面向CPS的虚拟生产线建模与调度研究

发布时间：2017-06-28 23:11

  本文关键词：面向CPS的虚拟生产线建模与调度研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,信息物理融合系统(CPS,Cyber-Physical System)已成为国内外学术界与科技界研究开发的重要方向。它通过计算技术、控制技术和通信技术的有机融合与深度协作,实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS实现计算、通信与物理系统的一体化设计,可使系统更加可靠、高效、实时协同,具有重要而广泛的应用前景。本文以军队某研究院武器生产线“机器人换人”技术研究项目为背景,开展了面向CPS的虚拟生产线建模与调度研究。论文首先论述了CPS的运行方式及其在智能生产线中的应用前景,提出了面向CPS的智能生产线系统框架,旨在实现“基于仿真的规划与控制”,促进生产过程中的实时监测与在线控制,并给出了面向CPS的实验系统体系结构,接着分析了涉及的关键技术,为全文研究奠定基础。研究了虚拟环境建模,采用零部件三维参数化方法构建模型,基于此论述了虚拟样机的开发方法,实现了虚拟样机的构建,并分析测试了样机的特征参数,仿真结果验证了虚拟样机的可用性。研究了含机器人单元的生产调度问题,首先建立了机器人单元调度的数学模型,并提出一种基于生产工序的库所时延Petri网(PTPN)进行系统分析,对系统的阻塞、饥饿、死锁等特性进行了阐述。基于此,采用遗传算法对机器人的搬运工序进行优化,并重新设计了遗传算法,将邻域搜索应用于遗传算法的交叉及变异过程,使得子代朝着最优解方向收敛,优化生产调度,通过对算法仿真、分析,验证了算法的有效性。在上述研究的基础上,本文实现了一个虚拟环境与实物机器人协同仿真原型系统。首先确定了原型系统的设计方案,再开发了其功能模块,最后结合虚拟环境及实物机器人协同仿真进行了分析论证,并以项目单位的对接平台为应用实例,验证了本文研究内容的可行性和有效性。
【关键词】：CPS 仿真规划与控制 虚拟生产线 机器人单元调度 遗传算法
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242;TP202
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 CPS国内外研究现状10
• 1.2.2 虚拟生产线国内外研究现状10-11
• 1.2.3 机器人单元调度国内外研究现状11-12
• 1.3 本文研究内容及体系结构12-14
• 1.3.1 本文研究内容12
• 1.3.2 本文体系结构12-14
• 第2章 面向CPS的智能生产线体系结构研究14-22
• 2.1 面向CPS的智能生产线系统框架14-18
• 2.1.1 CPS的运行方式14-15
• 2.1.2 CPS在智能生产线中的应用前景15-16
• 2.1.3 面向CPS的智能生产线系统框架16-18
• 2.2 面向CPS的实验系统体系结构18-20
• 2.3 面向CPS的虚拟生产线建模与调度技术研究20-21
• 2.3.1 仿真规划技术20-21
• 2.3.2 调度与控制技术21
• 2.4 本章小结21-22
• 第3章 虚拟生产线设计22-34
• 3.1 生产线布局设计22-24
• 3.1.1 布局分析22-23
• 3.1.2 布局设计23-24
• 3.2 虚拟生产线建模24-33
• 3.2.1 几何建模24
• 3.2.2 虚拟样机建模24-33
• 3.3 本章小结33-34
• 第4章 机器人单元生产调度研究34-48
• 4.1 机器人单元调度问题研究34-38
• 4.1.1 作业车间调度问题描述34
• 4.1.2 机器人单元调度特点分析34-37
• 4.1.3 调度策略研究37-38
• 4.2 基于Petri网的遗传调度算法38-46
• 4.2.1 虚拟生产线分析38-40
• 4.2.2 PTPN模型的调度问题分析40-41
• 4.2.3 基于PTPN模型的遗传算法设计41-46
• 4.3 生产线仿真及分析46-47
• 4.3.1 EM-Plant建模46-47
• 4.3.2 仿真及结果分析47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 原型系统开发与应用48-61
• 5.1 原型系统设计方案48
• 5.2 原型系统组成48-51
• 5.2.1 系统的物理拓扑结构48-49
• 5.2.2 硬件组成49-50
• 5.2.3 软件配置50
• 5.2.4 开发流程50-51
• 5.3 原型系统功能实现51-54
• 5.3.1 规划功能52
• 5.3.2 控制功能52-53
• 5.3.3 仿真功能53-54
• 5.3.4 底层通信54
• 5.4 原型系统应用与分析54-60
• 5.5 本章小结60-61
• 第6章 总结与展望61-63
• 6.1 全文总结61-62
• 6.2 后续工作展望62-63
• 参考文献63-66
• 致谢66-67
• 攻读学位期间主要的研究成果67

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