应用控制变迁的柔性制造系统死锁控制策略
柔性制造系统的生产调度与优化
柔性制造系统的生产调度与优化柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）是一种以高度集成、高度可变性和高度自动化为特点的先进制造技术。
它能够灵活应对市场需求的变化，提高生产效率和产品质量。
然而，实现柔性制造系统的最佳生产调度和优化仍然是一个具有挑战性的问题。
本文将探讨柔性制造系统的生产调度与优化问题，并提出相应的解决方案。
一、生产调度问题生产调度是柔性制造系统中的核心问题之一。
在实际生产过程中，如何合理安排各个工序之间的任务关系，以提高生产效率和降低生产成本，是一个关键的挑战。
为了解决这个问题，研究者们提出了多种生产调度策略。
首先，最早被应用于柔性制造系统的是传统的作业车间调度（Job Shop Scheduling）方法。
该方法主要采用基于先来先服务（First-Come-First-Served，FCFS）或者最短工序调度（Shortest Processing Time，SPT）的方式进行调度，以确保任务能够按照其加工时间的先后顺序进行。
然而，这种调度策略忽略了不同任务之间的紧急程度和重要性，容易导致制造系统资源的浪费。
随后，基于优先级的调度方法被提出并得以广泛应用。
该方法通过为每个任务分配一个优先级，然后按照优先级的先后顺序进行调度，以提高生产效率和降低系统拥堵。
优先级可根据任务的交货期、加工时间、制定成本等因素确定，也可以通过智能优化算法来自动计算。
二、生产优化问题除了生产调度问题，柔性制造系统中的生产优化也是一个重要的研究方向。
生产优化的目标是最大化生产效率、最小化成本和最优化资源利用率。
为了实现这些目标，研究者们提出了多种生产优化方法。
首先，基于遗传算法的优化方法在柔性制造系统中得到了广泛应用。
遗传算法通过模拟生物进化过程中的自然选择、交叉和变异等机制，来搜索最优解。
在生产优化中，遗传算法可用于优化生产调度、工序安排、机器选型等问题，从而提高生产效率和降低成本。
柔性制造系统的设计与实现
柔性制造系统的设计与实现在当今的工业制造领域中，随着技术与经济的发展，柔性制造系统正在成为越来越重要的一种制造方式。
什么是柔性制造系统呢？柔性制造系统，简称FMS （Flexible Manufacturing System），是利用计算机控制的自动化技术，通过一系列的操作流程，完成对产品的制造、加工和装配的灵活生产方式。
柔性制造系统有着高效、灵活、集成化等特点，在实际生产应用中已经得到了广泛的应用。
对于一个完整的柔性制造系统，构成要素一般分为机器人、CNC机床、自动输送机和计算机控制系统四部分。
这几个部分间通过各种自动控制设备和计算机通信，协调、控制整个制造过程。
下面将具体介绍柔性制造系统的设计和实现。
一、设计过程1. 确定工艺及生产要求在柔性制造系统的设计过程中，首先需要确定所需生产的产品，制品加工的各项工序及各生产环节所要满足的生产要求。
对于工艺流程和产量要求都有着精确的策划，设备的配置、设置与优化，也都应该紧密结合起来。
2. 选定设备及材料针对确定的工艺流程和生产要求，需要选定设备与材料，其中包括甚至于小型零件的设备和机器零部件。
设备和材料选型，对于生产企业来说至关重要，关系到其后续生产质量和运营成本的高低。
3. 设计生产流程在确定了所需生产的产品和选定了设备及材料之后，就需要设计一条高效的生产流程，其中应包括对零部件加工、处理、检测、运输的全过程考虑。
要根据实际原材料数量、生产流程等因素来灵活设定生产方案。
生产流程的设计，十分关键，一定要充分考虑到生产环节、时间、成本等方面的影响，需要在保证质量的前提下，尽可能地提高生产效率。
4. 制定生产计划制定生产计划，需要根据实际情况，综合考虑生产过程中的种种因素。
包括企业的生产能力、应对不同市场的需求、原材料出库时间、生产部门职员安排等。
同时，还需充分考虑预留一定的生产缓冲期，以应对意外情况的出现。
二、系统实现柔性制造系统的实现就是将前面所讲述的设计要素落实到实际生产中。
柔性制造系统中的自适应控制技术研究
柔性制造系统中的自适应控制技术研究近年来，随着工业技术的不断进步和消费市场的不断变化，柔性制造系统（FMS）逐渐取代了传统生产线，成为了生产和制造领域的主力。
柔性制造系统的核心原则是以客户需求为导向，通过快速转变生产方式、生产内容和生产数量等方面，实现对市场的快速响应和适应。
然而，作为一个高度智能化的制造模式，柔性制造系统依然存在一些技术瓶颈，尤其是在控制技术方面。
自适应控制技术是目前柔性制造系统中比较热门的研究领域之一，它主要通过引入智能算法等技术手段，实现对生产过程的自动调整与优化，从而提高生产效率和质量。
一、自适应控制技术的概述自适应控制技术是一种智能化控制方法，它基于控制系统不断获取实时反馈，自主学习、调整和优化控制策略的特点，实现对控制对象的自适应控制。
相比传统的PID（比例、积分、微分）控制方法等，自适应控制技术更具智能性和适应性，在动态环境和复杂情况下更具应用前景。
在柔性制造系统中，自适应控制技术被广泛运用于各个环节，比如生产计划、控制策略、机器人和传感器控制等方面，以实现更加灵活、高效的生产过程，提高生产效率和质量。
二、自适应控制技术在柔性制造系统中的应用1. 生产计划与调度方面柔性制造系统中的生产计划和调度非常关键，决定了生产过程的流畅与效率。
通过引入自适应控制技术，可以实现对生产计划和调度的实时优化与更新，使其能够更好地适应市场需求和生产环境变化。
2. 控制策略方面柔性制造系统中的控制策略需要能够实现自适应，可以根据不同生产环境和设备状态进行自动调整。
比如，在生产过程中某些设备的故障或维修需要，就需要及时更新控制策略，以保证生产流畅。
3. 机器人控制方面在柔性制造系统中，机器人技术被广泛运用，对机器人控制性能的优化尤为关键。
通过自适应控制技术，可以实现机器人动作的自动跟踪和调整，提高机器人控制精度和稳定性。
4. 传感器控制方面传感器在柔性制造系统中极为重要，因为它们可以实时检测生产过程中的各种参数，如温度、湿度、压力、振动等。
柔性制造系统架构的设计与实现
柔性制造系统架构的设计与实现柔性制造系统（FMS）是一种具有高度自适应性、智能化和可重构性的制造系统。
它通过灵活、可变和交互式的生产过程，在具有动态变化的市场环境下实现了高质量、高效率的生产。
随着企业对生产加工环节的要求不断提高，FMS也在不断发展。
本文将就柔性制造系统架构的设计与实现进行探讨，并对其优点及未来发展进行分析。
一、柔性制造系统架构FMS架构是指生产过程中各个组成单元间的关系和交互方式。
它包含了FMS 的功能、组成部分和连接方式，同时也对系统的性能、效率和可靠性有重要影响。
目前主流的FMS架构包括以下几种：1.中央控制型FMS架构中央控制型FMS架构是传统的FMS架构，其所有的生产设备都由中央控制器控制。
它采用统一的计划和调度方式，能够保证整个生产过程的稳定性和一致性。
但是，由于生产单元之间直接交互性差，生产设备缺乏灵活性，难以适应市场快速变化的要求。
2.分散控制型FMS架构分散控制型FMS架构是一种较新的FMS架构，其特点是各生产单元之间可以直接交互，生产设备之间具有良好的灵活性。
控制层次分散，每个生产单元都配备了控制器，它们通过网络进行通信和协作。
这种架构具有优良的适应能力和快速反应能力，但由于各生产单元之间缺乏统一计划和协调，因此要求系统的智能化程度较高。
3.混合控制型FMS架构混合控制型FMS架构结合了中央控制型和分散控制型的优点，使得生产单元之间既有直接交互的能力，又能通过集中控制器进行协调和规划。
它具有灵活性和稳定性的平衡，适应性强，同时使得整个系统可以更好地实现资源的共享和生产成本的优化。
二、柔性制造系统实现FMS的实现需要多学科知识相互配合，包括机械设计、电子技术、自动控制、计算机技术等。
其中，控制是整个FMS的核心。
FMS的控制方式可以按照控制单元的不同划分为三种：集中控制、分散控制和混合控制。
FMS实现的另一个难点是数据采集和处理。
传感器和执行器是FMS数据采集和控制的重要组成部分。
柔性制造系统的工作原理
柔性制造系统的工作原理柔性制造系统 (Flexible Manufacturing System, FMS) 是指一种能够根据需求快速适应变化的制造系统。
它采用先进的技术和自动化设备，能够完成多样化的生产任务。
以下将详细介绍柔性制造系统的工作原理，并分点列出其关键要素。
1. 自动化设备：柔性制造系统主要依赖自动化设备来完成生产任务。
这些设备包括机械臂、传感器、计算机控制系统等。
它们能够自动完成工件的装卸、加工、检测等功能。
2. 工艺规划：柔性制造系统需要事先对生产工艺进行详细的规划和设计。
这包括确定工件的加工顺序、加工参数、工序之间的协调等。
这样可以确保生产过程的高效性和准确性。
3. 任务调度：在柔性制造系统中，任务调度起着重要的作用。
它是通过计算机系统来分配任务给不同的设备和工序，以实现生产过程的合理安排和优化。
任务调度还需要考虑设备的利用率、生产能力等因素。
4. 协调管理：柔性制造系统中的协调管理是指通过网络与各个部件和设备之间进行信息交流和协同工作。
它确保了系统的整体运作效率和一致性。
协调管理还能够及时响应生产环境的变化，调整生产计划和任务分配。
5. 反馈控制：柔性制造系统中的反馈控制是指通过传感器和监控设备实时采集生产数据，并通过计算机控制系统来调整生产过程。
这样可以保证产品质量的稳定性和一致性。
6. 灵活性：柔性制造系统的关键特点之一是其高度的灵活性。
它能够根据生产需求和市场变化快速调整生产任务和工艺流程。
这种灵活性使得柔性制造系统适应多样化、小批量生产的需求。
7. 节约成本：柔性制造系统的工作原理可以显著降低生产成本。
由于自动化设备的使用，人力资源的成本大大降低。
同时，柔性制造系统还能够减少生产过程中的浪费和资源消耗，提高生产效率。
8. 高效率：柔性制造系统利用自动化技术和先进的管理手段，能够实现生产过程的高效率。
它可以自动完成任务，减少人为因素的干扰。
同时，柔性制造系统还能够实现设备的高度利用率，提高生产率。
死锁预防策略
２００８年４月第３５卷第２期西安电子科技大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＸＩＤＩＡＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＡｐｒ．２００８ＶｏＬ３５Ｎｏ．２Ｓ３ＰＲ网的一种死锁预防策略闫明明，李志武，钟春富（西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安７１００７１，）摘要：针对Ｓ３ＰＲ网的死锁预防问题，提出了一个有效的死锁预防控制算法，将用于死锁避免的ｃ／Ｄ－ＲＵＮ控制策略扩展到基于信标的死锁预防策略中，合理分配控制库所的资源，从而保证不存在死锁的状态和步骤．首先将Ｓ３ＰＲ网中的严格极小信标分为基本信标和从属信标。
由基本信标集合得出一组状态向量表示的线性不等武约束，然后将这组约束用Ｃ／ｎＲＵＮ策略进行优化，得到一组标识向量满足的广义相互抑制约束．根据所得标识约束添加控制库所，使所有基本信标均为Ｐ．不变式可控，得到活的、结构简单的、许可行为更多的Ｐｅｔｒｉ网监督控制器．关键词：柔性制造系统，死锁预防，Ｐｅｔｒｉ网；基本信标；ＳａＰＲ中圈分类号：ＴＰ２７８文献标识码：Ａ文章编号：１００１－２４００（２００８）０２—０３３０—０４ＤｅａｄｌｏｃｋｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｐｏｌｉｃｙｆｏｒａｃｌａｓｓｏｆｐｅｔｒｉｎｅｔｓＳ３ＰＲＹＡＮＭｉｎｇ—ｒｕｉｎｇ，ＬｊＺｈｉ—ＷＵ，ＺＨＯＮＧＣｈｕｎ—ｆｕ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｏ－ｅｌｅｅｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。
ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖ．，Ｘｉ’ａｎ７１００７１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｄｅａｄｌｏｃｋｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｆｏｒｃｌａｓｓｏｆＰｅｔｒｉｎｅｔｓ，ＳｓＰＲ，ａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｄｅａｄｌｏｃｋｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｐｏｌｉｃｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｄｅａｄｌｏｃｋａｖｏｉｄａｎｃｅｐｏｌｉｃｙｏｆＣｏｎｊｕｎｅｔｉｖｅ／ＤｉｓｊｕｎｃｔｉｖｅＲｅｓｏｕｒｃｅｓＵｐｓｔｒｅａｍＮｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ（Ｃ／Ｄ－ＲＵＮ）ｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｓｉｐｈｏｎ－ｂａｓｅｄｄｅａｄｌｏｃｋｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｐｏｌｉｃｙ，ａｎｄｔｈｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｃｅｓａｌｌｏｃａｔｅｄｒｅａｓｏｎａｂｌｙｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅａｂｓｅｎｃｅｏｆｄｅａｄｌｏｃｋｓｔａｔｅｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｆｉｒｓｔ，ｓｔｒｉｃｔｍｉｎｉｍａｌｓｉｐｈｏｎｓｏｆＳ３ＰＲｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｅｌｅｍｅｎｔａｒｙａｎｄｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｎｅｓ．Ｆｒｏｍｔｈｅｓｅｔｏｆｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｓｉｐｈｏｎｓ，ａｓｅｔｏｆｌｉｎｅａｒｉｎｅｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｅｘｐｒｅｓｓｅｄｂｙｔｈｅｓｔａｔｅｖｅｃｔｏｒｂｅｆｏｒｍａｌｉｚｅｄ，ａｎｄａｆｔｅｒｂｅｉｎｇｍｏｄｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅＣ／Ｄ－ＲＵＮｐｏｌｉｃｙ，ａｓｅｔｏｆｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｍｕｔｕａｌｅｘｃｌｕｓｉｏｎｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ（ＧＭＥＣ）ｅｘｐｒｅｓｓｅｄｂｙｔｈｅｍａｒｋｉｎｇｖｅｃｔｏｒｂｅｆｏａｎｄ．ＴｈｅｎｍｏｎｉｔｏｒｓｂａｓｅｄｔｈｅｍａｒｋｉｎｇｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｄｄｅｄｔｈｅｐｌａｎｔｍｏｄｅｌｔｏｔｈａｔａｌｌｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｓｉｐｈｏｎｓｉｎｔｈｅＳ３ＰＲｎｅｔｉｎｖａｒｉａｎｔ－ｅｏｎｔｒｏｌｌｅｄ，ｔｈｕｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｄｅａｄｌｏｃｋｆｒｅｅｄｏｍｌｉｖｅｎｅｓｓ—ｅｎｆｏｒｃｉｎｇｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｗｉｔｈｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｕｃｈｐｅｒｍｉｓｓｉｖｅｂｅｈａｖｉｏｒｂｅｒｅａｌｉｚｅｄ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｆｌｅｘｉｂｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍＩｄｅａｄｌｏｃｋｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；Ｐｅｔｒｉｎｅｔｔｅｌｅｍｅｎｔａｒｙｓｉｐｈｏｎ；Ｓ３ＰＲ基于Ｐｅｔｒｉ网，人们研究了很多方法来处理柔性制造系统（ＦＭＳ）中的死锁问题，主要有死锁检测与校正方法、死锁避免方法、死锁预防方法．死锁预防方法通常是通过有效的系统设计或者控制系统对资溺：的中请来阻止死锁的发生，可添加控制库所及其连接弧来达到此目的［１￣３］．Ｌｉ和Ｚｈｏｕ［１］提出的基本信标理论，将Ｐｅｔｒｉ网中的严格极小信标分为基本信标和从属信标，通过对每一个基本信标添加一个控制库所，使其ｐ不变式可控，不仅能极大地减少控制库所的数目，而且能达到更好的控制效果［．］．大部分情况下，死锁是由于并行的工作执行序列之间对于有限的一系列资源的竞争引起冲突的状况，也就是存在一个进程的子集永远阻塞，一些资源被其他的进程持有．因此，资源分配就显得非常重要，它必须保证不存在死锁的状态和步骤［５—９］．在文献［１０］中，Ｐａｒｋ和Ｒｅｖｅｌｉｏｔｉｓ提出了一种用于死锁避免的Ｃ／口ＲＵＮ（Ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｖｅ／ＤｉＳｊｕｎｃｔｉｖｅＲｅｓｏｕｒｃｅｓＵｐｓｔｒｅａｍＮｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ）策略，用一个限制条件来表示控制策略Ｐ：一个ＲＡＳ（Ｒｅｓｏｕｒｃｅ收稿日期：２００７－０６－０６基金项目：国家自然科学基金资助项目（６０４７４０１８）；教育部归国留学人员基金资助项目（２００４—５２７）；教育部归国留学人员实验室基金资助项目（０３４０１）作者简介：囝明明（１９８１一），女。
工程应用柔性制造系统设计报告
电气工程学院专业综合实验设计报告班级：姓名：学号：设计题目：柔性制造生产线搬运安装站控制系统的设计评定成绩：评定教师：模块式柔性自动化生产线实训系统是一种最为典型的机电一体化、自动化类产品，它是为职业院校、技工学校、教育培训机构等而研制的，它适合机械制造及其自动化、机电一体化、电气工程及自动化、自动化工程、控制工程、测控技术、计算机控制、自动控制、机械电子工程、机械设计与理论、等相关专业的教学和培训。
它在接近工业生产制造现场基础上又针对教学进行了专门设计，强化了各种控制技术和工程实践能力。
柔性自动化实训系统由六个单元组成，分别为上料检测单元、搬运单元、加工与检测单元、安装单元、安装搬运单元和分类单元，每个单元由一套PLC控制器单独控制，这使得柔性自动化生产实训装置可以分成若干完全独立的工作机构。
在设计过程中，不断参阅相关电气设计规范的资料，在设备现场观摩整个系统运作的流程以及控制方式，并借鉴其控制方法和设计思路，通过现场设计和编写控制程序，并反复进行调试和运行找出更合理的控制方法。
关键字：柔性制造；PLC；人机界面；安装搬运单元。
摘要 (Ⅰ)第一章绪论 (1)1.1柔性制造概念和特点 (1)1.2柔性制造与柔性制造系统 (1)1.3 本次课题的主要内容 (2)第二章总体方案设计 (3)2.1 柔性制造系统—安装搬运站 (3)2.2柔性制造系统工作结构图 (3)2.3步进电机的选型 (4)2.4传感器的选型 (5)第三章系统硬件设计 (7)3.1主要组成与功能 (7)3.2器件参数及选型 (7)3.3硬件实物图 (8)3.4气动原理 (8)3.5可编程控制器P L C (9)3.6硬件I/O分配 (10)3.7触摸屏 (11)第四章系统软件设计 (12)4.1 工作流程图 (12)4.2 PLC控制程序SFC框图 (13)4.3 人机界面设计 (13)4.4 系统通信 (14)第五章实验步骤设计与调试 (16)5.1 硬件接线图 (16)5.2 系统仿真 (16)5.2.1 软件仿真 (17)5.2.2 调试过程 (17)5.2.3实验中可能遇到的问题和解决方法 (17)参考文献 (18)附录 (19)第一章绪论1.1柔性制造概念和特点柔性制造的模式其实广泛存在，比如定制，这种以消费者为导向的，以需定产的方式对立的是传统大规模量产的生产模式。
柔性制造系统的构建与应用
柔性制造系统的构建与应用柔性制造系统是一种集成了多种自动化技术和软件系统的生产方式，它的目的是在不同的生产需求下实现灵活快速的生产，提高生产效率和产品质量。
柔性制造系统的核心技术是数据通信和控制系统，这两个技术的发展使得柔性制造系统得以实现。
一、柔性制造系统的构建技术1. 自动化技术自动化技术是构建柔性制造系统的基础，包括传感器、执行器、机器视觉、机器人等技术。
传感器是获取生产环境信息的装置，通过传感器可以实现物料的自动化处理和产品的质量检验。
执行器包括液压、气动、电动等，它们负责生产过程中的运动和加工。
机器视觉是利用计算机技术完成对物体视觉的感知和理解，可以用于生产过程中的检测和测量。
机器人是最重要和最复杂的一类自动化设备，可以完成许多重复性和复杂工作，提高生产效率和质量。
2. 控制系统控制系统是柔性制造系统中最为关键的部分，控制系统的功能是控制生产过程中各个环节的运行，使整个生产过程实现自动化和灵活性。
控制系统包括硬件和软件两部分，硬件包括PLC、仪表、传感器等，软件包括控制程序、HMI等。
控制系统的设计需要考虑到生产过程的各项要素，包括生产工艺、设备的运行方式、物料流等。
3. 智能算法柔性制造系统需要处理的生产变量和外界环境都是不确定的，这就需要引入智能算法来实现优化控制和管理。
其中包括人工神经网络、模糊逻辑、遗传算法等技术。
这些算法不仅可以优化生产系统的运行，还可以实现智能化管理和决策。
二、柔性制造系统的应用柔性制造系统的应用领域非常广泛，涵盖了各行各业的生产制造领域。
下面针对几个行业进行介绍。
1. 汽车制造柔性制造系统在汽车制造领域的应用相对成熟，例如汽车装配线、涂装线等。
汽车装配线是一种高度自动化的生产方式，可以根据订单类型对生产流程进行组合，实现灵活生产。
涂装线是通过自动化技术和工艺控制技术实现油漆涂装过程的自动化。
这些柔性制造系统的应用使汽车制造业实现了高效率、高质量、低成本的生产。
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第36卷第5期2019年5月控制理论与应用ControlTheory&ApplicationsVol.36No.5May2019
应用控制变迁的柔性制造系统死锁控制策略李绍勇†,孙智冬,蔡颖,厚彩琴,韩喜莲,马兵善(兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050)摘要:不同于目前许多文献中基于添加控制库所的死锁预防策略,本文提出了控制变迁方程(CTE)的概念和相应的基于添加控制变迁(CT)的死锁控制策略(DCP).通过分析存在死锁的原网(N0,M0)的可达图(RG),该DCP求解出所有死锁标识(DM).基于CTE,构造出所需的控制变迁.然后,对每个DM添加相应的CT,进而消除了原网(N0,M0)中的死锁标识,得到了活性受控网系统(N∗,M∗).通过理论分析和相关算例的应用,该DCP的正确性和有效性得到了验证.此外,该DCP获取的活性受控网系统(N∗,M∗)可达数目与原网(N0,M0)是相同的,即最大可达数(MRN).关键词:柔性制造系统;Petri网;死锁控制策略;控制变迁;最大可达数引用格式:李绍勇,孙智冬,蔡颖,等.应用控制变迁的柔性制造系统死锁控制策略.控制理论与应用,2019,36(5):795–802DOI:10.7641/CTA.2018.70794
Deadlockcontrolpolicyusingcontroltransitionsforflexiblemanufacturingsystems
LIShao-yong†,SUNZhi-dong,CAIYing,HOUCai-qin,HANXi-lian,MABing-shan(SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,LanzhouGansu730050,China)Abstract:Unlikethedeadlockpreventionpoliciesbyaddingcontrolplaces(CPs)inmostexistingliterature,thispaperproposesaconceptofcontroltransitionequation(CTE)andthecorrespondingdeadlockcontrolpolicy(DCP)byaddingcontroltransitions(CTs).Byanalyzingthereachabilitygraph(RG)ofanoriginalnet(N0,M0)withdeadlocks,alldeadlockmarkings(DMs)arefoundbythisDCP.ThedesiredCTsareconstructedonthebasisoftheproposedCTE.Accordingly,thecorrespondingCTisaddedtoeachDMinordertomakeallDMsintheoriginalnet(N0,M0)eliminated.Soalivecontrolledsystem(N∗,M∗)isobtained.ThecorrectnessandefficiencyoftheproposedDCPisverifiedviathetheoreticalanalysisandtherelevantexamplesintheexistingliterature.Moreover,thereachablenumberofthelivecontrolledsystem(N∗,M∗)obtainedbytheproposedDCPisthesameasthatoftheoriginalnet(N0,M0),i.e.,maximallyreachablenumber(MRN).Keywords:flexiblemanufacturingsystem(FMS);Petrinet;deadlockcontrolpolicy(DCP);controltransition(CT);maximallyreachablenumber(MRN)Citation:LIShaoyong,SUNZhidong,CAIYing,etal.Deadlockcontrolpolicyusingcontroltransitionsforflexiblemanufacturingsystems.ControlTheory&Applications,2019,36(5):795–802
1引言由于具备批量小、品种多和成本经济等特性,柔性制造系统(flexiblemanufacturingsystem,FMS)在目前的产品制造领域得到了广泛应用.FMS中的各个加工进程对于共享资源,如数控机床、机器人和夹具等的竞争,会导致死锁(deadlock)的发生,造成了FMS的运
行停止和相应的经济损失[1–2].因此,在进行FMS设计时,死锁(deadlock)问题是必须予以考虑和解决的.鉴于Petri网具有的建模功能强、图形化和易于分析等特性,其在FMS的模型建立、性能评估和死锁控制等方面得到了应用.基于Petri网,许多死锁控制的方法和策略[1–4],如死锁避免策略(deadlockavoidancepolicy,
收稿日期:2017−11−01;录用日期:2018−06−15.†通信作者.E-mail:lishaoyong99@163.com;Tel.:+86931-2973784.
本文责任编委:赵千川.国家自然科学基金项目(61364004),国家出国留学人员基金项目([2014]5049,201408625045),兰州理工大学博士研究基金项目(B04–237),兰州理工大学建工七七基金项目(TM–QK–1301)资助.SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(61364004),theChinaScholarshipCouncilFoundationforChineseScholarstoStudyOverseas([2014]5049,201408625045),theDoctoralResearchFundsofLanzhouUniversityofTechnology(B04–237)andtheAlumniFoundationCivilEngineering77,LanzhouUniversityofTechnology(TM–QK–1301).796控制理论与应用第36卷DAP)、死锁检测与恢复策略(deadlockdetectionandrecoverypolicy,DDRP)和死锁预防策略(deadlockpreventionpolicy,DPP)得到了不断的研究来解决死锁发生现象.其中,DAP和DDAP都是以on-line方式监控FMS的资源申请\分配和运行状态,及时采取措施,避免死锁的发生和检测\消除死锁.尤其是DDAP获取的活性受控Petri网系统可达数是与未受控原网相同的,即最大可达数MRN.但是,FMS需要付出相应的运行时间代价.然而,DPP则是以off-line方式来执行的,无需FMS付出相应的时间代价.一旦DPP事先设计正确和付诸实施,就可预防FMS死锁的发生.因此,相关学者和研究人员[2–9]都重点关注DPP的研究与发展.网结构分析法和可达图分析法是DPP的两个重要研究途径.前者关注的是导致死锁的信标(siphon)的求解及其控制.首先,这些策略[8,10–11]求解出全部或部分导致死锁的信标.然后对它们添加相应的CP,满足信标的可控性,从而得到结构相对简单的活性受控网系统(N∗,M∗).但是,(N∗,M∗)可达数目小于或接近未受控原网(N0,M0)的最大许可行为数目(numberofmaximallypermissivebehavior,NMPB);且算法复杂度为NP-hard.后者关注的则是死锁标识DM的求解与控制.基于表征原网(N0,M0)全部可达状态的RG分析,这些死锁预防方法[5,7,9,12]首先将RG划分为死锁区间(deadlockzone,DZ)和无死锁区间(deadlock-freezone,DFZ),进而诊断出死锁状态(deadlockstate,DLS)、肯定导致死锁的坏状态(badstate,BS)、危险状态(dangerousstate,DS)和活状态(livestate,LS).对相关DLS和BS的那些DM也添加相应的CP,保证网系统的每个可达状态都出现在DFZ内,也称为合法标识(或状态),从而也获取了活性受控网系统(N∗,M∗).基于可达图分析的死锁预防方法,需要根据首遇坏标识(first-metbadmarking,FBM)的数量来计算相应的RG,导致其计算负荷一般较大,(N∗,M∗)结构相对较复杂,且算法复杂度同样是NP–hard.但是,得到的(N∗,M∗)可达数目等于NMPB,是最大许可行为的,也称为最优行为(optimalbehavior).在求解出所有的信标后,文献[6]对它们添加了控制库所和变迁对(CP–CT),获取了具有MRN的活性受控网系统(N∗,M∗).但是,相应的(N∗,M∗)结构较复杂.而文献[3]首先对求解出的信标划分为基本信标和从属信标,直接对基本信标添加了CP–CT.然后对从属信标进行可控性测试,对不满足可控条件的那部分从属信标也添加了CP–CT.这样,也获取了具有MRN的活性受控网系统(N∗,M∗).所以,相比文献[6],文献[3]所得到的(N∗,M∗)结构是相对简单的.文献[3]和文献[6]中的死锁控制方法的共同不足是适用于普通Petri网,未涉及一般Petri网.类似地,针对S3PR网的死锁问题,Huang等人[4]首先求解出原网(N,M0)的RG,枚举出导致系统死锁的死锁标识MD,i.然后根据MD,i,M0,关联矩阵[N]和变迁发射向量uk的关系
式:MD,i=M0+[N]T|MD,i|∑k=1uk,|MD,i|代表死锁标
识的总数目,推导和求解出控制变迁的输入集·CTi和输出集CT·i,进而施加到原网(N,M0)上,得到活性受控网系统(N∗,M∗),其状态可达数也是MRN.但是,控制变迁CTi的计算负荷大和仅适用于S3PR网是文献[4]存在的不足;此外,在相应的CTi发射后,部分MD,i返回到M0,而其余MD,i则返回到合法标识(legalmarkings,ML).基于前期研究成果[3,8,10–11],本文提出了CTE概念和基于添加控制变迁的DCP.通过分析表征原网(N0,M0)全部可达状态RG,求解出所有死锁标识MD,i,i=1,2,···,n(n表示死锁标识或节点的总数).根据