發(fā)布時間：2020-03-28 00:24

【摘要】：過去幾十年中,隨著當代工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展,離散事件系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展,已被廣泛應(yīng)用于各種不同領(lǐng)域,例如制造系統(tǒng),交通系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),通信協(xié)議,以及后勤(服務(wù))系統(tǒng)等。這些復(fù)雜系統(tǒng)均可從離散的角度進行研究,因此,越來越多的研究學(xué)者和工程師都致力于離散事件系統(tǒng)的建模、分析以及控制。其中,Ramadge和Wonham(RW)首先提出了針對普遍離散事件系統(tǒng)的監(jiān)督控制方法,其所得研究成果形成了一套完整的監(jiān)督控制理論�；�于RW框架,一個離散事件系統(tǒng)被建模為一個自動機,它的動態(tài)信息則被描述為一種自動機產(chǎn)生的由一系列事件構(gòu)成的規(guī)范語言。為了控制離散事件系統(tǒng),RW方法旨在構(gòu)造一個控制器,通過對可控事件進行控制,使系統(tǒng)能夠依照合適的方式發(fā)生或停止。然而,對一些復(fù)雜系統(tǒng),由于其狀態(tài)數(shù)量將隨組件的增加而急劇增長,在計算其控制器的過程中會出現(xiàn)狀態(tài)爆炸問題。為了有效解決離散事件系統(tǒng)的監(jiān)督控制中出現(xiàn)的這一問題,Ma和Wonham提出了一個新的框架——狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)——作為監(jiān)督控制理論的拓展。狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)具備了由狀態(tài)樹(state-trees)和子整體(holons)實現(xiàn)的縱向和橫向的結(jié)構(gòu)特性。因此,對狀態(tài)規(guī)模極大的復(fù)雜系統(tǒng),可使用狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)進行建模和控制。其最重要的優(yōu)勢在于,對一個控制問題,無論是基于監(jiān)督控制理論還是狀態(tài)樹結(jié)構(gòu),均會得到相同的控制行為。然而相比之下,狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的計算效率更高。在實際生活中,受限于傳感器功能、信息傳遞方式等約束,只有一部分事件可以被觀測�；�于RW框架,廣大學(xué)者和工程師們就部分可觀的監(jiān)督控制問題展開了深入研究,并提出了各種不同的用以計算可觀控制器的方法。然而,計算大規(guī)模系統(tǒng)可觀控制器的過程中,狀態(tài)爆炸問題仍有待解決。因此,這篇論文將利用狀態(tài)樹結(jié)構(gòu),針對部分可觀的監(jiān)督控制問題展開討論。主要的研究成果如下:1.針對狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)部分事件的不可觀性,定義狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的自然投影。首先,通過分析事件的可觀性,計算謂詞(表示一組狀態(tài)樹)的自然投影。相應(yīng)地,轉(zhuǎn)移函數(shù)被重新改寫為一個表示投影謂詞之間通過可觀事件串(由一系列可觀事件構(gòu)成)轉(zhuǎn)移的關(guān)系。同時,自然投影定義的合理性及投影后轉(zhuǎn)移函數(shù)的合理性均得到了驗證。然后,通過幾個命題進一步說明了自然投影的性質(zhì),它不會改變基于可觀事件的系統(tǒng)行為,即,若對投影后的系統(tǒng)進行分析,得到的控制器對原系統(tǒng)依然適用。基于狀態(tài)樹結(jié)構(gòu),利用所提定義,自然投影的計算成本被大幅降低。由此,尤其是針對復(fù)雜系統(tǒng),我們可以進一步分析部分可觀的監(jiān)督控制問題。2.針對部分可觀狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的監(jiān)督控制問題,提出了最優(yōu)的正則控制方法。這一部分的研究要求僅對可觀且可控的事件進行控制,主要依照以下兩個步驟來實現(xiàn)。首先,給定一個由謂詞表示的控制需求,計算出一個最優(yōu)正則子謂詞,它要求只有可觀且可控的事件可以被使能或禁止。接下來,通過屏蔽掉不可觀的事件,構(gòu)造新的轉(zhuǎn)移函數(shù)。從而,在最優(yōu)正則子謂詞的基礎(chǔ)上,使用新的轉(zhuǎn)移函數(shù)計算出最優(yōu)的弱可控且協(xié)同可達的子謂詞。這一方法基于狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)解決了部分可觀離散事件系統(tǒng)的監(jiān)督控制問題,為大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的狀態(tài)爆炸問題的控制提供了可能。此外,我們利用三個不同的例子展示了這一研究在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的貢獻。3.針對部分可觀狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的監(jiān)督控制問題,為了能夠得到更優(yōu)的控制結(jié)果,提出了可觀的控制方法。這一部分的研究是基于正則狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的框架展開的,此框架要求對于任意兩個合取為假的子謂詞,它們投影的合取依然為假(false)。首先,基于狀態(tài)樹結(jié)構(gòu),定義謂詞的可觀性,并且證明了最優(yōu)可觀子謂詞不存在。第二,基于正則狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的框架,對于某給定的謂詞(通過分析控制需求可得),構(gòu)造一個由可觀子謂詞組成的存在最大元素的子集。第三,獲得這一最大的元素后,迭代地計算出一個弱可控、協(xié)同可達且可觀的子謂詞,用以解決部分可觀離散事件系統(tǒng)的監(jiān)督控制問題。最后,通過詳細地分析一個狀態(tài)規(guī)模達到1012的例子,證明了本文所提出的基于狀態(tài)樹結(jié)構(gòu)的算法在計算效率方面有很大的優(yōu)勢,尤其是針對監(jiān)督控制理論中無法計算的復(fù)雜系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP13

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本文編號：2603625