（机械电子工程专业论文）存在不可控与不可观变迁的petri网活性控制器设计.pdf

摘要 摘要 在p e t r i 网模型下的柔性制造系统中，人们提出了很多死锁预防策略，这些策略被 广泛用于解决p e t r i 网中的死锁问题。然而，大部分策略都是在假设所有变迁都可控并 且可观的情况下得出。而在实际系统中，不可控和不可观变迁是非常常见的。当存在 不可控变迁或不可观变迁时，由这些策略得到的控制器可能无法阻止系统进入死锁状 态。这是因为控制器无法控制不可控变迁，也无法观测不可观变迁。因此已有的控制 策略不能用于处理存在不可控和不可观变迁的系统。所以在为系统设计控制器时必须 同时考虑不可控变迁以及不可观变迁的影响。 本论文的工作主要包含以下内容： 1 当前在死锁问题的研究中，大量工作都集中在了假定不存在不可控和不可观变 迁的系统中。只有少数控制策略涉及到了不可控和不可观变迁。然而对于那些没有考 虑不可控不可观变迁的策略，目前并没有一种普遍适用的方法来检验这些控制策略在 存在不可控及不可观变迁条件下的适用性。即在什么条件下即使存在不可控和不可观 变迁时这些控制策略仍然适用。本论文提出了一种方法来评价当前已有控制策略在存 在不可控和不可观系统中的适用性。首先，假定所有变迁都可控可观，采用待评价的 控制策略为原网系统设计控制器。然后提出了一种算法得出一组关键可控变迁以及一 组关键可观变迁。根据这两组变迁，给出了控制策略适用的充分条件。即当所有的关 键可控变迁都实际可控并且所有的关键可观变迁都实际可观时控制策略是适用的。结 合已有的控制策略，也可以用提出的评价策略为存在不可控及不可观变迁的p e t r i 网模 型设计控制器。当给定一个待控制的p e t r i 网模型，首先在假设所有变迁可控可观的条 件下用某一控制策略设计控制器，然后用评价策略判断该控制策略的适用性。如果该 控制策略是适用的，则所设计出的控制器能够起到控制作用。若该控制策略不适用， 则再尝试其他的控制策略，直到找到适用的控制策略为止。该评价策略适用于一般 网，并且能用来评价针对一般网的任何死锁预防策略。 2 针对柔性制造系统中的一类子网模型，把基于可被清空信标的活性控制约束表 示为一组不等式。当存在可观变迁时，提出了为这些控制约束添加控制器的策略。然 后针对控制库所后置集中的不可控变迁，提出了组线性规划，通过求解线性规划得 到了一组危险变迁和一组完全安全变迁。控制库所指向危险变迁的弧是非法的，而控 制库所指向完全安全变迁的弧是合法的。然后定义了不可控变迁的首遇可控变迁，使 得控制库所指向了该危险变迁的首遇可控变迁。某个不可控变迁的首遇可控变迁是在 一个基本路径中，该不可控变迁逆向遇到的第一个可控变迁。在添加控制器时依次分 别考虑不可观及不可控变迁，这是本论文的一个重要贡献。此外，在文中还提出了判 断实现控制约束的控制器存在的充分必要条件。 3 基本信标的方法从提出至今已经被人们广泛的应用于死锁预防中。针对比上述 子网模型更为普通的一类子网模型，在存在不可控及不可观条件下提出了基于基本信 i il i v e n e s s - e n f o r c i n gs u p e r v i s o rf o rp nw i t hu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s 标方法的一种控制策略。所有可被清空的信标被分为基本信标与从属信标。首先假定 所有基本信标的控制深度变量为1 。在考虑不可观变迁的情况下，通过给基本信标的 补集中添加原网中的库所使得补集变成了考虑不可观变迁条件下的扩充补集。然后给 扩充补集添加控制器。接着，在考虑不可控变迁条件下，将已经扩充的补集再次扩充 为考虑到不可控变迁条件下的扩充补集。针对第二次扩充的补集，删除了控制库所指 向危险变迁的控制弧并重新添加了新的控制弧。然后，在得到的受控系统中，提出了 算法来重新给控制深度变量赋值使得从属信标可控。此外本论文还分析了基本信标和 从属信标的可控性。证明了在受控网系统中，所添加的控制器使得基本信标和从属信 标一直被标识( 不被清空) 。 关键词：p e t r j 网，不可控变迁，不可观变迁，柔性制造系统，死锁预防 a b s t r a c t i i i a b s t r a c t t h e r ee x i s tm a n yd e a d l o c kp r e v e n t i o np o h c i e st od e a lw i t hf l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m sb a s e do np e t r in e t s ，w h i c hh a v ea l r e a d yb e e ne s t a b l i s h e d t h e ya r ee x t e n s i v e l y u s e dt os o l v ed e a d l o c kp r o b l e m si np e t r in e t s m o s to ft h e ma r ed e v e l o p e du n d e r t h ea s s u m p t i o nt h a ta l lt h et r a n s i t i o n sa r ec o n t r o l l a b l ea n do b s e r v a b l e h o w e v e r ，t h e e x i s t e n c eo fu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n si sac o i n i n o np h e n o m e n o ni n r e a lw o r l d d e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c i e sf o rap l a n tu n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a ta l lt h e t r a n s i t i o n sa r ec o n t r o l l a b l ea n do b s e r v a b l em a yn o tp r e v e n tt h es y s t e mf r o md e a d l o c k s i nap e t r in e tw i t hu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s t h i si sd u et ot h ef a c t t h a tas u p e r v i s o rc a nn e i t h e rc o n t r o lu n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n sn o ro b s e r v eu n o b s e r v a b l e t r a n s i t i o n s c o n s e q u e n t l y , t h ee x i s t i n gp o l i c i e sc a n n o tb eu s e dt od e a lw i t ht h es y s t e m w i t hu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oc o n s i d e r u n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n sw h e nw ed e s i g nm o n i t o r sf o rap l a n t t h em a i nr e s u l t so ft h i sr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s 1 i nt h ep r e s e n tr e s e a r c h e so fd e a d l o c kp r o b l e m s ，m o s tw o r kf o c u s e so nt h ea s - s u m p t i o nt h a ta l lt h et r a n s i t i o n sa r ec o n t r o l l a b l ea n do b s e r v a b l e o n l yam i n o r i t y o fp r e v e n t i o np o l i c i e si n v o l v eu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s w h i l ef o r t h ep o l i c i e sw h i c ht a k en oa c c o u n to ft h eu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s ， t h e r ei sn ol i t e r a t u r et h a tg i v e sag e n e r a lm e t h o dt od i s c u s st h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e e x i s t i n gd e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c i e sw h e nt h e r ee x i s tu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l e t r a n s i t i o n s h o w e v e r ，t h i st h e s i sp r e s e n t sam e t h o dt oe v a l u a t et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h e e x i s t i n gd e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c i e si np e t r in e t sw i t hu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v - a b l et r a n s i t i o n s i nac o n t r o l l e ds y s t e md e r i v e df r o mad e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c y , a n a l g o r i t h mi sd e v e l o p e dt oi d e n t i f yas e to fc r i t i c a lc o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n sa n das e to f c r i t i c a lo b s e r v a b l et r a n s i t i o n s a c c o r d i n gt ot h e s et r a n s i t i o n s as u f f i c i e n tc o n d i t i o ni s d e v e l o p e dt od e c i d et h ea p p l i c a b i l i t yo fad e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c yw h e nt h e r ee x i s t u n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s ，t h a ti s ，t h ep o l i c yi sa p p l i c a b l e 讧c r i t i c a l c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n sa x ei nf a c tc o n t r o l l a b l ea n dc r i t i c a lo b s e r v a b l et r a n s i t i o n sa r ei n f a c to b s e r v a b l e c o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n gp o l i c i e s ，t h ee v a l u a t i o nm e t h o dt h a tw e d e v e l o p e dc a nb eu s e dt od e s i g nas u p e r v i s o rf o rap e t r in e tw i t hu n c o n t r o l l a b l ea n d u n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s g i v e nap l a n tt ob ec o n t r o l l e d ，ad e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c y i sa p p l i e dt od e s i g nas u p e r v i s o rf o ri tu n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a ta l lt h et r a n s i t i o n sa r e c o n t r o l l a b l ea n do b s e r v a b l e n e x t ，t h ee v a l u a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt od e c i d ew h e t h e r t h ep o l i c yi sa p p l i c a b l e i fs o ，t h es u p e r v i s o rd e r i v e df r o mt h ep o l i c yc a ns u c c e s s f u l l y p r e v e n tt h es y s t e mf r o md e a d l o c k s i fi ti s p r e v e n t i o np o l i c i e su n t i la na p p l i c a b l eo n e i n a p p l i c a b l e ，w eh a v et ot r yo t h e rd e a d l o c k i sf o u n d i no u rr e s e a r c h ，t h em e t h o dc a n b eu s e dt od e a lw i t hd i f f e r e n tk i n d so fd e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c i e sf o rg e n e r a l i z e dp e t r i n e t s t h e r ei sn or e s t r i c t i o nt ot h e s ed e a d l o c kp r e v e n t i o np o l i c i e s ，i nw h i c ht h em e t h o d i nt h i ss t u d yc a l lb ea p p l i e d 2 f o rac l a s so fp e t r in e t si nf m s 1 i v e n e s sc o n s t r a i n t sa r er e p r e s e n t e da sas e t o fi n e q u a l i t i e sv i as u p e r v i s i o nb a s e do np l a c ei n v a r i a n t s ( s b p i ) f o re m p t i a b l em i n i m a l s i p h o n s t h e s ec o n s t r a i n t sa r ef i r s te n f o r c e db yc o n s i d e r i n gu n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n sv i a m o n i t o r s n e x t ，f o ru n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n st h a tb e l o n gt ot h ep o s t s e to fm o n i t o r s ， al i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e mi sf o r m u l a t e dt oi d e n t i f yas e to fr i s k yt r a n s i t i o n sa n d as e to ff u l l ys e c u r et r a n s i t i o n s i ti sl e g a lt h a tt h e r ea r ea r c sf r o mm o n i t o r st of u l l y s e c u r et r a n s i t i o n sw h i l ei ti si l l e g a lt h a tt h e r ea r ea r c s 丘o mm o n i t o r st or i s k yt r a n s i t i o n s t h e n ，t h eo u t p u ta r c so fm o n i t o r sa r ei m p o s e dt of i r s t m e tc o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n so f t h ei d e n t i f i e dr i s k yt r a n s i t i o n s af i r s t m e tc o n t r o l l a b l et r a n s i t i o no fa nu n c o n t r o l l a b l e t r a n s i t i o nti st h ef i r s tc o n t r o l l a b l et r a n s i t i o nt h a ttm e e t si na ne l e m e n t a r yp a t hi nt h e d i r e c t i o nf r o mtt oas o u r c et r a n s i t i o n m o r e o v e r ，w ep r o p o s eas u f f i c i e n ta n dn e c e s s a r y c o n d i t i o nt od e c i d et h ee x i s t e n c eo fam o n i t o re n f o r c i n gal i v e n e s sc o n s t r a i n t an e w c o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i sl i e si nt h a tu n o b s e r v a b l ea n du n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n sa r e s u c c e s s i v e l yc o n s i d e r e d 3 e l e m e n t a r ys i p h o n sh a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e dt od e a lw i t hd e a d l o c k si np e t r i n e t su n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a ta l lt h et r a n s i t i o n sa r ec o n t r o l l a b l ea n do b s e r v a b l e f o r am o r eg e n e r a lc l a s so fp e t r in e t si nf m s w ed e v e l o pa ne l e m e n t a r ys i p h o n - b a s e dd e a d - l o c kp r e v e n t i o np o l i c yf o rt h en e t sw i t hu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s f i r s t ，a l le m p t i a b l em i n i m a ls i p h o n sa r ec o m p u t e d t h e ya r ed i v i d e di n t oe l e m e n t a r y a n dd e p e n d e n to n e s t h ec o n t r o ld e p t hv a r i a b l e so fe l e m e n t a r ys i p h o n sa r ea s s i g n e dt o b eo n e t h ec o m p l e m e n t a r ys e to fa n e l e m e n t a r ys i p h o ni sf i r s te x p a n d e db yc o n s i d e r i n g u n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s m o n i t o r sa r ea d d e df o rt h e s ee x p a n d e do n e s t h e n ，t h ee x - p a n d e dc o m p l e m e n t a r ys e ti se x p a n d e da g a i nb yc o n s i d e r i n gu n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n s a r c sr e a r r a n g e m e n ti sm a d ea c c o r d i n gt ot h ee x p a n d e dc o m p l e m e n t a r ys e tw i t ha n - c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n s t h er e a s s i g n m e n to fc o n t r o ld e p t hv a r i a b l e si sa l s om a d es u c h t h a tt h ed e p e n d e n ts i p h o n sc a nb ec o n t r o l l e d m o r e o v e r ，t h ec o n t r o l l a b i l i t yo fe l e m e n - t a r ya n dd e p e n d e n ts i p h o n si sa n a l y z e d w es h o wt h a tt h ee l e m e n t a r ya n dd e p e n d e n t s i p h o n sa r ea l w a y sm a r k e di nt h ec o n t r o l l e ds y s t e md e d v e df r o mt h ep r o p o s e dm e t h o d w h e nt h e r ea r eu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s k e y w o r d s ：p e t r in e t ，u n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n ，u n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n ， f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs ”t e m ，d e a d l o c kp r e v e n t i o n 作者简介 秦萌，陕西咸阳人。2 0 0 4 年毕业于长安大学电气工程及其自 动化专业，获工学学士学位。2 0 0 4 年9 月进入西安电子科技大 学，攻读硕士学位。2 0 0 6 年3 月转为硕博连读。导师：李志武教 授。 主要研究方向：离散事件系统的监督控制，p e t r i 网理论及应用。 代表性成果及经历：已在 t r a n s a c t i o n so ft h ei m t i t u t eo fm e 嬲l l r e m e r i t & c o n t r o l 、( i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fi n n o v a t i v ec o m p u t i n g ，i n f o r m a t i o n ， a n dc o n t r o l s c i 刊物发表学术论文2 篇，已有一篇论文被( i e e en 粼t i o n so n s y s t e m s ，m a n ，a n dc y b e r n e t i c s - p a r ta ：s y s t e m sa n dh u m a n s 录取为r e 刚a rp a p e r ， 在( 2 0 1 0i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nm e c h a t r o n i c sa n da u t o m a t i o n ) ) 发表了一 篇e i m 际会议论文。目前有1 篇期刊稿件正在评审中。 m e n gq i nw a sb o r ni nx i a n y a n g ，s h a a n x ip r o v i n c e ，c h i n a s h er e c e i v e dt h e b s d e g r e e 丘o mc h a n g a nu n i v e r s i t yi n2 0 0 4 i n2 0 0 4 s h eb e c a m eam a s t e rs t u d e n t i nt h es c h o o lo fe l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，x i d i a nu n i v e r s i t y i n2 0 0 6 ，s h e b e g a n t op u r s u et h ep h d d e g r e eu n d e rt h es u p e r v i s i o no fp r o f e s s o rz h i w u l i h e rr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d es u p e r v i s o r yc o n t r o lo fd i s c r e t ee v e n ts y s t e m sa n dp e t r i s h eh a sp u b l i s h e dt w op a p e r si nt h es c i - i n d e x e dj o u m a l s ：i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo l i n n o v a t i v ec o m p u t i n g , i n f o r m a t i o n , a n dc o n t r o la n dt r a n s a c t i o n s 砖t h ei n s t i t u t eo j m e a s u r e m e n t c o n t r o ls h eh a sa p a p e ra c c e p t e db yi e e et r a n s a c t i o n so ns y s t e m s ， m a n , a n dc y b e r n e t i c s p 口死a ：s y s t e m sa n dh u m a n s s h eh a sp u b l i s h e da ne i - i n d e x e d p a p e ri n2 0 1 0i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nm e c h a t r o n i c sa n da u t o m a t i o n t h e r e v i i il i v e n e s s r e n f o r c i n gs u p e r v i s o rf o rp nw i t hu n c o n t r o l l a b l ea n du n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s i sa l s oap a p e ru n d e rr e n e w s y m b o l s t h es e to fu n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n s t h es e to fc o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n s t h es e to fo b s e r v a b l eb u tu n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n s t h es e to fs o u r c et r a n s i t i o n so ft t h es e to fc r i t i c a lc o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n s t h es e to fc r i t i c a lo b s e r v a b l et r a n s i t i o n s t h es e to fb a c k w a x df i r s t m e to b s e r v a b l et r a n s i t i o n so ft t h es e to ff o r w a r df i r s t m e to b s e r v a b l et r a n s i t i o n so ft t h es e to fu n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n st h a ta x er i s k y t h es e to fu n c o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n st h a ta l ef u l l ys e c u r e t h es e to fb r a n c hs i n kp l a c e s a m o n i t o r ，i e ，ac o n t r o lp l a c e t h es e to fm o n i t o r s t h es e to ft r a n s i t i o n st h a ta r ec o n n e c t e dw i t hm o n i t o r s t h es e to fa x e sb e t w e e nm o n i t o r si nr a n dt r a n s i t i o n si n 乃 t h es e to ff i r s t m e tc o n t r o l l a b l et r a n s i t i o n so ft t h es e to fp l a c e si na ne l e m e n t a r yp a t hf r o mn o d ezt oy t h es e to ft r a n s i t i o n si na l le l e m e n t a r yp a t hf r o mn o d ezt oy t h es e to fp o s i t i v e ( n e g a t i v e ) k e yu n o b s e r v a b l et r a n s i t i o n so fs i p h o ns ap e t r in e ts y s t e m am o n i t o rn e t t h ei n c i d e n c em a t r i x t h ei n p u ti n c i d e n c em a t r i x t h eo u t p u ti n c i d e n c em a t r i x t h en u m b e ro fc o n s t r a i n t s as e to fp l a c e s t h es e to fi d l ep l a c e s t h es e to fo p e r a t i o n ( a c t i v i t y ) p l a c e s t h es e to fr e s o u r c ep l a c e s s 靠m 疋五砀砀j，珊一q野殆凡硌r孔r野驰m附叶 p p r 岛 飙 p 寸 r ( n ，m o ) a s 1 ，2 ，扎 a p l a c ei na p e t r in e t t h ep o s t s e to fa p l a c ep t h ep r e s e to fap l a c ep t h es e to fr e a c h a b l em a r k i n g so fn e t ( n ，m 0 ) t h ec h a r a c t e r i s t i cp - v e c t o ro fs 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g a t i v ei n t e g e r s ，z = o ，1 ，2 ，) 驰冈m如嘲例雠o矿勺矿x陋r z 矿 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s m a n u f a c t u r i n gs y s t e m su s u a l l yc o n s i s to ft w os u b s y s t e m s ：ap h y s i c a ls y s t e ma n d a c o n t r o ls y s t e m t h ep h y s i c a ls y s t e mi n c l u d e sr e s o u r c e ss u c ha sm a c h i n e s ，r o b o t s ，b u f f e r s ， a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e s ( a g v ) ，c l a m pa p p a r a t u s ，a n dc o n v e yb e l t s t h ec o n t r o ls y s - t e r ni sa l s oc a l l e dad e c i s i o nm a k i n gs y s t e m ，w h i c hc o n t r o l st h eo p e r a t i o no fp h y s i c a l r e s o u r c e st oo r g a n i z ea n do p t i m i z et h ep r o d u c t i v ep r o c e s s e s m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s c a na l s ob ed i v i d e di n t oc o n t i n u o u sm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ( c h e m i c a la n do i li n d u s - t r y ) a n dd i s c r e t em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ( c o m p u t e ri n d u s t r y ) t h ed e m a n do fp r o d u c t d i v e r s i f i c a t i o ni n c r e a s e sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n g s y s t e m sc a n n o ts a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t h ec o m p u t e ra n di n f o r m a t i o n t e c h n i q u e sa l ee x t e n s i v e l ya p p l i e di n t om a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，w h i c h ，c o m b i n e dw i t h t r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，l e a dt oa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ( a m t ) i nt h i sc a s e ，a m ti n c l u d i n gm a c h i n e s ，e l e c t r o n i c s ，o p t i c s ，c o m p u t e rt e c h n i q u e s ，m a t e r i a l s c i e n c e ，b i o s c i e n c e ，a n dm a n a g e m e n tb e c o m e s