基于模糊Petri网的加工过程智能控制系统

2 0 0 6 中国控制与决策学术年会论文集P r o c e e d i n g so f2 0 0 6C h i n e s eC o n t r o la n dD e c i s i o nC o n f e r e n c e4 6 9基于模糊P e t r i 网的加工过程智能控制系统张建军，韩煜，张利( 台肥工业大学机械与汽车工程学院舍肥2 3 0 0 9 9 )摘要：蒋模糊推理规则与P e t r i 罔相结合的模糊P e t r i 罚应用子加工过程的智能监控，并且葶入了分层连阶智能控制的方法，组轵敷谩计中，秉用模橱推理的方法，并用标识模糊P e t r i 罔为其推理过程进行熏横 协调敷设计中，以一台加工中心，一十机械手或一十工业机器、组成曲加工系统为倒，运用攫糨P e t r l 嗣为其协调罂进行了合理规迥关建词；模翔推理f 标识模期P e t r i 罔 递醣智能控制；组轵级 协调投I n t e l l i g e n tC o n t r o lo fM a c h i n i n gP r o c e s sB a s e dO nF u z z yP e t r i N e t·Z H A N GJ i a n 一血n ，M A NY u ，Z H A N G 厶( S c h o o lo fM a c h i n e r ya n dA u t o m o b i l eE n g i n e e r i n g ，H e MU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y I - l e f e i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a C o r r e s p o n d e n t ：H A NY u tE - m a i l ；h a n y u i a l a h h f u t e d u o n )A b s t r a c t ：F u z z yP e t r in e t ，w h m hi si n t e g r a t i o no fP e t r in e ta n df u z z yr e a s o n i n gi su s e di ni n t e l l i g e n tc o n t r o lo fm a c h i n i n gp r 。c e ，m e a n w h i l e ，h i e r a r c h i c a li n t e l l i g e n tc o n t r o li si n t r o d u c e d F u z z yr e a s o n i n gi sa d o p t e dt od e s i g nt h eo r g a n i z a t i o nl e v e l A n d ·t h er e a s o n i n gp r o c e s si sd e s c r i b e dh yn m r k e df u z z yP e t r in e t I nt h ed e s i g n “t h ec o o r d i n a t i o nl e v e l ，f u z z yP e t r in e ti su s e dt od e s e r i b e dt h em a c h i n i n gs y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do f 0m a c h i n ec e n t e r 。am a n i p u l a t o ro rai n d u s t r i a lr o h o t K 吖_ ”d s IF u z z yr e a s o n i n g M a r k e dt u = yP e w in e t IH i e r a r c h i c a li n t e l l i g e n tc o n t r o l ，O r g a n i z a t i o nl e v e l C o o r d i n 8 t i o nl e v e l1g l言随着制造业和信息技术的高速发展，要求控制理论能够处理更加复杂的系统控制问题，从而提供更加有效的控制策略现代加工系统属于典型的离散事件动态系统( D E D S ) ，因而其控制具有高度的复杂性，不仅涉及到加工设备、刀具、工件、工艺规程、物料运输等方面的协调与管理，还要涉及加工作业计划的制定以及实时监控与调度等复杂工作 1 ，显然这是传统的控制理论所难以解决的P e t r i 网作为D E D S 的一种主要建模方法，用简单的图形表示组合模型，能够较好地描述系统的结构，以网图的形式，简洁、直观地模拟离散事件动态系统，分析系统的动态性质，并且具有很好的知识表示、推理和并发、不确定和异步等模型描述特性，因而P e t r i 网是对加工系统智能控钢进行建模分析的一种有效手段“S a r i d i s 等提出的一种递阶智能控制系统理论，将计算机的高层决策、系统理论中的先进数学建摸和综台方法以及处理不精确和不完全信息的语言学方法结合在一起，形成了一种适合于工程需要的统一方法本文将P e t r i 网与递阶智能控制理论相结合，并运用模糊控制的相关知识。规划了加工系统的智能控制模型，在完成加工任务同时，实现对加工过程的实时监控，及时处理可能的随机事件和意外故障2 加工控翩系统的结构在一个复杂的加工过程中，不同条件下的多种操作是必要的口 如操作环境的变化、加工参数的改基金项且：国家8 6 3 计盘基金项目( 2 0 0 4 A A 4 2 4 5 2 1 ) ，教育部优秀人才计划基金项且( N C E T - 0 4 0 5 0 5 6 2 )作者简介t 张建军( 1 9 6 3 一) ，男浙江宁渡人，副教授博士，从事计算机集成制造的研究4 7 D2 0 0 6 中国控制与决策学术年会论文集变和加工设备异常等因素都对加工过程产生极大的影响，为此本文采用分层递阶智能控制系统对加工过程进行控制分层递阶控制系统结构如图l 所示，它由组织级、协调级、执行级3 个层次组成，并按照自上而下精确程度渐增，智能程度递减( I P D I ) 的原则进行功能的分配“】协调级孕，丁 I 协调器l | | 协调器2 | ·l 协调器一I 中过程1 ，过程l围1 分屡递阶控制襄统结构3 加工系统递阶控制设计3 1 组织级设计，组织级具有执行规划和高级决策的功能，由人工智能起控制作用在该层需要大量的定性知识而非定量知识，因此该层对精度的要求相对较低本系统中，采用多输人模糊推理0 1 来处理系统的输入信息将加工命令定义为G ( g ，9 2 一，g ) ，其中g 为特征参数又g 。，g ”“，“分别对应论域A 。， ：，A ，对A 。进行扩散得到 。的一个域划分 口“ n m ，a 。 ，由于a “为一个区间值而实际上系统中需要的是精确值，因此需要将a o 转化为精确值在a 。，上定义一个模糊集合F ，其相应的隶属函数为脚( z ) ，即所o ) ：口“一 o ，1 规则1I fg Ii sa l Ja n dg z i sa a n d ，a n dg i sn t T h e n U i se ·按照规则1 在知识库中选取一个最优规划旬，E一( e ，e ：，e 。 为系统活动规划集合若未找到满足条件的屯，则需要建立一个新规划，并且更新知识库若g 。对4 “的隶属度为蛳，则其前件规则的激活度( 匹配度) 为产一“lx 嘞X X “上述模糊推理过程可用标识模糊P e t f i 网来对其建模模糊P e t r l 网定义如下：F P N = 尸，T ，D ，J O f ，口，口 其中：P = P ，P 一，P 。 为有限个模糊位置节点集合；丁= T ，T 2 ，L 为有限个模糊转移集合#，为P ×了上的一个模糊关系；O 为丁x P 上的一个模糊关系；D = d 。，砒，以 是有限个模糊命题的集合，Pn 丁nD = 巧；，为r 一 o ，1 转移可信度C F ；a 为P 一 o ，1 位置真值度，标识为模糊值；p为P D 位置和命题之同的映射规则1 可转化为I fd ，Ia n dd J ±a n d a n d 以T h e n 以其中：d z 。d ，以为约束条件；以为满足约束条件的最优规划标识F P N 建模如图2 所示 ：黔盥扣 m - 尹Q 御围2 推理过程的标识F P N 模型3 2 协调级设计协调级是组织级和执行级的接口在组织级完成系统的任务规捌之后，由协调级来协调执行级的工作，它由分配器和协调器组成分配器的主要工作是将由组织级发送来任务翻译成控制命令然后发送给协调器 协调器的工作则是将来自分配器的控制命令翻译成动作命令发送给执行级，调用程序进行处理，让某一机构执行具体动作【】本文以一个加工中心和一个工业机器人或是机械手组成的加工系统为例来进行协调级的P e t r i 网圈3 分配卷的P 亡t 一两模型张建军等；基于模糊P e t r i 罔的加工过程智能控辛系统4 7 1建模口】其具体加工过程为：若缓冲区有空间则将工件放人缓冲区；若M C 空闲则装载工件并进行加工，加工完成进行检测，检测合格则卸载工件加工完成·否则重新加工 ”其中由工业机器人或机械手来完成物料传送和工件装卸工作；对工件的自动检测采用非接触类的检测传感器，可缩短传感时间及时反馈工件信息( ，】其间要求对加工过程进行监控，例如机床状态、刀具状态等。分配器的P e t r i 网模型如图3 所示，变迁和库所含义见表1 变迁对应分配器发送一个命令到坍调器来完成一个规定的任务，库所代表系统状态的变化裹1 分配置P e t r i 圈模型变迁和库所青义根据分析，系统需要加工中心动作协调器、机械手运动协诃器和传感器协调嚣3 个协诃器加工中心协调器主要完成的任务为工作台、刀具、进给量等的调节和信息反馈；机械手运动协调器主要完成的任务为机械手手指、手臂的调节和信息反馈；传感器协调器完成的主要任务是状态或信息的测量以及信息处理和反馈可以通过对传感协调器协调各个传感器动作并将其信息反馈到分配器，再由分配器反馈到组织级从而实现对加工过程的监控和工件质量信息的检测传感器需要布置多个，每个传感器对应系统的一个状态参量1，n 、 喜I：岛：分圈4 加工中心动作协调器田6 传摩蠢协调矗3 个协调器的P e t H 网模型分别见图4 ，图5 和图6 ，其变迁和库所含义分别见衷2 ，表3 和表4 袁2 加工中心动作协调器变迁和库所古望袭3 机械手运动坶调嚣变迁和库所含义表4 传感器协调器变迁积库所含义需要注意的是并非每个状态的变迁都对应 o ，1 变化，如工件的尺寸检测或刀具的磨损状态检测得到的信息均为连续值，必须确定这些参量的隶属函数将其模糊化，因此需要在转移节点附一阈值 ( f ) 且其取值为 o ，1 1 若前提命韪的真值为- ，当* 时执行转移；否则，不执行转移R-4 7 22 0 0 6 中国控制与块策学术年会论文集以上的协调级规划是针对一个加工中心和一个机械手组成的系统，由于P e t r i 网具有很好的扩展性，对于多加工中心多工序的较为庞大系统可以在该模型的基础上进行扩展得到该系统所对应的规划 4 结语本文加工系统的控制过程采用了分层递阶控制的方法，在组织级中将系统的输人命令和反馈信息模糊化根据推理规则求解出最优控制策略，并用模糊标识P e t r i 网对该过程建模；在协调级中运用P e t r i网对加工过程进行协