而可能包含伪标识,并由资源环路求得严格极小信标。其次,通过分析严格极小信标中操作库所的标识数与其界的关系,给出判定伪标识的一个充分必要条件,并根据该条件求得所有的伪标识。最后,通过剔除不变式标识集中的所有伪标识来获得PLNs的可达标识集。试验结果验证了基于P-不变式和严格极小信标计算可达标识集的高效性。2.将基于P-不变式和严格极小信标计算可达标识集的方法扩展到比PLNs更一般的具有特定资源库所的LS3PR网系统中。通过分析严格极小信标中操作库所的标识数与其界的关系,给出判定伪标识的一个更一般的充分必要条件,并根据该条件求得不变式标识集中所有的伪标识。最后,通过剔除不变式标识集中的所有伪标识来获得LS3PR网的可达标识集。实例分析验证了该方法的有效性。3.大多数已有的Petri网死锁预防策略都是通过添加控制库所来解决死锁问题。基于可达图分析,可以获得最大许可行为的活性控制器使得所有合法标识可达并禁止所有首遇坏标识。本文基于可达图分析,提出了一种通过添加控制变迁来将死标识转化为合法标识的死锁控制策略,其中保留了所有的系统行为而不引入新的系统状态。为了降低控制器的结构复杂度,本文提出了一种集合覆盖方法来减少控制变迁的数目。该控制器保留了系统的所有的行为并将死标识转化为合法标识,保证了系统活性并且可达状态最多,因此是一个最优的活性控制器。与已有的基于控制库所的死锁预防策略相比,该策略下系统具有更多的许可行为。4.针对S3PR网,提出了一种死锁避免策略,其中只禁止使严格极小信标清空的变迁发射。通过分析可达图中的标识,给出该策略可以获得最大许可行为活性控制器的充分必要条件。最后得出当一类被称作弱从属S3PR网的子网满足一定的结构条件时,该策略可以获得最大许可行为的活性控制器。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH165

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