混合模块化监控器的综合和PLC实现，用于实时制造系统的实时控制外文翻译资料

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混合模块化监控器的综合和PLC实现，用于实时制造系统的实时控制

摘要

在本文中，提出了用于实验制造系统的实时监控的混合模块化监控器的基于合成和基于PLC的实现。混合方法通过抑制弧将自动机形式的Ramadge-Wonham（RW）监控器连接到不受控制的PN模型。 RW监控器可以以单片或模块形式获得。在单片情况下，只有一个具有复杂结构和巨大数量的状态和事件的主管。与整体模块相比，监控器的模块化提供了简单和小的控制结构。模块化混合方法为具有较少存储器要求的混合控制器的PLC实现提供较少的状态。模块化混合方法的适用性和有效性通过对不同情况的实验制造系统的基于PLC的实时控制来证明。获得的结果表明，模块化监控器与单片对应器相比需要更少的存储空间。

1.介绍

离散事件系统（DES）是一种动态系统，其演化不是由时间驱动，而是由事件的发生驱动。 典型的DES包括制造系统，计算机和通信网络，逻辑系统和流量控制系统。 随着DES规模越来越大和越来越复杂，需要更系统的方法来建模和控制这种大型复杂系统。 基于形式语言和自动机的监控理论（SCT）的引入将连续系统的控制理论概念扩展到DES [1-3]。 在SCT中，为给定的工厂和描述工厂的控制行为的规范计算一个管理员[4]。 该计算过程被称为管理合成。 合成任务的主要问题是状态空间爆炸问题[5,6]。 全局系统模型的状态数量随着系统中的组件数量呈指数增长。为解决这个问题，最近分层，分散和模块化方法的研究被提出，以减少管理者综合任务的复杂性。

在分层架构中，管理者综合是基于植物抽象（高级模型），其被认为不如原始植物模型（低级模型）复杂[7-9]。在集中监控[1,2]中，整体监管任务由一个名为单一监管者的单一监管机构执行。植物模型和规格通过组件模型的组合获得。分散和模块化的方法受益于这个属性。在分散和模块化监控[10？2]中，规范可以根据工厂的结构进行分解。为每个指定部分合成本地管理器。本地主管同时运行，执行全面监督任务。在模块化监控[13]中，不是通过使用单个工厂模型和整体规范模型来设计单片管理器，而是通过使用局部工厂模型和相关的指定部分来合成局部管理器。通过使用模块化监控控制方法减少了建模和合成中的状态爆炸问题。

或者，已经提出了用于监督控制设计的基于Petri网的方法。这主要是因为作为向量加法系统（其状态是整数向量，PN标记）的PN的状态空间表示可以导致紧凑的系统描述，从而保持网络结构小，即使可能的标记可能变大。 PN模型的缺点是，一般来说，最佳主管不需要存在于PN类中[14]，并且非阻塞（例如可逆性）难以通过标准PN方法实现（这倾向于关注较弱的需求作为净活性和死锁 - 游离度）。然而，最优的基于PN的控制器不需要总是存在，即使对应的SCT问题在自动机的框架中可以是可解的[14]。最近，在[15]中提出了一种用于禁止状态问题的DES的监控控制的混合方法，其通过抑制弧将SCT（自动机）监控器耦合到不受控制的PN模型。

这种混合方法对基于PLC的离散事件系统的实时控制的适用性在[16]中报道。 在[16]中提出的离散事件系统的监控控制的混合方法是基于单片管理器。 在最近的工作[17]，提出了一种改进的混合方法。 改进包括使用减少的RW监控器以及检测和消除雪崩效应问题。

在本文中，提出了模块化RW监控器，而不是如[16]中的单片。根据[15]中的原始方法，首先给出植物的不受控PN模型。在将PN模型转换为自动机模型之后，SCT应用于获得主管的问题。在整体情况下，不受控的PN模型用作工厂模型，所有规格组成，并且使用工厂模型和规范模型合成单个监控器。在模块化情况下，不受控的PN模型被分解为与规范相关的子工厂。在该分解之后，每个模块化监控器通过使用子工厂及其相关规范来合成。模块化监控控制的主要问题是监控器的阻塞和冲突。这个问题可以通过协调器监控器的计算来解决[7,18]。对所获得的模块化监控器进行粘连性测试。如果有问题，可以通过使用协调器计算方法来解决。闭环控制模型是通过使用由控制数据定义的抑制弧来连接计算模块化监控器与不可控PN模型。实时控制系统通过实施闭环控制系统来运行。

本文的主要贡献是提出一种用于实时控制制造系统的有效的主管合成方法。 所提出的方法易于使用，并且它在逻辑上是直截了当的。 所提出的方法的适用性通过使用实验制造系统来证明。 这个实验集与[16,17]中使用的相同。 通过使用提出的方法获得的模块化监控器和LLD代码与[16]中的单片控制器进行比较。

本文的其余部分组织如下：第2节提供了关于以下内容的初步信息：SCT，自动化Petri网（一类解释Petri网）和TPL（令牌传递逻辑）方法。 模块化混合方法在第3节中提出。模块化混合方法的适用性通过第4节中的实验制造系统的基于PLC的实时控制来证明。[16]中提出的单片混合管理器和混合模块超级 - 本文提出的遮阳板在第5节进行比较。最后，给出结论，并在第6节中提供一些未来的研究方向。

2.初步措施

为了本文的可读性，本节回顾了监督控制理论（SCT），自动化Petri网和令牌传递逻辑方法的最基本的概念和符号。 有关这些主题的详细信息，读者可参考[1-3，16,19,20]。

图片1 简单的自动化模型

2.1监督控制理论

监督控制理论（SCT）建立于形式语言和自动装置[1-3]。离散事件系统在自发发生的事件上发展。规定sum;为无限的事件集合。集合sum;的所有无限连接的事件由sum;^*表示。此集合元素称为字符串。 事件数量决定了字符串的长度。没有元素的字符串用ε表示，并被称为空字符串。子集Lsube;sum;^*被称为语言sum;。对于字符串sisin;sum;^*，smacr;表示s的前缀，定义为s={s_pisin;sum;^*|exist;tisin;sum;^*（s_pt = s）}。将这个定义扩展到语言L的语言前缀闭合被表示为.满足条件L =的语言L被称为预封闭。 由G表示的自动机是六元组G =（Q，sum;，f，Gamma;，q₀, Qm），其中Q是状态集合， 是有限事件集合f：Qtimes;sum; →Q是部分sum;过渡函数。 Gamma;：q→2sum;是活动事件函数。Gamma;（q）是为G的每个状态定义的集合，表示q的可行事件。 q₀是初始状态，Qmsube;Q是标记状态的集合表示给定任务或操作的完成。具有两种状态的简单自动机模型如图1所示。 该自动机具有标记有q0和q1的两个状态。 具有双箭头的q0是初始（和标记）状态，而具有退出箭头的q1是自动机的标记状态。 有向箭头表示自动机的过渡函数。 转换标签（e1，e2）对应事件。

SCT利用形式语言来模拟离散事件系统（工厂）的不受控制的行为和受控行为的规范。 目标是将系统的行为限制到期望的行为，这由规范表示。 这是通过禁用一些事件来防止在系统中出现一些不需要的字符串。 禁用动作由另一个称为主管的同时执行的自动机完成。 系统不能由管理员强制生成新事件。 在SCT中，事件被分成两个不相交的集合，可控事件和不可控事件。这些集合分别由sum;c和sum;uc表示。监控器对不可控事件没有影响，这意味着监控器不能禁用不可控事件。 如果期望的语言满足可控性条件，则保证监督员的存在。 这个条件定义为sum;uccap;Msube;，其中是将在监控器的控制下生成的语言，M是由不受控制的系统生成的语言[4,19]。

2.2 自动化Petri网

Petri网（PN）被广泛用作DES的设计，分析和控制的正式方法。 Petri网以Carl命名A. Petri当代德国数学家和计算机科学家介绍了一个网状数学工具，用于研究与自动机的通信[21]。 普通Petri网不处理执行器或传感器。 因此，有必要定义一个基于Petri网的控制器（自动化Petri网，APN），它可以包含扩展的Petri网框架内的执行器和传感器[22]。 APN模型如图2所示。在APN，传感器读数可以用作在过渡连接环的条件。传感器读数的存在或不存在可以与扩展Petri网的先决条件，以网络连接重新转换结合使用。

图片2 自动化Petri网（APN）模型

形式上，APN可以定义如下：

APN =（P，T，Pre，Post，In，En，X，Q，M₀） （1）

其中P = {p1，p2，...，pn}是一个有限的非空集合，T = {t1，t2 ，...，tm}是一个有限的非空的变换集，Pcup;ne;empty;和Pcap;T =empty;，Pre：（Ptimes;T）→N是定义的输入函数定向的普通弧从位置到跃迁，其中N是非负整数的集合。

Post：（Ttimes;P）→N是一个输出函数，定义从过渡到位置的定向常规弧，

In：（Ptimes;T）→N是定义抑制剂的抑制剂输入函数弧从地方到过渡，

En：（Ptimes;T）→N是定义使能的使能输入功能弧从地方到过渡，

chi;= {chi;1，chi;2，...，chi;m}是与转换相关联的有限的非空集合，

Q = {q1，q2，...，qn}是可能分配给地方的有限操作集，M0= P→N是初始标记。

APN由称为地方的两种类型的节点（由圆圈○表示）和转换（由条形-表示）组成。在APN中使用三种类型的电弧，即，由有向箭头（→）表示的普通弧，由箭头表示的抑制弧，其端部是圆（—0），并且最终使能弧，通过有向箭头表示，其末端是空的（ ）。加权和定向普通弧将位置连接到转换，反之亦然，而加权使能弧和抑制弧只连接转换的位置。位置中的令牌数表示系统的当前状态，而转换表示事件。每个转换都有一组输入和输出位置，表示转换的前提条件和后置条件。分配给地点的动作（Q）可以是冲动动作或水平动作。脉冲动作在令牌存储到该位置的时刻被启用，并且当在该位置存在令牌时启用等级动作。可以向一个地点分配多个操作。 APN中的点火条件被识别为外部事件，例如传感器读数。与过渡t相关联的条件条件chi;是布尔变量，其可以是“0”，在这种情况下，不允许相关的过渡t，或者可以是“1”，在这种情况下相关的过渡如果使能，允许t。 APN的标记由每个地方中的令牌的数量表示。令牌由黑点（●）表示。地点之间的标记移动描述了APN的演进，并且由启用的转换的firing实现。 有关详细信息，读者可参考[20]。

图片3 基于混合方法的用于监视控制DES的单片控制架构

2.3 令牌传递逻辑方法

可编程逻辑控制器（PLC）是当今现代工厂中最常用的控制设备。此外，梯形逻辑图（LLD）是当今PLC中最常用的和首选的编程语言。因此，能够将基于Petri网的离散事件控制器转换为LLD是必要的。为了解决这个需要，引入了令牌传递逻辑（TPL）概念[20,22-4]。对于关于LLD和基于Petri网的离散事件控制设计方法的详细调查，读者参考[25]。从[25]可以清楚地看出，TPL概念是非常确定的，并且被控制团体很好地接受将Petri网转换为LDD。 TPL概念的主要特征是它有助于将基于Petri网的逻辑控制器直接转换为LLD。这是通过采用令牌的Petri网概念作为控制控制逻辑流的主要机制来实现的。因此，Petri网中的每个位置对应于LLD程序内的标志（存储器位）。 Petri网地点处的每个动作对应于LLD程序内的动作，并且Petri网中的每个转移包括令牌的移动对应于LLD梯级之间的令牌的模拟移动。实质上，Petri网络位置由单独的存储器位（标志）表示。相关标签的设置和重置模拟令牌流。在一般情况下，计数器用于表示位置。计数器的计数和计数模拟Petri网令牌的流量。此外，PLC在延迟定时器上可以容易地用于实现定时转移Petri网。有关详细信息，读者可参考[20]。

3.模块化混合方法来监控离散事件系统制控制

在DES中，主管的作用是通过使用感觉反馈数据禁用一些可控事件来控制工厂。 基于[16]中提出的单片混合方法的DES的监控控制如图3所示。监控器必须确保不会达到禁止状态，使得指定的目标状态保持可达（非阻塞），并且受控行为是最大允许的，即监控器不会不必要地限制系统操作，并且在这个意义上 最佳。 假设工厂和主管同时运行，如下所示。 工厂中的事件的发生作为通过感觉反馈的工厂输出被传送到管理者，导致管理者状态改变。监控器用作状态反馈控对DES的监控制器，其启用/禁用控制动作作为工厂输入输出，关闭反馈回

图片4 混合模块化监控器

路。 工厂的受控行为将是在监督下存活的不受控行为的子集（即，不受控制的事件字符串的子语言）。 设备的受控模型由不受控制的植物PN模型本身和控制自动网络组成，通过表示控制数据（或逻辑）的抑制弧耦合在一起。 在这种单片式控制架构中，控制动作仅由一个监控器通过感觉反馈的评估产生。

在模块化情况下，不受控的PN模型被分解为与规范相关的子工厂。 在该分解之后，每个模块化监控器通过使用子工厂及其相关规范来合成。 所提出的DES的混合模块化监控控制架构如图所示。 在DES的控制中，植物的受控行为由一组规范定义。 在单片方法中，只有一个单一的监控器通过使用工厂模型和所有规格的组合来计算。 在模块化方法中，不受控的PN模型被分解为与规范相关的子工厂。 在分解之后，每个模块化监控器通过使用子工厂及其相关规范进行合成。

混合模块化方法的综合和实现步骤如下：

bull;检查UAPNM是否有界，并确定地点标记的明确界限。

bull;如果可能，通过PN缩减规则减少UAPNM。

bull;使用[26]中提出的方法将（简化的）UAPNM和规范转换为等价缓冲区模型。

bull;确定与每个规格（SPECm）相关的子工厂模型（PLANTm）

bull;应用SCT以获得使用PLANTm和SPECm（称为MODSUPm）及其控制数据（如CDATm）的模块化RW监

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