一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，包括以下步骤：1)构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型，根据各组件模型得到所述离散事件系统的整体模型G；2)获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOCi，并将一个分布式控制器LOCi中导致状态转移，而不在该分布式控制器LOCi对应的组件模型中发生的事件，记作通信事件；3)获取每个通信事件的延时界限，当各通信事件在延时界限范围内时，所述离散事件系统的总特性最优且非阻塞；4)根据各通信事件的延时界限，各分布式控制器依靠相应的通信模型来完成对所述离散事件系统的控制。本发明可以在通信延时不为零时，各分布式控制器仍对对离散事件系统的实施有效的控制。
【专利说明】一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于离散事件系统的控制理论领域，涉及一种存在通信延时的离散事件系 统分布式监督控制方法。
【背景技术】
[0002] 离散事件系统常见于通信、交通等公共服务设施，机械、电子等各种离散型生产加 工过程，多级管理/控制系统、计算机信息处理等重要【技术领域】。近年来，通信网络和嵌入 式技术的快速发展，使得依靠通信来协同工作的多模块系统遍布于工程领域（当然包括离 散事件系统），称之为分布式系统；这些分布式系统中的传感器，执行器等大多分布在不同 的地理位置上，使得系统的管理，控制器的设计和实现变得更加困难。为了克服这些问题， 研究者们引入了分布式控制方法：为每个模块设计控制策略，依靠模块间通信来满足全局 的性能要求，分布式控制结构如图1所示。分布式控制方法使得系统有较高的稳定性和易 维护性，因此，研究离散事件系统分布式控制方法具有重要的研究价值。
[0003] 目前，控制器局部化方法是研究离散事件系统分布式控制问题的主要方法之一： 研究如何设计分布式控制器，依靠控制器间的通信来使得闭环系统满足给定的性能要求。 现有对控制器局部化算法的研究，假定控制器间的通信延时为零，主要考虑如何系统地设 计分布式控制器使得系统的总特性最优（本发明中最优均指系统总特性最大限度地满足 性能要求）且系统非阻塞运行。通常情况下，要实现对被控对象的控制，首先要用传感器检 测被控对象中发生的事件；然后将用有限自动机表示的控制策略转换为PLC、嵌入式设备 等工业控制器所能执行的控制策略；最后依靠控制器之间的通信来决定执行机构的动作。 而控制器之间的通信需要由光纤、无线电波等通信介质来实现，不同的通信介质具有不同 的传输速率和稳定性，从而决定了不同的成本。因此，研究存在延时的离散事件系统分布式 监督控制器的设计方法，对节约资源、减少成本具有重要的现实意义。
[0004] 目前对离散事件系统存在通信延时的分布式控制问题的研究主要集中在：如何设 计通信协议（包括通信信息量最少，通信延时有界或无界等问题），使得系统满足给定要求 等问题。但均没有考虑到每个通信事件的延时界限，因此严重的影响了离散事件系统的控 制方法的应用范围。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种存在通信延时的离散事 件系统分布式监督控制方法，该方法可以实现通过各通信事件的延时界限及各分布式控制 器对离散事件系统的控制。
[0006] 为达到上述目的，本发明所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方 法包括以下步骤：
[0007] 1)构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型匕=%，Σ i， 其中，Qi为所述离散事件系统的状态集合，Σ i为所述离散事件系统中所有事件的集合，δ i 为所述离散事件系统的状态转移关系，qi,〇为所述离散事件系统的初始状态，QuS所述离 散事件系统的标识状态集合，根据各组件模型得到所述离散事件系统的整体模型G，并通过 状态列表State_list表示自动机模型的状态转移关系；
[0008] 2)获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOQ，并将一个分布式控制器 LOQ中导致状态转移，而不在该分布式控制器LOQ对应的组件模型中发生的事件，记作通 事件；
[0009] 3)获取每个通信事件的延时界限，则当各通信事件在延时界限范围内时，所述离 散事件系统的总特性最优且非阻塞；
[0010] 4)根据各通信事件的延时界限及各分布式控制器完成对所述离散事件系统的控 制。
[0011] 步骤1)中的状态列表State_list包括三个列，其中，第一列存储源状态，第二列 存储事件，第三列存储目标状态，状态列表State_list中每一行的三个元素构建了〈源状 态，事件，目标状态〉的三元组，其中，源状态代表当前离散事件系统所在的状态，事件代表 在当前状态下能够发生的事件，目标状态代表在当前状态下如果事件发生，离散事件系统 将达到的下一个状态；当在一个源状态下有j个事件发生，且j > 1，则在列表中需要j行 来表示，即第一行表示〈源状态，事件1，目标状态1>，第二行表示〈源状态，事件2,目标状 态2>，……，第j行表示〈源状态，事件j，目标状态j>。
[0012] 步骤1)中构建该离散事件系统中各个组件模型的自动机模型Gi = (Qi，Σ i，δ i， 1,(1，Qi,m)的具体步骤如下：
[0013] 101)构建所述离散事件系统中各组件模型中的事件集合；
[0014] 102)将系统组件i的初始状态作为第一个源状态写入到状态列表State_list的 第一行的第一列的位置；
[0015] 103)分析组件模型的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，设该源状态 下能够发生j个事件；
[0016] 104)把该源状态写入状态列表State_list中下一个行的第一列位置，把下一个 事件写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在该事件发生后所到达的目标状态，并且 把该目标状态写入该行第三列的位置；
[0017] 105)重复步骤104)直到将所述j个事件、以及对应的源状态及目标状态全部写入 到状态列表State_list ;
[0018] 106)将下一个目标状态作为新的源状态，重复上述过程103?105,得离散事件系 统中组件i的自动机模型匕=%，Σ ρ δ ρ qi,Q，QJ ;
[0019] 107)重复上述步骤102?106,得到系统所有组件的自动机模型Gji e N)。
[0020] 步骤2)所述获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器的具体操作为：
[0021] 根据所有组件模型的自动机模型构建该离散事件系统的系统模型G = Synctei， G2,. . .，Gn)，并通过TTCT软件中的Supcon程序得到该离散事件系统的集中监督控制器SUP， 使所述离散事件系统在该集中监督控制器SUP控制下的总特性最优且非阻塞，然后根据系 统模模型G = Sync%，^，...，Gn)、各组件模型匕=%，Σ i，及集中控制器 SUP得各分布式控制器LOCi。
[0022] 步骤3)的具体操作为：
[0023] 301)获取需要通信的事件 Σ com = U {Σ^。」i = 1···，n} = U {Σ?>ιΓ Σ」i = 1...，n}，其中，Σ u和Σ i分别为分布式控制器LOQ及自动机模型匕的事件集合；
[0024] 302)设事件r为第i个分布式控制器LOQ中需要通信的事件；
[0025] 303)建立表示无界延时的通信模型CH,，然后将第i个分布式控制器LOQ中所有 需要通信的事件r替换为r'，其中，r'表示第i个分布式控制器LOQ接收到事件r的发 生信息，得替换后的分布式控制器L0C/，将无界延时通信模型(:?连接到所述离散时事件 系统中，并得到此时的离散事件系统的总特性SUP"，即
[0026] SUPr" = (L0CV /GJ | | CHr | | (| | {L0Ck/Gk | k 尹 i});
[0027] 304)检测替换后的离散事件系统的总特性SUP/是否最优且非阻塞；
[0028] 305)当所述替换后的离散事件系统的总特性SUP/最优且非阻塞时，表示通信事 件r的传输为无界延时的，则令通信延时界限火=〇° ;
[0029] 306)当所述离散事件系统的总特性SUP/不是最优且非阻塞时，则令通信延时界 限Φ = 1，并建立有界延时通信模型Cl d，并将有界延时通信模型CHn d连接到所述离散事 件系统中，得此时该离散事件系统的总特性SUPu";
[0030] 307)判断此时该离散事件系统的总特性SUPu"是否最优且非阻塞；
[0031] 308)当此时该离散事件系统的总特性SUP,,d"最优且非阻塞时，表明当前事件r 的延时界限为当前的d，则令4 = d ;当系统的总特性SUP,, d"不是最优且非阻塞时，则将 d+Ι记作新的延时界限；
[0032] 309)重复步骤302)?308)，直至所有分布式控制器中所有需要通信的事件都遍 历完为止，得每个通信事件的延时界限。
[0033] 本发明具有以下有益效果：
[0034] 本发明所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，首先构建该离 散事件系统中各个组件模块的自动机模型；然后获取通信延时为零时各组件模型的分布式 控制器以及各通信事件的延时界限；最后根据所述通信事件的延时界限及各组件模型的分 布式控制器依靠相应的通信模型来控制所述离散事件系统，并且保证所述离散事件系统的 总特性最优且非阻塞，操作方便、简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0035] 图1本发明中分布式控制的结构示意图；
[0036] 图2本发明中无界延时通信模型(:?的示意图；
[0037] 图3本发明中有界延时通信模型CHnd的示意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0039] 参考图1，本发明所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法包括 以下步骤：
[0040] 1)构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型Gi = (Qi，E i， 其中，Qi为所述离散事件系统的状态集合，Σ i为所述离散事件系统中所有事件的集合，δ i 为所述离散事件系统的状态转移关系，^〇为所述离散事件系统的初始状态，仏^为所述离 散事件系统的标识状态集合，根据各组件模型得到所述离散事件系统的整体模型G，并通过 状态列表State_list表示自动机模型的状态转移关系；
[0041] 2)获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOCi，并将一个分布式控制器 LOQ中导致状态转移，而不在该分布式控制器LOQ对应的组件模型中发生的事件，记作通 事件；
[0042] 3)获取每个通信事件的延时界限，则当各通信事件在延时界限范围内时，所述离 散事件系统的总特性最优且非阻塞；
[0043] 4)根据各通信事件的延时界限及各分布式控制器完成对所述离散事件系统的控 制。
[0044] 步骤1)中的状态列表State_list包括三个列，其中，第一列存储源状态，第二列 存储事件，第三列存储目标状态，状态列表State_list中每一行的三个元素构建了〈源状 态，事件，目标状态〉的三元组，其中，源状态代表当前离散事件系统所在的状态，事件代表 在当前状态下能够发生的事件，目标状态代表在当前状态下如果事件发生，离散事件系统 将达到的下一个状态；当在一个源状态下有j个事件发生，且j > 1，则在列表中需要j行 来表示，即第一行表示〈源状态，事件1，目标状态1>，第二行表示〈源状态，事件2,目标状 态2>，……，第j行表示〈源状态，事件j，目标状态j>。
[0045] 步骤1)中构建该离散事件系统中各个组件模型的自动机模型匕=%，Σ ρ δ ρ 1,(1，Qi,m)的具体步骤如下：
[0046] 101)构建所述离散事件系统中各组件模型中的事件集合；
[0047] 102)将系统组件i的初始状态作为第一个源状态写入到状态列表State_list的 第一行的第一列的位置；
[0048] 103)分析组件模型的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，设该源状态 下能够发生j个事件；
[0049] 104)把该源状态写入状态列表State_list中下一个行的第一列位置，把下一个 事件写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在该事件发生后所到达的目标状态，并且 把该目标状态写入该行第三列的位置；
[0050] 105)重复步骤104)直到将所述j个事件、以及对应的源状态及目标状态全部写入 到状态列表State_list ;
[0051] 106)将下一个目标状态作为新的源状态，重复上述过程103?105,得离散事件系 统中组件i的自动机模型匕=%，Σ ρ δ ρ qi,Q，QJ ;
[0052] 107)重复上述步骤102?106,得到系统所有组件的自动机模型Gi (i e N)。
[0053] ，步骤2)所述获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器的具体操作为：
[0054] 根据所有组件模型的自动机模型构建该离散事件系统的系统模型G = Synctei， G2,. . .，Gn)，并通过TTCT软件中的Supcon程序得到该离散事件系统的集中监督控制器SUP， 使所述离散事件系统在该集中监督控制器SUP控制下的总特性最优且非阻塞，然后根据系 统模模型G = Sync%，^，...，Gn)、各组件模型匕=%，Σ i，及集中控制器 SUP得各分布式控制器LOQ。
[0055] 参考图2及图3,步骤3)的具体操作为：
[0056] 301)获取需要通信的事件Σ C(M = U {Σι J i = 1. · ·，n} = U {Σι L-Σ i | i = 1...，n}，其中，Σ u和Σ i分别为分布式控制器LOCi及自动机模型Gi的事件集合；
[0057] 302)设事件r为第i个分布式控制器LOQ中需要通信的事件；
[0058] 303)建立表示无界延时的通信模型CH,，然后将第i个分布式控制器LOQ中所有 需要通信的事件r替换为r'，其中，r'表示第i个分布式控制器LOQ接收到事件r的发 生信息，得替换后的分布式控制器L0C/，将无界延时通信模型(:?连接到所述离散时事件 系统中，并得到此时的离散事件系统的总特性SUP"，即
[0059] SUPr" = (LOCV /G) | | CHr | | (| | {L0Ck/Gk | k 尹 i});
[0060] 304)检测替换后的离散事件系统的总特性SUP/是否最优且非阻塞；
[0061] 305)当所述替换后的离散事件系统的总特性SUP/最优且非阻塞时，表示通信事 件r的传输为无界延时的，则令通信延时界限4 =〇° ;
[0062] 306)当所述离散事件系统的总特性SUP/不是最优且非阻塞时，则令通信延时界 限Φ = 1，并建立有界延时通信模型Cl d，并将有界延时通信模型CHn d连接到所述离散事 件系统中，得此时该离散事件系统的总特性SUPu";
[0063] 307)判断此时该离散事件系统的总特性SUP,,d"是否最优且非阻塞；
[0064] 308)当此时该离散事件系统的总特性SUP,, d"最优且非阻塞时，表明当前事件r 的延时界限为当前的d，则令4 = d ;当系统的总特性SUP,, d"不是最优且非阻塞时，则将 d+Ι记作新的延时界限；
[0065] 309)重复步骤302)?308)，直至所有分布式控制器中所有需要通信的事件都遍 历完为止，得每个通信事件的延时界限。
【权利要求】
1. 一种存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 构建离散事件系统中各个组件模型的自动机模型Gi = (Qi，E i，δρ q^，Qu)，其 中，Qi为所述离散事件系统的状态集合，Σ i为所述离散事件系统中所有事件的集合，δ i为 所述离散事件系统的状态转移关系，为所述离散事件系统的初始状态，为所述离散 事件系统的标识状态集合，根据各组件模型得到所述离散事件系统的整体模型G，并通过状 态列表State_list表示自动机模型的状态转移关系； 2) 获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器LOQ，并将一个分布式控制器LOQ 中导致状态转移，而不在该分布式控制器LOQ对应的组件模型中发生的事件，记作通信事 件； 3) 获取每个通信事件的延时界限，则当各通信事件在延时界限范围内时，所述离散事 件系统的总特性最优且非阻塞； 4) 根据各通信事件的延时界限及各分布式控制器完成对所述离散事件系统的控制。
2. 根据权利要求1所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征 在于，步骤1)中的状态列表State_list包括三个列，其中，第一列存储源状态，第二列存储 事件，第三列存储目标状态，状态列表State_list中每一行的三个元素构建了〈源状态， 事件，目标状态〉的三元组，其中，源状态代表当前离散事件系统所在的状态，事件代表在 当前状态下能够发生的事件，目标状态代表在当前状态下如果事件发生，离散事件系统将 达到的下一个状态；当在一个源状态下有j个事件发生，且j > 1，则在列表中需要j行来 表示，即第一行表示〈源状态，事件1，目标状态1>，第二行表示〈源状态，事件2,目标状态 2>，……，第j行表示〈源状态，事件j，目标状态j>。
3. 根据权利要求2所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征 在于，步骤1)中构建该离散事件系统中各个组件模型的自动机模型h = (Qp Σ ρ δ ρ qi, cl，Qi,m)的具体步骤如下： 101) 构建所述离散事件系统中各组件模型中的事件集合； 102) 将系统组件i的初始状态作为第一个源状态写入到状态列表State_list的第一 行的第一列的位置； 103) 分析组件模型的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，设该源状态下能 够发生j个事件； 104) 把该源状态写入状态列表State_list中下一个行的第一列位置，把下一个事件 写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在该事件发生后所到达的目标状态，并且把该 目标状态写入该行第三列的位置； 105) 重复步骤104)直到将所述j个事件、以及对应的源状态及目标状态全部写入到状 态列表 State_list ; 106) 将下一个目标状态作为新的源状态，重复上述过程103?105,得离散事件系统中 组件i的自动机模型h = %，Σ ρ δ ρ qi,。，QJ ; 107) 重复上述步骤102?106,得到系统所有组件的自动机模型Gi (i e N)。
4. 根据权利要求1所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征 在于，步骤2)所述获取通信延时为零时各组件模型的分布式控制器的具体操作为： 根据所有组件模型的自动机模型构建该离散事件系统的系统模型G = Synctei， G2,. . .，Gn)，并通过TTCT软件中的Supcon程序得到该离散事件系统的集中监督控制器SUP， 使所述离散事件系统在该集中监督控制器SUP控制下的总特性最优且非阻塞，然后根据系 统模模型G = Sync%，^，...，Gn)、各组件模型匕=%，Σ i，及集中控制器 SUP得各分布式控制器LOQ。
5.根据权利要求1所述的存在通信延时的离散事件系统分布式监督控制方法，其特征 在于，步骤3)的具体操作为： 301) 获取需要通信的事件Σ com = U {Σ^。」i = 1. · ·，n} = U {Σ?α- Σ i | i = 1. · ·， n}，其中，Σ u和Σ i分别为分布式控制器LOQ及自动机模型匕的事件集合； 302) 设事件r为第i个分布式控制器LOQ中需要通信的事件； 303) 建立表示无界延时的通信模型(:?，然后将第i个分布式控制器LOQ中所有需要 通信的事件r替换为y，其中，y表示第i个分布式控制器LOQ接收到事件r的发生信 息，得替换后的分布式控制器L0C/，将无界延时通信模型(:?连接到所述离散时事件系统 中，并得到此时的离散事件系统的总特性SUP"，即 SUPr" = (LOCV /GJ I |CHr| I (I I {L0Ck/Gk|k 关 i}); 304) 检测替换后的离散事件系统的总特性SUP/是否最优且非阻塞； 305) 当所述替换后的离散事件系统的总特性SUP/最优且非阻塞时，表示通信事件r 的传输为无界延时的，则令通信延时界限4 =〇° ; 306) 当所述离散事件系统的总特性SUP/不是最优且非阻塞时，则令通信延时界限φ =1，并建立有界延时通信模型C&, d，并将有界延时通信模型C&, d连接到所述离散事件系 统中，得此时该离散事件系统的总特性SUPu"; 307) 判断此时该离散事件系统的总特性SUP,,d"是否最优且非阻塞； 308) 当此时该离散事件系统的总特性SUPnd"最优且非阻塞时，表明当前事件r的延 时界限为当前的山则令4 = d ;当系统的总特性SUP"d"不是最优且非阻塞时，则将d+Ι记 作新的延时界限； 309) 重复步骤302)?308)，直至所有分布式控制器中所有需要通信的事件都遍历完 为止，得每个通信事件的延时界限。
【文档编号】G05B19/418GK104102195SQ201410314698
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】甘永梅, 张仁远 申请人:西安交通大学