引用本文

李大成, 罗继亮, 孙莎莎, 聂维余, 聂卓赟, 方慧娟. 基于平行Petri网的制造系统调度与控制一体化方法. 自动化学报, 2023, 49(4): 845−856 doi: 10.16383/j.aas.c200842

Li Da-Cheng, Luo Ji-Liang, Sun Sha-Sha, Nie Wei-Yu, Nie Zhuo-Yun, Fang Hui-Juan. The integrated method of scheduling and control for manufacturing systems based on parallel Petri nets. Acta Automatica Sinica, 2023, 49(4): 845−856 doi: 10.16383/j.aas.c200842

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c200842

关键词

调度，控制，平行Petri网，赋时Petri网 

摘要

为了消除制造系统调度层与控制层之间的隔阂, 实现对生产事件快速灵活响应, 本文提出了一种调度与控制一体化的方法. 首先, 定义了一种新型Petri网模型, 即平行Petri网, 从而集成地描述了传感器、执行器、任务和资源信息, 构建制造系统的信息物理系统模型; 其次, 提出了一种从平行Petri网到赋时Petri网的抽象简化方法, 大规模压缩优化调度所需搜索的状态空间; 再次, 定义了策略Petri网以描述最优调度策略. 最后, 给出了平行Petri网与策略Petri网同步执行算法, 使得平行Petri网与物理系统同步执行.

文章导读

随着工业4.0的发展, 越来越多的设备集成在同一个工业互联网中, 构成了大规模的信息物理系统, 状态空间组合式快速增长; 与此同时, 传统制造的单一性已经无法满足市场需要, 订单趋向于小批量、定制化和多批次, 生产过程的动态变化日趋剧烈; 无论是调度策略的求解, 还是执行控制代码设计和调试, 都面临指数级计算复杂性的挑战, 加上调度层和控制层相互割裂, 很难满足信息物理系统对生产事件的快速灵活响应的要求.

平行系统[1]的提出为信息物理系统的实现提供了可行方案, 信息和物理虚实结合, 在信息空间中计算决策, 在物理世界控制执行[2]. 这意味着可以将调度策略求解和控制指令计算作为虚拟对象, 自动化装置作为实体对象, 虚拟对象与实体对象平行演化, 在统一的时空里实现调度优化和控制执行.

Petri网能够描述在信息物理系统中的顺序、并行、同步和异步行为, 是刻画信息空间的优秀建模工具. 但是如果用来做控制, Petri网缺少与实体对象之间的输入输出接口; 如果用来做调度, 又缺少成本信息, 所以需要扩展Petri网语法语义.

文献[3]研究了Petri网的活性问题, 用于设计更高允许度的死锁预防的控制器. 文献[4]提出了将原始约束转化为可容许约束的方法, 克服了不可控或不可观测变迁给控制器带来的设计困难. 这些方法的提出都为设计信息物理系统的Petri网模型提供了理论支撑. 同时为了解决Petri网在输入输出上的局限性, 研究者们对Petri网做了相应扩展[5-8]. 文献[9]利用控制解释Petri网对期望的闭环系统行为进行建模, 从模型中提取离散事件控制器以便在可编程逻辑控制器(Programmable logical controller, PLC)上实现控制逻辑. 文献[10]提出了分布式的控制方法, 利用控制解释Petri网建立中央控制器, 为具有输入输出信号的本地控制器分配控制任务. 文献[11]研究了有色Petri网, 其中有色的托肯代表了产品类型以及状态变化时的相关信息, 减小了模型的规模. 文献[12]给出了梯形图到普通Petri网的转化算法, 并通过生成的可达图来定位梯形图中的竞争路径. 文献[13]则通过将Petri网与一阶逻辑相结合构建了系统执行框架用于实际的制造系统中. 文献[14-15]分别给出了扩展Petri网到现场可编程门阵列(Field-programmable gate array, FPGA)和PLC的翻译方法, 加快了程序开发的进程. 但以上工作中, Petri模型仍需要翻译成控制语言, 不足以描述平行系统, 于是学者在文献[16]中提出了平行Petri网, 在原有网结构的基础上定义了动作函数和激活函数, 可以描述平行系统物理层中各单元的行为, 同时封装的传感和执行变量为信息层和物理层的交互提供了通道.

如果要考虑优化问题, 那么就需要将成本因素扩展到Petri网模型当中. 通过给库所或变迁赋上时间, 引入赋时Petri网的概念, 就可以形式化地给出调度优化问题[17-19], 即通过搜索赋时Petri网可达图, 找到最小执行时间, 求解出系统的最优调度策略. 文献[20-21]分析了网结构的行为属性, 针对定时离散事件系统具有工作周期的特点, 研究了赋时事件图中所有可能的循环来进行调度. 但现有研究更多的是将赋时Petri网与智能搜索算法相结合来进行调度. 文献[22]率先将赋时Petri网与A* 算法相结合, 该方法不需要通过遍历可达图, 而是通过构建启发式函数来求解调度策略. 文献[23]通过开发新的启发式函数, 考虑了系统中的托肯剩余时间, 带有权重的弧以及多资源情况, 扩大了A* 算法在赋时Petri网中的使用范围. 文献[24]利用集束搜索算法在可达图每一层仅扩展设定宽度的结点, 使得搜索以受控的方式向目标结点前进, 大大节省了搜索时间. 文献[25]则利用遗传算法对赋时Petri网进行调度, 并设计了控制器避免系统死锁. 文献[26]通过智能体综合考虑了系统Petri网模型, 环境信息以及满意度模型实现了对任务的规划调度. 为提高算法搜索效率, 文献[27-28]中对复杂系统进行了模块化建模, 提高了大型系统的Petri网设计效率.

在前期工作[16]中, 我们并未考虑调度优化问题. 本文大幅扩展了平行Petri网的定义, 分别给变迁和动作函数加上了标签和时间信息, 使之不局限于对系统的控制, 同样也适用于调度, 从而构建出制造系统的平行Petri网模型. 同时通过简化压缩平行Petri网, 仅保留原有模型中调度相关的结构和信息, 使其转化为赋时Petri网, 利用赋时Petri网求解出最优调度策略, 将其描述为策略Petri网, 最后借助同步算法使得系统平行网与策略网同步执行, 在此基础上设计了C和PLC程序, 借助TwinCAT平台, 实现了平行Petri网对物理设备的感知、控制和执行.

本文结构如下: 第1节回顾了标签赋时Petri网和TwinCAT的相关概念; 第2节定义了平行Petri网; 第3节给出了平行Petri网的赋时Petri网和策略Petri网的生成方法; 第4节给出了调度与控制一体化的执行算法; 第5节进行了实验验证; 第6节对全文进行了总结.

图 1  平行Petri网到赋时Petri网简化过程

图 2  基于平行Petri网的调度与控制一体化执行框架

图 3  柔性组装实验系统

本文提出了制造系统的控制与调度一体化的方法. 利用平行Petri网构建制造系统的信息物理模型, 并压缩简化平行Petri网为赋时Petri网, 利用赋时Petri网求解最优调度策略, 并将其表示为策略Petri网, 设计了同步执行算法使得与平行Petri网同步运行, 并编写了C语言和PLC程序, 以TwinCAT为计算平台, 验证了本文方法, 在一个统一的模型上求解调度和控制问题, 使得调度问题的最优解本身即可以控制执行, 提高了系统对于生产事件的快速灵活响应的能力.

接下来的工作, 将基于平行Petri网本身的拓扑结构, 研究网结构分解技术, 将大型调度问题等价分解为多个小型子问题, 减小计算复杂性, 使该方法能更好地应用于更为复杂的制造系统.

作者简介

李大成

华侨大学信息科学与工程学院硕士研究生. 主要研究方向为离散事件系统和Petri网理论与应用. E-mail: lidacheng@stu.hqu.edu.cn

罗继亮

华侨大学信息科学与工程学院教授. 2006年获得浙江大学控制科学与工程博士学位. 主要研究方向为离散事件系统, Petri网, 可编程逻辑控制器, 智能制造和机器人. 本文通信作者. E-mail: jlluo@hqu.edu.cn

孙莎莎

华侨大学信息科学与工程学院硕士研究生. 主要研究方向为离散事件系统和Petri网理论与应用. E-mail: sunshasha@stu.hqu.edu.cn

聂维余

华侨大学信息科学与工程学院硕士研究生. 主要研究方向为离散事件系统和Petri网理论与应用. E-mail: nieweiyu@163.com

聂卓赟

华侨大学信息科学与工程学院副教授. 主要研究方向为鲁棒自适应控制, 干扰抑制控制, 非线性系统和智能机器人. E-mail: yezhuyun2004@sina.com

方慧娟

华侨大学信息科学与工程学院讲师. 主要研究方向为离散事件系统和脑机接口. E-mail: huijuan.fang@163.com