基于事件控制函数的离散事件系统监控器及其控制方法

摘要

一种基于事件控制函数的离散事件系统监督控制器及控制方法，包括控制装置，所述控制装置包括若干个控制单元，一个管理单元，一个事件选择单元和一个系统状态跟踪单元；所述系统状态跟踪单元组合出整个系统当前时刻的状态，并且输出给各个控制单元和管理单元；每个控制单元的功能是使被控系统满足控制指标的要求；管理单元管理各个控制单元，协调各个控制单元的输出；控制单元和管理单元将控制和管理信号输出至事件选择单元，事件选择单元据此选择使能的事件，并输出至所述系统，以此完成对被控系统的控制。本发明能够有效地避免控制器状态爆炸式增长问题，解决了一类离散事件系统的控制问题，并且保证闭环系统的运行特征满足控制指标的要求且是非阻塞的。

说明书

技术领域：

本发明属于离散事件系统的控制领域，尤其涉及到离散事件系统的监督控制方法。

背景技术：

随着计算机科学、通信和传感器技术的发展，以柔性制造系统为代表的离散事件系统在工业生产和日常生活中涌现得越来越多，如计算机和通信网络、交通控制系统、高度集中指挥、控制、通信和信息系统、车辆和大型建筑中的先进监控系统、智能交通系统,分布式软件系统等等。这些系统的行为都是由人类制定的运行规则来管理。以往的监督控制方法都是将离散事件系统的模型、系统的控制指标以及系统监督控制器的设计建立在有限状态自动机模型上，从而建立起一套建模、分析和综合控制器的方法。但是随着离散事件系统规模的扩大，有限状态自动机模型的建模变得很复杂和困难，因此如何对这类系统进行建模是一个很实际的问题。

另外，基于有限状态自动机模型所设计的监督控制器（简称控制器）也随着被控对象模型的复杂而变得庞大。已有文献指出，基于有限状态自动机模型设计控制器的综合算法与被控系统的状态数呈多项式关系。系统总的自动机模型是由系统各个组件的自动机模型经过同步积得到，系统的状态数和系统中组件的个数呈指数关系，也就是说，基于有限状态自动机模型设计控制器的综合算法与系统的状态数呈指数关系，这就是所谓的控制器规模随着状态数的增长呈现出“爆炸式”增长问题。因此，对于较大规模（指系统状态数规模）的系统，基于自动机模型的监督控制器难以被实现。

注意到系统的动态过程可以由各个组件的动态过程的组合来表示，比如系统的状态可以表示为各个组件的状态的叉积形式，系统的状态转移函数也可以表示为各个组件中状态转移函数的叉积。系统的控制指标可以表示为各个组件的状态组成的集合并且该集合以谓词形式给出，系统的监督控制器可以表示为事件的控制函数，该函数是关于系统中各个组件状态的函数。

发明内容：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于事件控制函数的离散事件系统监督控制器，包括控制装置，其特征在于，根据不同的控制任务，所述控制装置包括若干个控制单元，一个管理单元，一个事件选择单元和一个系统状态跟踪单元。

所述系统状态跟踪单元包含事件接收单元，状态记忆单元，系统每个组件的抽象模型和状态组合单元。其特征在于，事件接收单元接收系统当前执行的事件；状态记忆单元记忆上一时刻系统各个组件所处的状态；系统各个组件的抽象模型包含系统的动态过程，即系统状态转移过程信息，根据系统当前执行的事件和记忆单元中存储的上一时刻的状态，可以决定该组件当前时刻所处的状态，并且把该状态输出给状态组合单元和状态记忆单元。状态组合单元根据系统各个组件输出的当前时刻所处的状态，组合出整个系统当前时刻的状态，并且输出给各个控制单元和管理单元，以此完成系统状态跟踪的任务。

所述控制单元和管理单元具有相似的结构，其特征在于，包括一个控制决策单元和一个事件输出单元。控制决策单元由每个事件的控制函数组成，因此是一个控制函数的序列。每个控制单元的作用是使被控系统满足一部分控制指标的要求。管理单元的作用是管理各个控制单元，协调各个控制单元的输出，使被控系统最后是非阻塞的。所述控制函数决定哪些事件能够发生，并且把能够发生的事件输出给事件输出单元。事件输出单元把该控制单元或者管理单元中能够发生的事件汇集成一个集合，输出给事件选择单元。

所述事件选择单元根据控制单元和管理单元的事件输出，决定哪些事件能够被控制装置使能，即能够发生。

本发明还提供了一种基于事件控制函数的离散事件系统监督控制器的控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

第一步，分析系统特征，定义事件和状态，建立系统中各个组件的抽象模型。

第二步，分析被控系统的控制指标，根据不同的控制任务，将总的控制指标划分为若干个子控制指标，并对每个子控制指标以事件控制函数的形式给出控制规则，构成各个控制单元。根据这些控制规则，给出以事件控制函数形式的管理单元的规则。

第三步，对被控系统进行控制。本发明通过控制事件的发生与否实现对被控系统的控制。根据当前被控系统中发生的事件和当前被控系统所处的状态，各个控制单元和管理单元输出各自的使能事件集合，然后事件选择单元选择那些被所有控制单元和管理单元都使能的事件作为该状态下能够发生的事件，控制装置把这些事件反馈给被控系统，其他事件都将被控制装置禁止，不能发生。

对于该控制方法，优选的技术方案为，第一步，建立系统中各个组件的抽象模型，该抽象模型选用自动机模型。对于每个组件的自动机模型，都用列表的形式来表示状态转移关系，列表包含三列：第一列存储源状态，第二列存储事件，第三列存储目标状态。这样列表中每一行的三个元素就构成了<源状态，事件，目标状态>的三元组，其中源状态代表当前系统所在的状态，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，系统将达到的下一个状态。如果在一个源状态下有多个事件发生，假设为j（j>1）个事件，那么在列表中需要j行来表示这种情况，即第一行表示<源状态，事件1，目标状态1>，……，<源状态，事件j，目标状态j>。各个组件的抽象模型的建立步骤如下：

步骤201，定义系统各个组件中的事件和状态集合，不同的事件和状态相应的事件名和状态名不能相同。

步骤202，把初始状态作为第一个源状态写入状态转移关系列表的第一行第一列的位置。

步骤203，分析组件的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，假设有j个事件。

步骤204，把第一个事件写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在第一个事件发生后所到达的状态，并且把该状态写入该行第三列的位置，即目标状态。

步骤205，把该源状态写入下一行第一列的位置，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状态，并且把该状态写入该行第三列的位置，即目标状态。

步骤206，重复上述步骤205直到和j个事件相对应的j个转移关系全部写入列表。

步骤207，把列表第三列的第一个目标状态写入列表接下来一行的第一列位置，把它当做一个源状态，重复步骤203到步骤206，把该源状态下的所有转移关系都写入列表。

步骤208，取列表第三列的下一个目标状态。

步骤209，判断该状态是否已经在列表的第一列里，如果否，执行步骤210；如果是，执行步骤211。

步骤210，把该状态写入列表第一个空行的第一列位置，回到步骤207。

步骤211，判断该状态所在的列是否是列表的最后一列，如果否，回到步骤208；如果是，执行步骤212

步骤212，整个抽象模型的建立过程结束，所得到的列表即为组件的自动机模型。

更进一步优选的技术方案为，第二步，对每个组件定义一个全局唯一的变量，变量的取值范围分为是该组件的状态空间，控制规则和管理规则是每个事件关于这些变量的函数。第二步包含以下步骤：

步骤301，根据不同的控制任务，将系统的控制指标划分为若干子控制指标；

步骤302，对每个子控制指标定义以事件控制函数形式的控制规则；

步骤303，定义管理单元的以事件控制函数形式的控制规则。

再进一步优选的技术方案为，第三步，对被控系统进行控制，包含以下步骤：

步骤401，控制装置接收由被控系统发送的当前发生的事件信息；

步骤402，系统状态跟踪单元中的事件接收单元接收到该事件；

步骤403，系统状态跟踪单元中的各个组件模型读取状态记忆单元中存储的该组件的上一时刻的状态；

步骤404，各个组件模型读取事件接收单元中的事件；

步骤405，各个组件模型根据上一时刻的状态和刚发生的事件，从状态转移列表中获得该组件当前的状态；

步骤406，各个组件把当前状态传输给状态记忆单元，更新状态记忆单元中存储的状态为当前状态；

步骤407，各个组件把当前状态传送给状态组合单元；

步骤408，状态组合单元把各个组件独立的状态组合为系统当前的状态，并且把该状态传送给各个控制单元和管理单元；

步骤409，对每一个控制单元i(i=1,…,n)，控制决策单元i接收到当前系统的状态信息，每个事件的控制函数根据当前系统状态决定该事件是否能发生，如果能，把该事件发送给事件输出单元i。事件输出单元把所有能够发生的事件组成一个集合，发送给事件选择单元；

步骤410，对管理单元，控制决策单元接收到当前系统的状态信息，每个事件的控制函数根据当前系统状态决定该事件是否能发生，如果能，把该事件发送给事件输出单元。事件输出单元把所有能够发生的事件组成一个集合，发送给事件选择单元；

步骤411，事件选择单元根据各个控制单元和管理单元发送来的使能事件集合，选择那些被所有控制单元和管理都使能的事件作为系统当前状态下能够发生的事件，并且把这些事件组成集合反馈给被控系统。

本发明的有益效果是：

本发明中，各个控制单元和管理单元的系统状态跟踪单元主要由各个组件的抽象模型并行运行来组成，不需要求各个组件的同步积，因此，对较大规模的系统依然能设计出可行的监督控制器。

本发明中，针对不同的控制任务（指标），给出相对独立的控制规则，有利于结构分散并且控制任务多变的系统使用，当系统添加控制任务或者减少控制任务时，只需要添加或者删除相应的控制单元，然后再修改管理单元即可，不需要修改其他的控制单元。

本发明引入了管理单元来管理各个控制单元，保证最终的闭环控制系统非阻塞。

本发明提出的以事件控制函数为基础的离散事件系统监督控制器，能够有效的避免控制器状态爆炸式增长问题，解决了一类离散事件系统的控制问题，当系统状态数达到1010时，依然能够设计出可用的监督控制器，并且保证闭环系统的运行特征满足控制指标的要求且是非阻塞的。

附图说明：

图1为本发明中的监督控制器的结构示意图。

图2为系统状态跟踪单元的结构示意图。

图3为各个控制单元的结构示意图。

图4为管理单元的结构示意图。

图5为被控系统各个组件抽象模型的建立流程示意图。

图6为对被控系统进行控制的流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种基于事件控制函数的离散事件系统监控器及其控制方法。以下具体说明所述监控器的结构和控制方法的具体实施过程。

首先对本发明提出的基于事件控制函数的离散事件系统监控器的结构进行详细说明。如图1所示，图1中的控制装置时被发明所涉及到的监控器的结构示意图。它包含：系统状态跟踪单元，控制单元1～控制单元n，管理单元，事件选择单元。图2所示为系统状态跟踪单元的结构示意图，它包含：事件接收单元，状态记忆单元，组件1的抽象模型～组件k的抽象模型，状态组合单元。图3所示为控制单元i的结构示意图，它包含：控制决策单元i和事件输出单元i。图4为管理单元的结构示意图，它包含：控制决策单元和事件输出单元。

在本实施例中，被控离散事件系统内部包含多个事件传感器，检测事件是否发生，以及相应的执行器，来产生事件。假设被控离散事件系统由k个组件组成，分别为组件1～组件k，第i个组件有mi个状态，各个组件的状态表示如下：第一个组件为Q1=（q10,q11,q12,…,q1m1），第二个组件为Q2=（q20,q21,q22,…,q2m2），…，第k个组件为Qk=（qk0,qk1,qk2,…,qkmk），因此系统的状态为Q=Q1×Q2×……×Qk；系统的控制指标有n个控制任务，因此需要n个控制单元，分别为控制单元1～控制单元n。

在本实施例中，监控器各组成部分的优选结构如下：

在系统状态跟踪单元中：

状态记忆单元是监控器内存中的一片存储空间，采用<组件，状态>对的形式存储各个组件当前的状态。比如，组件1当前的状态为q15，则状态记忆单元中存储<组件1，q15>来表示。

组件1—组件k的抽象模型采用自动机模型来表示，具体到本实施例中，采用状态转移列表来表示。

状态组合单元把各个组件输出的状态组合成一个集合，来表示系统状态。

在控制单元i(i=1,…,n)和管理单元中：

控制决策单元i和控制决策单元都是事件控制函数的序列。在本实施例中，事件的控制函数采用逻辑表达式的形式，对系统每个组件定义全局唯一的一个逻辑变量，组件1为v₁，…，组件k为v_k，各个逻辑变量的取值范围为该组件的状态空间，比如v₁可以等于q11,q12等Q1中的状态。比如，对于事件σ，如果该事件在系统状态（q11,q21,q32）下能够发生，那么该事件的控制函数为：

f(σ)≡v₁＝q11∧v₂＝q21∧v₃＝q32

再比如，如果一个事件β的控制函数如下所示：

f(β)≡v₁＝q12∧v₂＝q23∧v₃＝q35

那么，就表示事件β可以在状态（q12,q23,q35）下发生，此时，控制函数f(β)的值为逻辑1。

事件输出单元i和事件输出单元将相对应的控制决策单元i和控制决策单元中值为逻辑1的那些控制函数相对应的事件组合为一个集合，并且发送给事件选择单元。

事件选择单元进行的是事件集合的与操作。将各个控制单元和管理单元发送来的使能事件集合进行与操作，选择那些能够被所有控制单元和管理单元都使能的事件作为该状态下系统能够使能的事件。

接下来，对本发明提供的控制方法的具体实施过程进行详细的说明。所述过程包含以下步骤：

第一步，分析系统特征，定义事件和状态，建立系统中各个组件的抽象模型，即自动机模型。

第二步，分析被控系统的控制指标，根据不同的控制任务，将总的控制指标划分为若干个子控制指标，并对每个子控制指标以事件控制函数的形式给出控制规则，构成各个控制单元。根据这些控制规则，给出以事件控制函数形式的管理单元的规则。

第三步，对被控系统进行控制。本发明通过控制事件的发生与否实现对被控系统的控制。根据当前被控系统中发生的事件和当前被控系统所处的状态，各个控制单元和管理单元输出各自的使能事件集合，然后事件选择单元选择那些被所有控制单元和管理单元都使能的事件作为该状态下能够发生的事件，控制装置把这些事件反馈给被控系统，其他事件都将被控制装置禁止，不能发生。

对于该控制方法，优选的技术方案为，第一步，建立系统中各个组件的抽象模型，该抽象模型选用自动机模型。对于每个组件的自动机模型，都用列表的形式来表示状态转移关系，列表包含三列：第一列存储源状态，第二列存储事件，第三列存储目标状态。这样列表中每一行的三个元素就构成了<源状态，事件，目标状态>的三元组，其中源状态代表当前系统所在的状态，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，系统将达到的下一个状态。如果在一个源状态下有多个事件发生，假设为j（j>1）个事件，那么在列表中需要j行来表示这种情况，即第一行表示<源状态，事件1，目标状态1>，……，<源状态，事件j，目标状态j>。各个组件的抽象模型的建立步骤如下：

步骤201，定义被控系统各个组件中的事件和状态集合，不同的事件和状态相应的事件名和状态名不能相同。

步骤202，把初始状态作为第一个源状态写入状态转移关系列表的第一行第一列的位置。

步骤203，分析组件的动态过程，确立在该源状态下能够发生的事件，假设有n个事件。

步骤204，把第一个事件写入该行第二列的位置，然后确定该源状态在第一个事件发生后所到达的状态，并且把该状态写入该行第三列的位置，即目标状态。

步骤205，把该源状态写入下一行第一列的位置，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状态，并且把该状态写入该行第三列的位置，即目标状态。

步骤206，重复上述步骤205直到和j个事件相对应的j个转移关系全部写入列表。

步骤207，把列表第三列的第一个目标状态写入列表接下来一行的第一列位置，把它当做一个源状态，重复步骤203到步骤206，把该源状态下的所有转移关系都写入列表。

步骤208，取列表第三列的下一个目标状态。

步骤209，判断该状态是否已经在列表的第一列里，如果否，执行步骤210；如果是，执行步骤211。

步骤210，把该状态写入列表第一个空行的第一列位置，回到步骤207。

步骤211，判断该状态所在的列是否是列表的最后一列，如果否，回到步骤208；如果是，执行步骤212

步骤212，整个抽象模型的建立过程结束，所得到的列表即为组件的自动机模型。

更进一步优选的技术方案为，第二步，对每个组件定义一个全局唯一的变量，变量的取值范围分为是该组件的状态空间，控制规则和管理规则是每个事件关于这些变量的函数。第二步包含以下步骤：

步骤301，根据不同的控制任务，将系统的控制指标划分为若干子控制指标；

步骤302，对每个子控制指标定义以事件控制函数形式的控制规则；

步骤303，定义管理单元的以事件控制函数形式的控制规则。

再进一步优选的技术方案为，第三步，对被控系统进行控制，包含以下步骤：

步骤401，控制装置接收由被控系统发送的当前发生的事件信息；

步骤402，系统状态跟踪单元中的事件接收单元接收到该事件；

步骤403，系统状态跟踪单元中的各个组件模型读取状态记忆单元中存储的该组件的上一时刻的状态；

步骤404，各个组件模型读取事件接收单元中的事件；

步骤405，各个组件模型根据上一时刻的状态和刚发生的事件，从状态转移列表中获得该组件当前的状态；

步骤406，各个组件把当前状态传输给状态记忆单元，更新状态记忆单元中存储的状态为当前状态；

步骤407，各个组件把当前状态传送给状态组合单元；

步骤408，状态组合单元把各个组件独立的状态组合为系统当前的状态，并且把该状态传送给各个控制单元和管理单元；

步骤409，对每一个控制单元i(i=1,…,n)，控制决策单元i接收到当前系统的状态信息，每个事件的控制函数根据当前系统状态决定该事件是否能发生，如果能，把该事件发送给事件输出单元i。事件输出单元把所有能够发生的事件组成一个集合，发送给事件选择单元；

步骤410，对管理单元，控制决策单元接收到当前系统的状态信息，每个事件的控制函数根据当前系统状态决定该事件是否能发生，如果能，把该事件发送给事件输出单元。事件输出单元把所有能够发生的事件组成一个集合，发送给事件选择单元；

步骤411，事件选择单元根据各个控制单元和管理单元发送来的使能事件集合，选择那些被所有控制单元和管理都使能的事件作为系统当前状态下能够发生的事件，并且把这些事件组成集合反馈给被控离散事件系统的执行器。