基于Petri网的制造系统控制方法研究

大规模生产时代出现的自动化流水线适应了大批量生产的要求，这种流水线采用了集中控制结构，系统控制器的目的是周而复始地进行同一种控制，从而生产同类型产品，[110]所有的设备动作都是直接受控于逻辑控制器（Logic controller）。基于IEC61131-3传统的逻辑控制设计语言，如梯形图、顺序功能图、功能块图等由于交互移植性差、分析上缺乏有力的数学支撑等，受到很大的限制。[110]

从离散事件动态系统的角度看，制造系统的控制就是建立与维持所期望的系统事件发生的序列。经过这些事件序列的发生，系统从初始状态到达最终状态，最终状态反映了生产任务的完成。从事件的发生序列中，可以得到需要的信息，考察制造系统运行过程。因此，制造系统的控制问题和离散事件动态系统的特征密切相关。[53]制造系统必须是无死锁、活性和可逆的，因此，制造系统控制器也应该具备上述要求。[111，112]

国外已经提出了多种形式化的方法进行逻辑控制器的设计、分析与验证。目前，常用的制造系统逻辑控制器设计方法主要采用有限状态机和Petri网两种方式。

1.基于有限状态机的制造系统控制器设计方法

输入-输出有限状态机（Input-output FSM，也称之为Mealy机）较早地引入逻辑控制器中，[113]但是这种模型的结构不是模块化的，而是一个整体，不容易进行分布式控制开发和模型功能的调整。

Harel[114]提出了State chart，在有限状态机的基础上引入了层次结构，State chart可以简洁地描述复杂系统的行为，但是其复杂的执行语义使得模型的验证变得极为困难。Damm[115]和Rausch[116]分别对State chart进行了修改，限制其语义复杂度。

Endsley[117]提出了模块化的有限状态机模型来设计开发验证逻辑控制器，其设计框架是模块化的，各个子FSM被封装在预先定义好的通信模块中；并且可以自动生成相应的控制逻辑代码控制制造系统的运行。

Sreenivas[118]提出了网状条件/事件系统（Condition/event），由相互通信的条件/事件子系统组成。

FSM在逻辑控制器中得到了广泛的应用，然而它主要描述顺序型的操作，不能很好地表示控制系统异步并发的特性。与FSM相比，Petri网不仅能描述同步模型，更适合于相互独立、异步并发特征的协同操作控制。(www.xing528.com)

2.基于PN的制造系统控制器设计方法

Petri网具有完备的系统分析和验证方法，因此也是控制器设计和验证的另一个强有力工具[119]。文献[119][120][121]使用Petri网设计制造系统中的逻辑控制器，但是方法过于复杂，不具有实用性。

Ferrarini[122]提出了基于Petri网的逻辑控制器增量模式设计方法，该方法可保证系统活性并具有部分修复功能。Odrey[123]提出了出错恢复Petri子网用于实时的出错处理，可以实时地增删控制器的出错恢复路径。Giua[124]采用整数规划技术和Petri网结合对监控系统进行验证。Kelwyn[125]采用Petri网分析了控制系统的死锁问题，并研究了死锁避免方法。Zaytoon[126]提出了自顶向下的控制器设计方法，该方法采用基于层次结构逐步分解技术和模块化Petri网获得Grafcet（一种逻辑控制器图形化表示工具[56]），并对所设计的控制器进行死锁、活性等性能的验证。文献[127][128]采用基于信号解释Petri网的控制器分析和设计方法，利用层次化、模块化和接口技术将控制器规划为开放的体系结构，确定了可达图和化简技术结合的模型分析方法，并分析了其重构能力。Park[129]提出了基于事件的模块化控制器设计方法，并给出了系统分析方法，通过加入时间特性，使得系统生产周期和瓶颈工位的时间可方便地计算出来。该模块化方法给控制器的快速重组设计带来了一定的便利。

3.有待研究的问题

由于上述方法的复杂性以及要求较高的Petri网背景知识，并没有广泛地应用到制造系统中。

一个好的控制系统，应提供完善的机制，准确无误地实时响应各种指令，协调各部分运行。同时，可重组制造系统的构成单元应该具有高度智能，防止死锁，能通过单元自身或单元之间动态重构适应环境变化。因此，可重组制造系统对控制器提出了特定的要求，概括为：

●模块化、分布式控制，满足对现有复杂制造系统的有效控制。

●对未来无法预测的需求应能快速反应，易于快速重构。