CN110456743B - 考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法，构建柔性制造系统中各个组件的自动机模型和通信模型，计算系统总体特性，包含所有组件模型和通信模型，并根据每个组件能观测到的事件集合计算一个满足协同可观测性和可控性的系统特性。采用控制器局部化算法，为每个组件计算一个局部控制器(即分布式控制器)，每个控制器根据其接收到的事件发生信息生成相应的控制策略。本发明给出了一个自上而下的存在通信延时情况下的离散事件系统分布式监督控制器的设计方法；在设计过程中，所有分布式控制器的设计都可通过计算机算法来实现，为分布式控制器的自动设计提供了解决途径。

Description

考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法

技术领域

本发明属于柔性制造系统的控制系统设计领域，涉及一种考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法，涉及到离散事件系统的分布式控制器设计方法。

背景技术

随着社会经济的蓬勃发展，制造业在不断向着自动化、智能化方向发展，其中典型的实际工业系统为柔性制造系统(flexible manufacturing systems)，其控制器的设计成为构建柔性制造系统的关键技术之一。柔性制造系统是一类典型的离散事件系统(discrete event systems,DES)，可用基于自动机模型和形式语言的离散事件系统监督控制理论(supervisory control theory)进行建模与控制。

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组件系统遍布于工程领域(当然包括离散事件系统)，这类系统称之为分布式系统。而分布式系统的各组件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：为每个系统组件设计局部控制器，依靠模块(每个模块包含一个系统组件及相应的局部控制器、传感器和执行器)之间的通信来满足全局系统的性能要求，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。

分布式控制结构中的局部控制器也称为分布式控制器，其设计需要解决两个问题：一是分布式控制器的设计，即得到满足给定指标要求的控制策略；二是通信问题，例如，通信延时、通信线路不稳定等问题，这将直接影响到所设计的分布式控制器能否做出正确的控制决策。根据从简单到复杂的规律，研究者们首先对(1)通信延时为零时分布式控制器设计方法进行了研究。其中典型的一种方法就是控制器局部化方法，受到广泛的关注。该方法首先为系统设计一个集中控制器，满足系统特性全局最优；然后采用一种控制器局部化算法将集中控制策略分配到系统中的每个组件，得到相应的分布式控制器。该方法所设计的分布式控制器能保证全局最优。

(2)当通信延时不为零时，现有分布式控制器的涉及方法主要有两种：一种是综合分析方法，即采用一定的映射关系对通信过程进行描述，经过特定运算得到新的系统，然后设计分布式控制器，以满足给定指标要求；另一种是验证方法，即首先假定不存在通信延时，设计分布式控制器，然后逐步增加通信延时时长，获得所设计分布式控制器能正常工作的边界。对于实际柔性制造系统，通常会面临着控制效果与成本的平衡，如果能够在给定的通信介质(可能存在一定通信延时)的前提下，设计尽可能实现全局最优的分布式控制器，将会提高柔性制造系统的效率，降低加工成本。因此，本项目拟采用综合分析方法，为柔性制造系统设计出满足给定通信延时要求的分布式控制器(即每个系统组件包含一个或多个局部控制器)。

然而，现有研究中对通信过程的描述，通常采用映射、通信队列等方法，系统总特性计算比较复杂，且大多只是提出了联合可观测、协同可观测等局部控制器的存在条件。本项目将采用一种简单的自动机模型对通信过程进行描述，即为需要通信的事件建立通信模型，进而提出新的分布式控制器设计方法，满足柔性制造系统所需要的分布式控制及通信延时要求。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法，为存在通信延时的柔性制造系统提出一个自上而下的分布式控制器设计方法，构建分布式控制系统，以满足其结构日益复杂、地理位置日益分散的要求。

技术方案

一种考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：给定由n个组件构成的柔性制造系统，构建每个组件的自动机模型即组件模型_k＝(Q_k，∑_k，δ_k，q_k，0，Q_k，m)，其中，k∈{1，...，n}，Q_k为离散事件系统的状态集合，∑_k为离散事件系统中所有事件的集合，δ_k为离散事件系统的状态转移关系，q_k，0为离散事件系统的初始状态，Q_k，m为离散事件系统的标识状态集合；

步骤2：对于系统中的两个不同组件_i和_j(i，j∈{1，...n}，i≠j)，根据实际要求，选定从组件_i传输到组件_j的事件集合∑_i，com，j，其中每个事件r∈∑_i，com，j的延时界限d≥1，建立相应的自动机模型CH_d(i，r，j)即通信模型；

步骤3：计算系统总体特性，包含所有组件模型和通信模型，并根据每个组件能观测到的事件集合计算一个满足协同可观测性和可控性的系统特性：

步骤301：根据步骤1中建立的n个系统组件模型和步骤2中所建立的m个通信模型，计算系统的总体特性^＝Sync(₁，…，_n，CH_d(i₁，r₁，j₁)，…，CH_d(i_m，r_m，j_m))；

步骤302、通过TTCT软件计算满足可控性要求的系统特性：

SUP1＝Supcon(^，SPEC)

步骤303、通过TTCT软件计算满足协同可观测性的系统特性：

SUP2＝Supcon(^，SUP1)

步骤304：判断SUP2是否等于SUP1，如果相等，则令SUP＝SUP2，程序结束；否则令SPEC＝SUP2，并重复步骤302-304；

步骤4：采用控制器局部化算法，为每个组件计算一个局部控制器即即分布式控制器，每个控制器根据其接收到的事件发生信息生成相应的控制策略；

所建立的通信模型及所设计的分布式控制器，构成一个分布式控制系统。

有益效果

本发明提出的一种考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法，构建柔性制造系统中各个组件的自动机模型和通信模型，计算系统总体特性，包含所有组件模型和通信模型，并根据每个组件能观测到的事件集合计算一个满足协同可观测性和可控性的系统特性。采用控制器局部化算法，为每个组件计算一个局部控制器(即分布式控制器)，每个控制器根据其接收到的事件发生信息生成相应的控制策略。本发明给出了一个自上而下的存在通信延时情况下的离散事件系统分布式监督控制器的设计方法；在设计过程中，所有分布式控制器的设计都可通过计算机算法来实现，为分布式控制器的自动设计提供了解决途径。

本发明所设计的控制器与所设计的通信模型构成了一个分布式的控制系统，具有控制逻辑简单，结构灵活的特点，使得系统具有较高的稳定性和易维护性。更重要的是，所设计的分布式控制器在通信延时不为零的情况下，仍能满足给定的指标要求。

本发明提出的方法，为设计柔性制造系统的分布式控制器提供了参考。即使在通信介质给定的情况下(及给定通信延时)，仍能给出一个有效的分布式控制器设计方法。

附图说明

图1：存在通信延时的分布式控制结构示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参考图1，本发明所述的存在通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法包括以下步骤：

1)给定由n个组件构成的柔性制造系统，构建每个组件的自动机模型即组件模型_k＝(Q_k，∑_k，δ_k，q_k，0，Q_k，m)，其中，k∈{1，...，n}，Q_k为离散事件系统的状态集合，∑_k为离散事件系统中所有事件的集合，δ_k为离散事件系统的状态转移关系，q_k，0为离散事件系统的初始状态，Q_k，m为离散事件系统的标识状态集合；

本步骤中的状态转移关系可用状态列表State_list表示，该列表包括三个列：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＞1个事件发生，则在列表中需要j行来表示，即第一行表示(源状态，事件l，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)。

本步骤中所述构建的各个组件模型_i＝(Q_i，∑_i，δ_i，q_i，0，Q_i，m)的具体步骤如下：

步骤101，定义被控系统各个组件中的事件集合∑_i＝{r₁，r₂，...}，不同事件的命令不能相同，建立一个状态列表State_list，用于存储系统的状态。

步骤102，把初始状态作为第一个源状态写入状态转移关系列表的第一行第一列的位置，并将初始状态写入状态列表State_list中。

步骤103，分析组件的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，假设有j个事件。

步骤104，把该源状态写入下一个空白行第一列的位置，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状态，并且把该状态写入该行第三列的位置，即目标状态。如果该目标状态已经存在于状态列表中，状态列表不变，否则，将该目标状态存入State_list中。

步骤105，重复上述步骤105直到和j个事件相对应的j个转移关系全部写入列表。

步骤106，判断当前源状态是否是状态列表中最后一个状态，如果是，进入步骤108，否则，进入步骤107。

步骤107，从状态列表中取出下一个状态作为新的源状态，回到步骤103。

步骤108，一个组件自动机模型的建立过程结束，所得到的列表即为组件的自动机模型。

步骤109，重复上述过程101～108，建立系统所有组件的自动机模型_i(i∈N)。

2)对于系统中的两个不同组件_i和_j(i，j∈{1，...n}，i≠j)，根据实际要求，选定从组件_i传输到组件_j的事件集合∑_i，com，j，其中每个事件r∈∑_i，com，j的延时界限d(≥1)，建立相应的自动机模型CH_d(i，r，j)即通信模型；

建立通信模型CH_d(i，r，j)＝(Z_r，∑_r，ζ_r，z_r，0，Z_r，m)，具体步骤如下：

步骤201建立事件集合∑_r＝{r，r′，r″，tick}，其中r表示组件_i中事件r的发生，同时向组件_j发送该信息；r′表示组件_j收到事件r发生消息，并发送一个反馈信息给_i；r″表示_i收到该反馈信息，同时将该通信通道复位；tick发生一次，表明系统时钟前进一个时间单位。

步骤202通信模型传递函数为：

ζ_r＝{(0，tick，0)，(0，r，1)，(1，tick，2)，...(d，tick，d+1)，(1，r′，d+2)，(2，r′，d+2)，(d+1，r′，d+2)，(d+2，r″，0)，(d+2，tick，d+3)，...，(2d+1，r″，0)，(2d+1，tick，2d+2)，(2d+2，r″，0)}。

步骤203设定初始状态z_r，0＝{0}，系统标识状态Z_r，m＝{z_r，0}。

步骤204，重复上述过程201～103，建立系统所有的通信模型CH_d(i，r，j)。

3)计算系统总体特性，包含所有组件模型和通信模型，并根据每个组件能观测到的事件集合计算一个满足协同可观测性和可控性的系统特性。

满足协同可观测性和可控性的系统特性的计算步骤为：

步骤301根据步骤1)中建立的n个系统组件模型和2)中所建立的m个通信模型，计算系统的总体特性^＝Sync(₁，…，_n，CH_d(i₁，r₁，j₁)，…，CH_d(i_m，r_m，j_m))。

步骤302，通过TTCT软件计算满足可控性要求的系统特性SUP1＝Supcon(^，SPEC).

步骤303，通过TTCT软件计算满足协同可观测性的系统特性SUP2＝Supcon(^，SUP1)。

步骤304，判断SUP2是否等于SUP1，如果相等，则令SUP＝SUP2，程序结束；否则令SPEC＝SUP2，并重复步骤302-304。

4)用控制器局部化算法，为每个组件计算一个局部控制器(即分布式控制器)，每个控制器根据其接收到的事件发生信息生成相应的控制策略

分布式控制器的计算及控制相应控制策略获取的具体步骤是：

步骤401，TTCT软件Lacalize程序根据系统模型^，满足协同可观测性和可控性的系统特性SUP，返回一组局部控制器LOC_i＝(Y，∑_i，L，η_i，y_i，0，Y_i，m)(i∈N)，每个控制器控制一个与其对应的被控组件。

步骤402，每个控制器LOC_i只能禁止_i中的事件。系统状态q上，如果事件能发生，即δ_i(q，r)能发生，但是如果在控制器对应的y_i上，r没有定义，则表明事件r被控制器禁止了，不能发生。

根据所建立的通信模型及所设计的分布式控制器，完成一个分布式控制系统的构建，所设计的系统应能满足给定指标要求和通信延时的限制。

Claims (1)

1.一种考虑通信延时的柔性制造系统分布式控制器设计方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：给定由n个组件构成的柔性制造系统，构建每个组件的自动机模型即组件模型G_k＝(Q_k，∑_k，δ_k，q_k，0，Q_k，m)，其中，k∈{1，...，n}，Q_k为离散事件系统的状态集合，∑_k为离散事件系统中所有事件的集合，δ_k为离散事件系统的状态转移关系，q_k，0为离散事件系统的初始状态，Q_k，m为离散事件系统的标识状态集合；

步骤2：对于系统中的两个不同组件G_i和G_j，i，j∈{1，...n}，i≠j，根据实际要求，选定从组件G_i传输到组件G_j的事件集合∑_i，com，j，其中每个事件r∈∑_i，com，j的延时界限d≥1，建立相应的自动机模型CH_d(i，r，j)即通信模型；

步骤3：计算系统总体特性，包含所有组件模型和通信模型，并根据每个组件能观测到的事件集合计算一个满足协同可观测性和可控性的系统特性：

步骤301：根据步骤1中建立的n个系统组件模型和步骤2中所建立的m个通信模型，计算系统的总体特性

步骤302、通过TTCT软件计算满足可控性要求的系统特性：

步骤303、通过TTCT软件计算满足协同可观测性的系统特性：

步骤304：判断SUP2是否等于SUP1，如果相等，则令SUP＝SUP2，程序结束；否则令SPEC＝SUP2，并重复步骤302-304；

步骤4：采用控制器局部化算法，为每个组件计算一个局部控制器即分布式控制器，每个控制器根据其接收到的事件发生信息生成相应的控制策略；

所建立的通信模型及所设计的分布式控制器，构成一个分布式控制系统。

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