CN104102195B - 一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，包括以下步骤：1)构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型，根据各组件模型得到所述离散事件系统的整体模型G；2)获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOC_i，并将一个分布式控制器LOC_i中导致状态转移，而不在该分布式控制器LOC_i对应的组件模型中发生的事件，记作通信事件；3)获取每个通信事件的延时界限，当各通信事件在延时界限范围内时，所述离散事件系统的总特性最优且非阻塞；4)根据各通信事件的延时界限，各分布式控制器依靠相应的通信模型来完成对所述离散事件系统的控制。本发明可以在通信延时不为零时，各分布式控制器仍对对离散事件系统的实施有效的控制。

Description

一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法

技术领域

本发明属于离散事件系统的控制理论领域，涉及一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法。

背景技术

离散事件系统常见于通信、交通等公共服务设施，机械、电子等各种离散型生产加工过程，多级管理/控制系统、计算机信息处理等重要技术领域。近年来，通信网络和嵌入式技术的快速发展，使得依靠通信来协同工作的多模块系统遍布于工程领域(当然包括离散事件系统)，称之为分布式系统；这些分布式系统中的传感器，执行器等大多分布在不同的地理位置上，使得系统的管理，控制器的设计和实现变得更加困难。为了克服这些问题，研究者们引入了分布式控制方法：为每个模块设计控制策略，依靠模块间通信来满足全局的性能要求，分布式控制结构如图1所示。分布式控制方法使得系统有较高的稳定性和易维护性，因此，研究离散事件系统分布式控制方法具有重要的研究价值。

目前，控制器局部化方法是研究离散事件系统分布式控制问题的主要方法之一：研究如何设计分布式控制器，依靠控制器间的通信来使得闭环系统满足给定的性能要求。现有对控制器局部化算法的研究，假定控制器间的通信延时为零，主要考虑如何系统地设计分布式控制器使得系统的总特性最优(本发明中最优均指系统总特性最大限度地满足性能要求)且系统非阻塞运行。通常情况下，要实现对被控对象的控制，首先要用传感器检测被控对象中发生的事件；然后将用有限自动机表示的控制策略转换为PLC、嵌入式设备等工业控制器所能执行的控制策略；最后依靠控制器之间的通信来决定执行机构的动作。而控制器之间的通信需要由光纤、无线电波等通信介质来实现，不同的通信介质具有不同的传输速率和稳定性，从而决定了不同的成本。因此，研究存在延时的离散事件系统分布式监督控制器的设计方法，对节约资源、减少成本具有重要的现实意义。

目前对离散事件系统存在通信延时的分布式控制问题的研究主要集中在：如何设计通信协议(包括通信信息量最少，通信延时有界或无界等问题)，使得系统满足给定要求等问题。但均没有考虑到每个通信事件的延时界限，因此严重的影响了离散事件系统的控制方法的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，该方法可以实现通过各通信事件的延时界限及各分布式控制器对离散事件系统的控制。

为达到上述目的，本发明所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法包括以下步骤：

1)构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)，其中，Q_i为所述离散事件系统的状态集合，∑_i为所述离散事件系统中所有事件的集合，δ_i为所述离散事件系统的状态转移关系，q_i，0为所述离散事件系统的初始状态，Q_i，m为所述离散事件系统的标识状态集合，根据各组件模型得到所述离散事件系统的整体模型G，并通过状态列表State_list表示自动机模型的状态转移关系；

2)获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOC_i，并将一个分布式控制器LOC_i中导致状态转移，而不在该分布式控制器LOC_i对应的组件模型中发生的事件，记作通信事件；

3)获取每个通信事件的延时界限，则当各通信事件在延时界限范围内时，所述离散事件系统的总特性最优且非阻塞；

4)根据各通信事件的延时界限及各分布式控制器完成对所述离散事件系统的控制。

步骤1)中的状态列表State_list包括三个列，其中，第一列存储源状态，第二列存储事件，第三列存储目标状态，状态列表State_list中每一行的三个元素构建了<源状态，事件，目标状态>的三元组，其中，源状态代表当前离散事件系统所在的状态，事件代表在当前状态下能够发生的事件，目标状态代表在当前状态下如果事件发生，离散事件系统将达到的下一个状态；当在一个源状态下有j个事件发生，且j＞1，则在列表中需要j行来表示，即第一行表示<源状态，事件1，目标状态1>，第二行表示<源状态，事件2，目标状态2>，……，第j行表示<源状态，事件j，目标状态j>。

步骤1)中构建该离散事件系统中各个组件模型的自动机模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)的具体步骤如下：

101)构建所述离散事件系统中各组件模型中的事件集合；

102)将系统组件i的初始状态作为第一个源状态写入到状态列表State_list的第一行的第一列的位置；

103)分析组件模型的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，设该源状态下能够发生j个事件；

104)把该源状态写入状态列表State_list中下一个行的第一列位置，把下一个事件写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在该事件发生后所到达的目标状态，并且把该目标状态写入该行第三列的位置；

105)重复步骤104)直到将所述j个事件、以及对应的源状态及目标状态全部写入到状态列表State_list；

106)将下一个目标状态作为新的源状态，重复上述过程103～105，得离散事件系统中组件i的自动机模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)；

107)重复上述步骤102～106，得到系统所有组件的自动机模型G_i(i∈N)。

步骤2)所述获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器的具体操作为：

根据所有组件模型的自动机模型构建该离散事件系统的系统模型G＝Sync(G₁，G₂，...，G_n)，并通过TTCT软件中的Supcon程序得到该离散事件系统的集中监督控制器SUP，使所述离散事件系统在该集中监督控制器SUP控制下的总特性最优且非阻塞，然后根据系统模模型G＝Sync(G₁，G₂，...，G_n)、各组件模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)及集中控制器SUP得各分布式控制器LOCi。

步骤3)的具体操作为：

301)获取需要通信的事件∑com＝∪{Σ_i，com|i＝1...，n}＝∪{Σ_i，L-∑_i|i＝1...，n}，其中，∑_i，L和∑_i分别为分布式控制器LOC_i及自动机模型G_i的事件集合；

302)设事件r为第i个分布式控制器LOC_i中需要通信的事件；

303)建立表示无界延时的通信模型CH_r，然后将第i个分布式控制器LOC_i中所有需要通信的事件r替换为r′，其中，r′表示第i个分布式控制器LOC_i接收到事件r的发生信息，得替换后的分布式控制器LOC₁′，将无界延时通信模型CH_r连接到所述离散时事件系统中，并得到此时的离散事件系统的总特性SUP″，即

SUP_r"＝(LOC_i′/G_i)||CH_r||(||{LOC_k/G_k|k≠i})；

304)检测替换后的离散事件系统的总特性SUP_r″是否最优且非阻塞；

305)当所述替换后的离散事件系统的总特性SUP_r″最优且非阻塞时，表示通信事件r的传输为无界延时的，则令通信延时界限d_r＝∞；

306)当所述离散事件系统的总特性SUP_r″不是最优且非阻塞时，则令通信延时界限d_i＝1，并建立有界延时通信模型CH_r，d，并将有界延时通信模型CH_r，d连接到所述离散事件系统中，得此时该离散事件系统的总特性SUP_r，d″；

307)判断此时该离散事件系统的总特性SUP_r，d″是否最优且非阻塞；

308)当此时该离散事件系统的总特性SUP_r，d″最优且非阻塞时，表明当前事件r的延时界限为当前的d，则令d_r＝d；当系统的总特性SUP_r，d″不是最优且非阻塞时，则将d+1记作新的延时界限；

309)重复步骤302)～308)，直至所有分布式控制器中所有需要通信的事件都遍历完为止，得每个通信事件的延时界限。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，首先构建该离散事件系统中各个组件模块的自动机模型；然后获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器以及各通信事件的延时界限；最后根据所述通信事件的延时界限及各组件模型的分布式控制器依靠相应的通信模型来控制所述离散事件系统，并且保证所述离散事件系统的总特性最优且非阻塞，操作方便、简单。

附图说明

图1本发明中分布式控制的结构示意图；

图2本发明中无界延时通信模型CH_r的示意图；

图3本发明中有界延时通信模型CH_r，d的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法包括以下步骤：

1)构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)，其中，Q_i为所述离散事件系统的状态集合，∑_i为所述离散事件系统中所有事件的集合，δ_i为所述离散事件系统的状态转移关系，q_i，0为所述离散事件系统的初始状态，Q_i，m为所述离散事件系统的标识状态集合，根据各组件模型得到所述离散事件系统的整体模型G，并通过状态列表State_list表示自动机模型的状态转移关系；

2)获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOC_i，并将一个分布式控制器LOC_i中导致状态转移，而不在该分布式控制器LOC_i对应的组件模型中发生的事件，记作通信事件；

3)获取每个通信事件的延时界限，则当各通信事件在延时界限范围内时，所述离散事件系统的总特性最优且非阻塞；

4)根据各通信事件的延时界限及各分布式控制器完成对所述离散事件系统的控制。

步骤1)中的状态列表State_list包括三个列，其中，第一列存储源状态，第二列存储事件，第三列存储目标状态，状态列表State_list中每一行的三个元素构建了<源状态，事件，目标状态>的三元组，其中，源状态代表当前离散事件系统所在的状态，事件代表在当前状态下能够发生的事件，目标状态代表在当前状态下如果事件发生，离散事件系统将达到的下一个状态；当在一个源状态下有j个事件发生，且j＞1，则在列表中需要j行来表示，即第一行表示<源状态，事件1，目标状态1>，第二行表示<源状态，事件2，目标状态2>，……，第j行表示<源状态，事件j，目标状态j>。

步骤1)中构建该离散事件系统中各个组件模型的自动机模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)的具体步骤如下：

101)构建所述离散事件系统中各组件模型中的事件集合；

102)将系统组件i的初始状态作为第一个源状态写入到状态列表State_list的第一行的第一列的位置；

103)分析组件模型的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，设该源状态下能够发生j个事件；

104)把该源状态写入状态列表State_list中下一个行的第一列位置，把下一个事件写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在该事件发生后所到达的目标状态，并且把该目标状态写入该行第三列的位置；

105)重复步骤104)直到将所述j个事件、以及对应的源状态及目标状态全部写入到状态列表State_list；

106)将下一个目标状态作为新的源状态，重复上述过程103～105，得离散事件系统中组件i的自动机模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)；

107)重复上述步骤102～106，得到系统所有组件的自动机模型G_i(i∈N)。

，步骤2)所述获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器的具体操作为：

根据所有组件模型的自动机模型构建该离散事件系统的系统模型G＝Sync(G₁，G₂，...，G_n)，并通过TTCT软件中的Supcon程序得到该离散事件系统的集中监督控制器SUP，使所述离散事件系统在该集中监督控制器SUP控制下的总特性最优且非阻塞，然后根据系统模模型G＝Sync(G₁，G₂，...，G_n)、各组件模型G_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)及集中控制器SUP得各分布式控制器LOC_i。

参考图2及图3，步骤3)的具体操作为：

301)获取需要通信的事件∑_com＝∪{Σ_i，com|i＝1...，n}＝∪{Σ_i，L-∑_i|i＝1...，n}，其中，∑_i，L和∑_i分别为分布式控制器LOC_i及自动机模型G_i的事件集合；

302)设事件r为第i个分布式控制器LOC_i中需要通信的事件；

303)建立表示无界延时的通信模型CH_r，然后将第i个分布式控制器LOC_i中所有需要通信的事件r替换为r′，其中，r′表示第i个分布式控制器LOC_i接收到事件r的发生信息，得替换后的分布式控制器LOC₁′，将无界延时通信模型CH_r连接到所述离散时事件系统中，并得到此时的离散事件系统的总特性SUP″，即

SUP_r"＝(LOC_i′/G_i)||CH_r||(||{LOC_k/G_k|k≠i})；

304)检测替换后的离散事件系统的总特性SUP_r″是否最优且非阻塞；

305)当所述替换后的离散事件系统的总特性SUP_r″最优且非阻塞时，表示通信事件r的传输为无界延时的，则令通信延时界限d_r＝∞；

306)当所述离散事件系统的总特性SUP_r″不是最优且非阻塞时，则令通信延时界限d_i＝1，并建立有界延时通信模型CH_r，d，并将有界延时通信模型CH_r，d连接到所述离散事件系统中，得此时该离散事件系统的总特性SUP_r，d″；

307)判断此时该离散事件系统的总特性SUP_r，d″是否最优且非阻塞；

308)当此时该离散事件系统的总特性SUP_r，d″最优且非阻塞时，表明当前事件r的延时界限为当前的d，则令d_r＝d；当系统的总特性SUP_r，d″不是最优且非阻塞时，则将d+1记作新的延时界限；

309)重复步骤302)～308)，直至所有分布式控制器中所有需要通信的事件都遍历完为止，得每个通信事件的延时界限。

Claims (5)

1.一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型G_i＝(Q_i,Σ_i,δ_i,q_i,0,Q_i,m),其中,Q_i为所述离散事件系统的状态集合，Σ_i为所述离散事件系统中所有事件的集合，δ_i为所述离散事件系统的状态转移关系，q_i,0为所述离散事件系统的初始状态，Q_i,m为所述离散事件系统的标识状态集合，根据各组件模型得到所述离散事件系统的系统模型G，并通过状态列表State_list表示自动机模型的状态转移关系；

2)获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOC_i，并将一个分布式控制器LOC_i中导致状态转移,而不在该分布式控制器LOC_i对应的组件模型中发生的事件,记作通信事件；

3)获取每个通信事件的延时界限，则当各通信事件在延时界限范围内时，所述离散事件系统的总特性最优且非阻塞；

4)根据各通信事件的延时界限及各分布式控制器完成对所述离散事件系统的控制。

2.根据权利要求1所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征在于，步骤1)中的状态列表State_list包括三个列，其中，第一列存储源状态，第二列存储事件，第三列存储目标状态，状态列表State_list中每一行的三个元素构建了<源状态，事件，目标状态>的三元组，其中，源状态代表当前离散事件系统所在的状态，事件代表在当前状态下能够发生的事件，目标状态代表在当前状态下如果事件发生，离散事件系统将达到的下一个状态；当在一个源状态下有j个事件发生，且j＞1，则在列表中需要j行来表示，即第一行表示<源状态，事件1，目标状态1>，第二行表示<源状态，事件2，目标状态2>，……，第j行表示<源状态，事件j，目标状态j>。

3.根据权利要求2所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征在于，步骤1)中构建该离散事件系统中各个组件模型的自动机模型G_i＝(Q_i,Σ_i,δ_i,q_i,0,Q_i,m)的具体步骤如下：

101)构建所述离散事件系统中各组件模型中的事件集合；

102)将系统组件i的初始状态作为第一个源状态写入到状态列表State_list的第一行的第一列的位置；

103)分析组件模型的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，设该源状态下能够发生j个事件；

104)把该源状态写入状态列表State_list中下一个行的第一列位置，把下一个事件写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在该事件发生后所到达的目标状态，并且把该目标状态写入该行第三列的位置；

105)重复步骤104)直到将所述j个事件、以及对应的源状态及目标状态全部写入到状态列表State_list；

106)将下一个目标状态作为新的源状态，重复上述过程103～105，得离散事件系统中组件i的自动机模型G_i＝(Q_i,Σ_i,δ_i,q_i,0,Q_i,m)；

107)重复上述步骤102～106，得到系统所有组件的自动机模型G_i(i∈N)。

4.根据权利要求1所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征在于，步骤2)所述获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器的具体操作为：

根据所有组件模型的自动机模型构建该离散事件系统的系统模型G＝Sync(G₁,G₂,...,G_n)，并通过TTCT软件中的Supcon程序得到该离散事件系统的集中监督控制器SUP，使所述离散事件系统在该集中监督控制器SUP控制下的总特性最优且非阻塞，然后根据系统模型G＝Sync(G₁,G₂,...,G_n)、各组件模型的自动机模型G_i＝(Q_i,Σ_i,δ_i,q_i,0,Q_i,m)及集中控制器SUP得各分布式控制器LOC_i。

5.根据权利要求1所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征在于，步骤3)的具体操作为：

301)获取需要通信的事件Σ_com＝∪{Σ_i,com|i＝1...,n}＝∪{Σ_i,L-Σ_i|i＝1...,n}，其中，Σ_i,L和Σ_i分别为分布式控制器LOC_i及自动机模型G_i的事件集合,Σ_i,com代表在LOC_i中导致状态转移发生但不在G_i中发生的事件组成的集合，可将其记作Σ_i,L与Σ_i的差集Σ_i,L-Σ_i，将所有集合Σ_i,com,i∈{1,…,n}并起来得到需要通信的事件集合Σ_com；

302)设事件r为第i个分布式控制器LOC_i中需要通信的事件；

303)建立表示无界延时的通信模型CH_r，然后将第i个分布式控制器LOC_i中所有需要通信的事件r替换为r'，其中，r'表示第i个分布式控制器LOC_i接收到事件r的发生信息，得到替换后的分布式控制器LOC₁',将无界延时通信模型CH_r连接到所述离散事件系统中，并得到此时的离散事件系统的总特性SUP”，即

SUP_r”＝(LOC_i'/G_i)||CH_r||(||{LOC_k/G_k|k≠i})，其中，符号||表示同步积运算，LOC_i'/G_i表示在控制器LOC_i'控制下组件G_i的特性，||{LOC_k/G_k|k≠i}表示除组件G_i之外其余组件在各自分布式控制器控制下的特性，将上述特性与无界延时通信模型CH_r通过同步积运算连接起来，得到系统的总特性SUP”；

304)检测替换后的离散事件系统的总特性SUP_r”是否最优且非阻塞；

305)当所述替换后的离散事件系统的总特性SUP_r”最优且非阻塞时，表示通信事件r的传输为无界延时的，则令通信延时界限d_r＝∞；

306)当所述离散事件系统的总特性SUP_r”不是最优且非阻塞时，则令通信延时界限d_i＝1，并建立有界延时通信模型CH_r,d，并将有界延时通信模型CH_r,d连接到所述离散事件系统中，得此时该离散事件系统的总特性SUP_r,d”；

307)判断此时该离散事件系统的总特性SUP_r,d”是否最优且非阻塞；

308)当此时该离散事件系统的总特性SUP_r,d”最优且非阻塞时，表明当前事件r的延时界限为当前设定的延时界限d，则令d_r＝d；当系统的总特性SUP_r,d”不是最优且非阻塞时，则将d+1记作新的延时界限；

309)重复步骤302)～308)，直至所有分布式控制器中所有需要通信的事件都遍历完为止，得每个通信事件的延时界限。