CN108919645A - 一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法 - Google Patents

Abstract

一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，将不可控行为与不可靠资源同时考虑，进行合理的路径规划，有效的避免了，即使存在无法预测的不可靠资源，也可以通过对加工进程进行灵活选择，使得加工进程高效安全运行，而且，本发明通过在线实时计算资源数目，避免了离线计算全局信息的故障感知控制，本发明通过变迁使能规则，得到此时刻可发射的变迁集合，再对变迁进行合理路径规划，综合考虑不可控变迁和不可靠资源，提高自动制造系统的稳健性，得到当前状态下一组稳健变迁集合；本发明利用petri网对于制造系统中存在不可控行为进行灵活路径选择，提高制造系统稳健性，保证加工进程高效安全进行。

Description

一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法

技术领域

本发明属于自动制造系统技术领域，涉及一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法。

背景技术

自动制造系统是指在较少的人直接或者间接干预下，将原材料加工成零件或者零件组装成产品，在加工过程中实现管理过程和工艺过程自动化。管理过程包括产品优化设计；程序的编制及工艺的生成；设备的组织及协调；材料的计划与分配；环境的监控等；然而，随着自动化程度以及资源利用率的提高，如果系统缺乏合适的监控措施，会由于无法预料的资源故障，导致工件进程被阻塞，在实际系统中，仅仅一个资源故障，系统也很有可能陷入禁止状态，禁止状态的出现不仅会使系统的效率降低，运行停止，甚至会导致整个自动制造系统进入瘫痪状态，从而带来巨大的经济损失和安全事故。如何对自动制造系统进行监控从而避免进入不期望的禁止状态，一直是理论界和工业界研究的热点，这关乎系统的经济效益和系统的安全运行。

离散事件禁止状态控制问题由来已久，也一直是自动化控制领域的热点问题，针对完全可控事件的自动系统制造问题，各类监控方法竞相提出，现如今，这类问题的监控策略已趋于成熟，然而，在实际系统中不可避免的出现一些不可控事件(即：外部控制器无法控制该事件的发生与否，可能会导致某事件发生后,由于不可控事件的存在，那么按照控制策略进程只需要前进一步，结果不可抑制的前进好几步，或者某事件发生后会不可避免的使用一些关键的共享资源，导致另一个加工进程无法控制的发生改变从而导致系统的不稳健)，当离散事件中存在不可控事件时，原有的监督控制策略将不在适用，为了保证制造系统的安全运行，需要寻求新的监督控制器对系统进行监测。

对于一个自动制造系统而言，各部件只有在完成组装后，才算整个生产过程结束，如果在加工路径选择过程中对于各部件不施加控制，往往容易导致各部件不能齐头并进，不能在“合适的时间”和“合适的地点”到达，对于制造系统需求而言，需要加工组装的部件基本可以同时到达最终组装位置进行组装，减少等待时间，提高效率；则在满足加工条件的情况下，需要优先加工相对落后的零件，提高系统并发性；现有的提高并发性方法是：给每一个托肯赋予一个标记x，作为它的ID号，用另一个数字y_x表示标有x的托肯前进的步数，初始状态下y_x＝0；托肯每前进一步y_x的值就加1；提升并发性，人们希望所有进程以相同的步伐前进，即任意两个托肯之间的步伐差要尽可能小；可得数学规划方程为此设定标准对于加工制造系统中每一条加工进程所需步数相等的系统具有合理性和统一性；但是在实际应用中，每个零件需要加工的步数不尽相同，有的只需要几步，有的可能需要很长的进程，所以该判定标准就存在一定的局限性。对于加工进程所需步伐不同的系统而言，若存在多个与步伐最靠前的托肯步数差相等，则无法客观判断应该对哪一条加工进程的零件进行加工，如图1为一个制造系统的三条分路径：

对于上述系统而言，J₁进程与J₃进程都在各自加工路径中未向前移动一步，此时有而对于加工路径的J₂进程已经走到该条加工进程的第三步；即，则此刻J₁进程与J₃进程都处于初始状态且都满足加工条件，对于发射哪一个进程的变迁，现有方案无法给出客观的判断。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，该方法适用于具有灵活路径和装配操作的自动制造系统，对于存在不可控变迁的情况，同时考虑资源故障情况时研究的监督控制器。在部分可控的情况下，保障即使进程中一些资源出现故障，其他不使用该资源的路径可以正常运行不受影响，对于使用该不可靠资源的路径会暂时停止加工直到故障修复。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，包括以下步骤：

1)初始化，t_en≠φ,t_rb＝φ,t_en是使能变迁集合，t_rb是自动制造系统稳健变迁集合；

2)在初始条件下采集状态M，包括每一个库所中的托肯数；

3)根据变迁使能规则，在当前状态M下，得所有的使能变迁集合t_en；

4)初始状态下，根据变迁使能规则，判断当前资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者在最近的不可靠资源处存储；若是，则允许发射，然后根据不可控变迁的位置，对自动制造系统进行路径规划，从而得到一组自动制造系统稳健发射变迁集合t_rb；若否，则直接禁止发射。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体过程为：

4.1)若当前资源足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，则允许发射；

4.1.1)判断不含有不可靠资源的路径中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

a)若存在竞争，在保证不可靠资源进程中可发射变迁发射后，若资源有剩余，使得其他路径的使能变迁满足发射条件，则允许发射，并将此变迁纳入自动制造系统稳健变迁集合t_rb中，否则，禁止发射；

b)若不存在竞争，允许发射；

4.1.2)判断不含有不可靠资源的路径中使能变迁发射后是否存在不可控变迁发射的连锁反应；

a)若不存在不可控变迁发射的连锁反应，则进行步骤4.1.1)；

b)若存在不可控变迁发射的连锁反应，此时，对连锁反应进程中的每一步进行判定，判断其是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在竞争；若存在竞争，则进行步骤4.1.1)中步骤a)；若不存在竞争，则进行步骤4.1.1中的步骤b)；

4.2)若当前剩余资源不能支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯运输到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，则从初始状态禁止该变迁发射；

根据以上步骤从而得到一组自动制造系统稳健发射变迁集合t_rb。

本发明进一步的改进在于，根据最优百分比算法，对自动制造系统稳健变迁集合进行分析，使加工进程同步。

本发明进一步的改进在于，根据最优百分比算法，对自动制造系统稳健变迁集合进行分析，使加工进程同步的具体过程如下：

1)进行初始化，自动制造系统并发性改善后可发射的变迁集合t_mc＝φ；

2)当前情况下，自动制造系统稳健变迁集合t_rb中每一个变迁前进一步则

3)求目标函数的最小值，即为当前K条路径中可发射变迁中相对落后的变迁，此时使得该变迁进行发射，从而使得各个进程之间的差距缩小，通过这种方式在自动制造系统稳健变迁集合中筛选出一组变迁即为并发性改善集合t_mc；

4)选择并发性改善集合t_mc中任何一个发射变迁进行发射；

其中，t_mc为自动制造系统并发性改善后可发射的变迁集合，k为当前状态总共有k个进程k_i.length为第i个进程加工的长度，x_i为变迁集合中的每一个变迁对应的托肯添加的标签，为标有记号第x_i个托肯此刻前进的步数；η为托肯向前移动一步占该条加工进程的百分比。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明针对存在不可控行为的稳健性监督控制器，提出了灵活路径选择机制，在实际自动制造过程中，由于不可控事件的存在，导致外部控制器无法对制造过程进行监控，从而会导致一些事件发生后，由于不可控变迁的存在，那么按照控制策略进程只需要前进一步，结果不可抑制的前进好几步，或者一些事件发生后会不可避免的使用一些关键的共享资源，导致另一个加工进程无法控制的发生改变从而导致系统的不稳健；本发明将不可控行为与不可靠资源同时考虑，进行合理的路径规划，有效的避免了，即使存在无法预测的不可靠资源，也可以通过合理的监督控制器对加工进程进行灵活选择，避免其他不含有不可靠资源的路径不受到影响，使得加工进程高效安全运行，而且，本发明通过在线实时计算资源数目，避免了离线计算全局信息的故障感知控制本发明通过变迁使能规则，得到此时刻可发射的变迁集合，再由监督控制器对变迁进行合理路径规划，综合考虑不可控变迁和不可靠资源，提高自动制造系统的稳健性，得到当前状态下一组稳健变迁集合；本发明利用petri网对于制造系统中存在不可控行为进行灵活路径选择，提高制造系统稳健性，保证加工进程高效安全进行，是具有实际应用意义的最优控制策略。

进一步的，根据最优百分比算法，客观的对稳健变迁集合进行分析，使加工进程几乎同步，加工零件基本同时到达组装位置，减少等待时间，提高加工效率，得到当前状态下最优发射变迁集合，每发射一个变迁后，通过变迁发射使能规则，得到一组新的使能变迁集合，循环上述操作，进行路径规划，再次选择出最优发射变迁，如此往复，实时动态的得到一组发射变迁。本发明对于系统的并发性也做了改进，使得需要加工的组件基本可以同时到达组装位置，减少等待时间，提高效率。

附图说明

图1为自动制造系统的分路径图。其中，(a)为J₁进程，(b)为J₂进程，(c)为J₃进程。

图2为最优百分比算法示例图。

图3为存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明利用petri网(petri网是一种形式化建模工具，可以直观表达各种系统进程的运行、同步、并发与冲突等关系)；对于制造系统中存在不可控行为进行灵活路径选择，提高制造系统稳健性，保证加工进程高效安全进行，是具有实际应用意义的最优控制策略。

一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，包括以下步骤：

1)初始化，t_en≠φ,t_rb＝φ,t_en是使能变迁集合，t_rb是自动制造系统稳健变迁集合；

2)在初始条件下采集状态M，包括每一个库所中的托肯数；

3)根据变迁使能规则，在当前状态M下，得到所有的使能变迁集合t_en；

4)初始状态下，根据变迁使能规则，判断当前资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者在最近的不可靠资源处存储；然后对系统的稳健性进行判定，具体过程如下：

4.1)若当前资源足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者能够存储起来，则允许发射；

4.1.1)判断其他进程中(不含有不可靠资源的路径)使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

a)存在竞争，在保证不可靠资源进程中可发射变迁发射后，若资源仍有剩余，仍使得其他路径的使能变迁满足发射条件，则允许发射，将变迁纳入自动制造系统稳健变迁集合t_rb中，否则，禁止发射；

b)不存在竞争，允许发射；

4.1.2)判断其他进程(不含有不可靠资源的路径)中使能变迁发射后是否存在不可控变迁发射等连锁反应；

a)变迁发射后，不存在不可控变迁发射的连锁反应；则进行步骤4.1.1)；

b)变迁发射后存在不可控变迁发射等连锁反应，此时，要对连锁反应进程中的每一步进行判定，判断其是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在竞争；若存在竞争，进行步骤4.1.1)中步骤a)；若不存在竞争，则进行步骤4.1.1中步骤b)；

4.2)若当前剩余资源不能支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯运输到最近的不可靠资源处进行加工或者能够存储起来，则从初始状态禁止该变迁发射；从而得到一组自动制造系统稳健发射变迁集合t_rb；

本发明采用并发性思想：由于在实际制造系统中，每个零件需要加工的步伐不尽相同，有的只需要几步，有的可能需要很长的进程，为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出最优百分比算法，对自动制造系统稳健发射变迁集合进行判定，具体的步骤如下：

变量说明

参见图2，最优百分比算法的具体步骤：

1)进行初始化，自动制造系统并发性改善后可发射的变迁集合t_mc＝φ；

2)当前情况下，自动制造系统稳健变迁集合t_rb中每一个变迁前进一步则

3)求目标函数的最小值，即为当前K条路径中可发射变迁中相对落后的变迁，此时使得该变迁进行发射，从而使得各个进程之间的差距缩小，通过这种方式在自动制造系统稳健变迁集合中筛选出一组变迁即为并发性改善集合t_mc；

4)选择并发性改善集合t_mc中任何一个发射变迁进行发射。

图1中的三个进程：此时可以让进程J₁进行发射，则得到此刻完成J₁进程的加工需要5步，前进一步完成总进程的25％；同理对于J₃进程而言，前进一步，将完成总进程的33.3％；相比较各个进程的加工而言，J₁进程完成加工所需的路程更长，所以此刻选择让J₁进程的使能变迁进行发射。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明中图3中r₄不可靠资源；t₃t₇不可控变迁；

参见图3，通过1个具体实施例进行说明。

如图3所示完成工件组装需要三条进程：

J₁:P₁→P₂→P₃→P₄→P₅；J₂:P₆→P₇→P₈→P₉→P₁₀；J₃:P₁₁→P₁₂→P₁₃→P₁₄→P₁₅；

依图可知，此时使能变迁集合为：t_en＝{t₄,t₅,t₆,t₇,t₁₁,t₁₂,t₁₃}；

对含有不可靠资源的进程进行分析；此时变迁t₆,t₇满足发射条件；

对其他进程中使能发射变迁进行分析并判断是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；可知：J₃路径的变迁t₁₁与t₆存在资源竞争，J₃路径的t₁₂与t₇存在资源竞争；

判断在不可靠资源路径上满足使能条件的变迁发射后，资源是否仍有剩余，若其实资源剩余仍使得其他进程的使能变迁满足发射条件，则纳入自动制造系统稳健变迁集合t_rb中，否则禁止发射；在该状态下t₁₂依旧满足发射条件，纳入自动制造系统稳健变迁集合t_rb中；

进行多步预测，对其他进程可发射变迁进行判定，判断其他进程使能变迁发射后是否存在不可控变迁发射的连锁反应；若存在，同时判定连锁反应中的每一步是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在竞争；参见图3，判定结果：当J₁进程变迁t₄发射后，由于此刻使得t₃满足使能条件，且t₃变迁不可控，该变迁的发射与否不可通过外部控制器进行控制；同时该变迁与不可靠资源路径上可发射变迁t₇存在资源竞争，，t₃发射后，由于资源不足，t₇将不满足使能条件，此时需要对路径进行重新规划以寻求最优路径，使得制造系统安全运行；由于不可控变迁无法通过外部控制器进行控制，此时可以选择从t₃的前置变迁进行控制，阻止系统到达该状态，即：禁止t₄发射；

此刻满足发射条件的稳健变迁集合t_rb＝{t₅,t₆,t₇,t₁₂,t₁₃}；

根据并发性在稳健变迁集合中选择合适的使能变迁进行发射，提高制造系统的加工效率；

在J₁进程中，若t₅发射，完成该条路径需要5步，此刻完成该条进程的20％；同理可得，变迁t₆,t₇,t₁₂,t₁₃发射后完成其所在进程的百分比为：20％，40％，40％，60％；

综上使得η最小的使能发射变迁为{t₅,t₆}；即得到自动制造系统并发性改善后的使能变迁集合t_mc＝{t₅,t₆}。

Claims (4)

1.一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)初始化，t_en≠φ,t_rb＝φ,t_en是使能变迁集合，t_rb是自动制造系统稳健变迁集合；

2)在初始条件下采集状态M，包括每一个库所中的托肯数；

3)根据变迁使能规则，在当前状态M下，得所有的使能变迁集合t_en；

4)初始状态下，根据变迁使能规则，判断当前资源是否足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者在最近的不可靠资源处存储；若是，则允许发射，然后根据不可控变迁的位置，对自动制造系统进行路径规划，从而得到一组自动制造系统稳健发射变迁集合t_rb；若否，则直接禁止发射。

2.根据权利要求1所述的一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，其特征在于，步骤4)的具体过程为：

4.1)若当前资源足够支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯传送到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，则允许发射；

4.1.1)判断不含有不可靠资源的路径中使能变迁发射是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在资源竞争；

a)若存在竞争，在保证不可靠资源进程中可发射变迁发射后，若资源有剩余，使得其他路径的使能变迁满足发射条件，则允许发射，并将此变迁纳入自动制造系统稳健变迁集合t_rb中，否则，禁止发射；

b)若不存在竞争，允许发射；

4.1.2)判断不含有不可靠资源的路径中使能变迁发射后是否存在不可控变迁发射的连锁反应；

a)若不存在不可控变迁发射的连锁反应，则进行步骤4.1.1)；

b)若存在不可控变迁发射的连锁反应，此时，对连锁反应进程中的每一步进行判定，判断其是否与不可靠资源路径上可发射变迁存在竞争；若存在竞争，则进行步骤4.1.1)中步骤a)；若不存在竞争，则进行步骤4.1.1中的步骤b)；

4.2)若当前剩余资源不能支撑含有不可靠资源路径上的可发射变迁的前置活动库所中的托肯运输到最近的不可靠资源处进行加工或者存储，则从初始状态禁止该变迁发射；从而得到一组自动制造系统稳健发射变迁集合t_rb。

3.根据权利要求1所述的一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，其特征在于，根据最优百分比算法，对自动制造系统稳健变迁集合进行分析，使加工进程同步。

4.根据权利要求3所述的一种存在不可控行为的自动制造系统的稳健性控制方法，其特征在于，根据最优百分比算法，对自动制造系统稳健变迁集合进行分析，使加工进程同步的具体过程如下：

1)进行初始化，自动制造系统并发性改善后可发射的变迁集合t_mc＝φ；

2)当前情况下，自动制造系统稳健变迁集合t_rb中每一个变迁前进一步则

3)求目标函数的最小值，即为当前K条路径中可发射变迁中相对落后的变迁，此时使得该变迁进行发射，从而使得各个进程之间的差距缩小，通过这种方式在自动制造系统稳健变迁集合中筛选出一组变迁即为并发性改善集合t_mc；

4)选择并发性改善集合t_mc中任何一个发射变迁进行发射；

其中，t_mc为自动制造系统并发性改善后可发射的变迁集合，k为当前状态总共有k个进程k_i.length为第i个进程加工的长度，x_i为变迁集合中的每一个变迁对应的托肯添加的标签，为标有记号第x_i个托肯此刻前进的步数；η为托肯向前移动一步占该条加工进程的百分比。