Supervisor Synthesis for Automated Manufacturing Systems Based on Structure Theory of Petri Nets

par Gaiyun Liu

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Kamel Barkaoui.

Le président du jury était Béatrice Bérard.

Le jury était composé de Jean-Louis Boimond, Zhiwu Li, Tarek Raissi.

Les rapporteurs étaient Feng Chu, Hans-Michael Hanisch.

  • Titre traduit

    Synthèse de contrôleurs de Systèmes de production automatisés basés sur la théorie structurelle des réseaux de Petri


  • Résumé

    Le contrôle de systèmes industriels à cause de l’automatisation et la réduction de nombre des opérateurs devient un enjeu crucial. Les systèmes de production automatisés (AMS) sont d’autant plus touchés car une défaillance du programme de contrôle peut réduire considérablement la productivité voire entraîner l’arrêt du système de production. Pour certains de ces systèmes où le partage des ressources est pondérant, la notion de blocage partiel ou global est fréquente et la validation avant implantation est préférable pour réduire les risques.En raison de la capacité des réseaux de Petri à décrire aisément l’exécution concurrente des processus et le partage des ressources, de nombreuses méthodes de vérification d’absence de blocage et de synthèse de contrôleurs basées sur la théorie structurelle ou le graphe d’accessibilité des réseaux de Petri ont été proposées au cours des deux dernières décennies.Traditionnellement, une méthode de prévention de blocage est évaluée selon trois critères de performance: la complexité structurelle, la permissivité comportementale, et la complexité de calcul. Les méthodes fondées sur l’espace d’état aboutissent généralement à un contrôle maximal permissif mais souffrent de l'explosion combinatoire de l'espace d'états. En revanche, les méthodes de synthèse de contrôleurs fondées sur l’analyse structurelle évitent le problème de l’explosion de l’espace d’état mais aboutissent à des superviseurs pouvant restreindre considérablement les comportements admissibles du système. De plus si la théorie structurelle de contrôle de siphons pour la synthèse des superviseurs est mature dans le cas des réseaux de Petri ordinaires, elle est en développement pour les réseaux de Petri généralises. Par ailleurs, la plupart des travaux existants partent du principe que les ressources sont constamment disponibles. Or l’indisponibilité de ressources est en réalité un phénomène ordinaire. Il serait donc judicieux de développer une politique de vérification de blocage qui soit efficace tout en considérant des ressources non fiables.Cette thèse vise principalement à faire face aux limitations mentionnées ci-dessus. Nos principales contributions à la fois théoriques et algorithmiques sont les suivantes.Premièrement, après avoir revisité les conditions de contrôlabilité des siphons (cs–propriété) et précisé les limitations de la max cs- propriété et max’ cs- propriété, nous définissons la max’’ cs-propriété et nous démontrons que cette nouvelle propriété est une condition non seulement suffisante mais aussi nécessaire pour la vivacité de la classe des GS3PR (Generalized Systems of SimpleSequential Processes with Resources).Par la suite nous montrons comment le problème de la vérification de cette propriété et donc la vivacité des GS3PR peut se ramener à la résolution d’un programme linéaire en nombre entiers.Dans une seconde partie, nous proposons une classe de réseaux de Petri appelée M-Nets dotée d’une forte capacité de modélisation des systèmes de production automatisés. En combinant la théorie du contrôle siphon avec la théorie des régions, nous développons une méthode de prévention de blocage ayant un bon compromis entre l'optimalité du comportement et la complexité de calcul. De plus, nous proposons une méthode de synthèse d'un contrôleur maximal permissif pour une sous-classe de réseaux notée b-nets.Enfin, nous proposons dans cette thèse une méthode de conception d’un superviseur de systèmes de production automatisés où les ressources ne sont pas toutes fiables et particulièrement efficace pour la classe des S3PR (Systems of Simple Sequential Processes with Resources).


  • Résumé

    Because of automation and reduction of the number of operators, the control of industrial systems is becoming a critical issue. For automated manufacturing systems (AMS) where resource sharing is preponderant, the notion of partial or total blocking is frequent and validation before implementation is preferable to reduce the risks.Due to the easy and concise description of the concurrent execution of processes and the resource sharing by Petri nets, many methods to verify deadlock-freeness and to synthesize controllers using structural theory or reachability graph have been proposed over the past two decades.Traditionally, a deadlock control policy can be evaluated by three performance criteria : structural complexity, behavioral permissiveness, and computational complexity. Generally, deadlock control policies based on the state space analysis can approach the maximal permissive behavior, but suffer from the state explosionproblem. On the contrary deadlock control policies based on the structural analysis of Petri nets avoid in general the state explosion problem successfully, but cannot lead to the maximally or near maximally permissive controller. Morover, the current Deadlock control theory based on siphons is fairly mature for ordinary Petri nets,while for generalized Petri nets, it is presently at an early stage.On the other hand, most deadlock control policies based on Petri nets for AMS proceed on the premise that the resources in a system under consideration are reliable. Actually, resource failures are inevitable and common in most AMS, which may also cause processes to halt. Therefore, it is judicious to develop an effective and robust deadlock control policy considering unreliable resources.This thesis aims to cope with the limitations mentioned above. Our main theoretical and algorithmic contributions are the following. Firstly, after revisiting the controllability conditions of siphons and limitations of max and max' controlled-siphon properties, we define the max'' cs property and we prove that this new cs-property is not only sufficient but also a necessary liveness condition forgeneralized systems of simple sequential processes with resources (GS3PR). Moreover, we show how the checking of this property and hence liveness of GS3PR nets can be translaled into resolution of an integer programming (IP) model.Secondly, we propose a class of manufacturing-oriented Petri nets, M-nets for short, with strong modeling capability. Combining siphon control and the theory of regions, we develop a deadlock prevention method that makes a good trade-off between behavioral optimality and computational tractability Moreover, this thesis proposes a maximally permissive control policy for a subclass of Petri nets (calledBéta-nets) based on the token distribution pattern of unmarked siphons.Finally, we propose a designs method for robust liveness-enforcingsupervisors for AMS with unreliable resources appropriate in particular for systems of simple sequential processes with resources(S3PR)


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