[發明專利]考慮通信延時的柔性制造系統分布式控制器設計方法

有效

• 申請號: 201910630254.4
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110456743B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 張仁遠;唐煒
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種考慮通信延時的柔性制造系統分布式控制器設計方法，構建柔性制造系統中各個組件的自動機模型和通信模型，計算系統總體特性，包含所有組件模型和通信模型，并根據每個組件能觀測到的事件集合計算一個滿足協同可觀測性和可控性的系統特性。采用控制器局部化算法，為每個組件計算一個局部控制器(即分布式控制器)，每個控制器根據其接收到的事件發生信息生成相應的控制策略。本發明給出了一個自上而下的存在通信延時情況下的離散事件系統分布式監督控制器的設計方法；在設計過程中，所有分布式控制器的設計都可通過計算機算法來實現，為分布式控制器的自動設計提供了解決途徑。

技術領域

本發明屬于柔性制造系統的控制系統設計領域，涉及一種考慮通信延時的柔性制造系統分布式控制器設計方法，涉及到離散事件系統的分布式控制器設計方法。

背景技術

隨著社會經濟的蓬勃發展，制造業在不斷向著自動化、智能化方向發展，其中典型的實際工業系統為柔性制造系統(flexible manufacturing systems)，其控制器的設計成為構建柔性制造系統的關鍵技術之一。柔性制造系統是一類典型的離散事件系統(discrete event systems,DES)，可用基于自動機模型和形式語言的離散事件系統監督控制理論(supervisory control theory)進行建模與控制。

近年來，通信網絡和嵌入式技術的快速發展，使得依靠通信來協同工作的多組件系統遍布于工程領域(當然包括離散事件系統)，這類系統稱之為分布式系統。而分布式系統的各組件大多分布在不同的地理位置上，使得系統的管理，控制器的設計和實現變得更加困難。為了克服這些問題，研究者們引入了分布式控制方法：為每個系統組件設計局部控制器，依靠模塊(每個模塊包含一個系統組件及相應的局部控制器、傳感器和執行器)之間的通信來滿足全局系統的性能要求，分布式控制結構如圖1所示。分布式控制方法使得系統有較高的穩定性和易維護性，因此，研究離散事件系統分布式控制方法具有重要的研究價值。

分布式控制結構中的局部控制器也稱為分布式控制器，其設計需要解決兩個問題：一是分布式控制器的設計，即得到滿足給定指標要求的控制策略；二是通信問題，例如，通信延時、通信線路不穩定等問題，這將直接影響到所設計的分布式控制器能否做出正確的控制決策。根據從簡單到復雜的規律，研究者們首先對(1)通信延時為零時分布式控制器設計方法進行了研究。其中典型的一種方法就是控制器局部化方法，受到廣泛的關注。該方法首先為系統設計一個集中控制器，滿足系統特性全局最優；然后采用一種控制器局部化算法將集中控制策略分配到系統中的每個組件，得到相應的分布式控制器。該方法所設計的分布式控制器能保證全局最優。

(2)當通信延時不為零時，現有分布式控制器的涉及方法主要有兩種：一種是綜合分析方法，即采用一定的映射關系對通信過程進行描述，經過特定運算得到新的系統，然后設計分布式控制器，以滿足給定指標要求；另一種是驗證方法，即首先假定不存在通信延時，設計分布式控制器，然后逐步增加通信延時時長，獲得所設計分布式控制器能正常工作的邊界。對于實際柔性制造系統，通常會面臨著控制效果與成本的平衡，如果能夠在給定的通信介質(可能存在一定通信延時)的前提下，設計盡可能實現全局最優的分布式控制器，將會提高柔性制造系統的效率，降低加工成本。因此，本項目擬采用綜合分析方法，為柔性制造系統設計出滿足給定通信延時要求的分布式控制器(即每個系統組件包含一個或多個局部控制器)。

然而，現有研究中對通信過程的描述，通常采用映射、通信隊列等方法，系統總特性計算比較復雜，且大多只是提出了聯合可觀測、協同可觀測等局部控制器的存在條件。本項目將采用一種簡單的自動機模型對通信過程進行描述，即為需要通信的事件建立通信模型，進而提出新的分布式控制器設計方法，滿足柔性制造系統所需要的分布式控制及通信延時要求。

發明內容

要解決的技術問題