基于受控混雜Petri網(wǎng)的連續(xù)過程生產(chǎn)調(diào)度建模及優(yōu)化方法.pdf

1、流程工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，具有舉足輕重的作用，因而國家投入了大量人力、物力、財(cái)力，對(duì)現(xiàn)有流程工業(yè)企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)代化改造，積極推廣建立流程工業(yè)的CIPS(Computer Integrated Processing System，計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng))。而生產(chǎn)調(diào)度位于流程工業(yè)CIPS結(jié)構(gòu)的中間層，是流程工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行的指揮中心，提高生產(chǎn)調(diào)度的質(zhì)量和效率對(duì)于提高流程工業(yè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益起著重要的作用，因而對(duì)流程工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度建模和優(yōu)化

2、方法進(jìn)行研究具有重要的意義。 流程工業(yè)總體上可以分為連續(xù)過程和間歇過程兩種生產(chǎn)方式。對(duì)于連續(xù)過程而言，其原材料、半成品和產(chǎn)品通常是流體，加工過程長時(shí)間連續(xù)不間斷地進(jìn)行，如煉油、化肥、硝酸工業(yè)等。由于其生產(chǎn)對(duì)象不僅有物理變化而且有化學(xué)反應(yīng)，因而其生產(chǎn)過程具有復(fù)雜性、不確定性、非線性和多約束、多資源相互協(xié)調(diào)等特點(diǎn)，其調(diào)度問題在數(shù)學(xué)上呈現(xiàn)高度耦合，求解非常困難。同時(shí)由于連續(xù)過程生產(chǎn)物流的連續(xù)性，緩沖余地小，這就對(duì)其生產(chǎn)調(diào)度的實(shí)時(shí)性、協(xié)

3、調(diào)性、可靠性提出了更高的要求。因此本文以流程工業(yè)中連續(xù)過程的生產(chǎn)調(diào)度建模和優(yōu)化方法為主要研究對(duì)象。 對(duì)于復(fù)雜的連續(xù)過程調(diào)度問題，應(yīng)用單一的模型往往無法加以正確的描述和分析，需要同時(shí)采用多種模型。正是基于這一思想，本文將基于受控混雜Petri網(wǎng)的過程仿真模型和基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的優(yōu)化模型相結(jié)合，為連續(xù)過程的靜態(tài)調(diào)度提出了一種“仿真+優(yōu)化”的建模結(jié)構(gòu)；將基于受控混雜Petri網(wǎng)的過程仿真模型、事件邏輯網(wǎng)、邏輯規(guī)劃和經(jīng)驗(yàn)規(guī)則相結(jié)合提出了一種

4、基于受控混雜Petri網(wǎng)和事件邏輯網(wǎng)的連續(xù)過程動(dòng)態(tài)調(diào)度建模方法。基于受控混雜Petri網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度模型既能實(shí)現(xiàn)過程的直觀顯示和實(shí)驗(yàn)仿真，又能進(jìn)行各種分析和計(jì)算，為解決連續(xù)過程的生產(chǎn)調(diào)度問題找到了一條有效的途徑。為此，本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究： 1.連續(xù)過程以生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行為主，同時(shí)也具有方案切換、設(shè)備故障等離散事件，因而本質(zhì)上是一個(gè)混雜系統(tǒng)。連續(xù)過程的仿真模型不但要反映生產(chǎn)過程中的混雜特性，還要能體現(xiàn)調(diào)度方案的實(shí)施對(duì)生產(chǎn)

5、過程的影響。因而對(duì)現(xiàn)有混雜Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展，并將對(duì)連續(xù)變遷和離散變遷的控制作用同時(shí)引入混雜Petri網(wǎng)，提出了一種既能反映連續(xù)過程生產(chǎn)特點(diǎn)又能滿足生產(chǎn)調(diào)度建模需要的新型受控混雜Petri網(wǎng)。在受控混雜Petri網(wǎng)中，連續(xù)庫所和連續(xù)變遷分別表示連續(xù)的物料流和加工裝置的連續(xù)運(yùn)行；離散庫所和離散變遷分別表示加工裝置的狀態(tài)和離散事件的發(fā)生，連續(xù)控制庫所和離散控制庫所分別表示對(duì)連續(xù)變遷和離散變遷的優(yōu)化控制。 2.給出了該受控混雜：Pet

6、ri網(wǎng)的定義，對(duì)受控混雜Petri網(wǎng)的使能和激發(fā)規(guī)則及其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。詳細(xì)介紹了在Matlab Simulink/Stateflow環(huán)境下建立受控混雜Petri網(wǎng)模型的方法。以受控混雜Petri網(wǎng)為工具，可以對(duì)流程工業(yè)中的連續(xù)過程建立仿真模型。該模型既能反映連續(xù)過程中生產(chǎn)連續(xù)的特性，又能體現(xiàn)出設(shè)備故障、設(shè)備修復(fù)等離散事件對(duì)生產(chǎn)的影響，不但為千差萬別的連續(xù)過程提供了統(tǒng)一的模型表達(dá)形式，為調(diào)度優(yōu)化模型的建立奠定了基礎(chǔ)，而且對(duì)變遷控制作

7、用的引入也為調(diào)度方案的實(shí)施和調(diào)度結(jié)果的驗(yàn)證提供了條件。 3.提出了一種基于受控混雜Petri網(wǎng)的靜態(tài)調(diào)度建模方法。在利用受控混雜Petri網(wǎng)對(duì)生產(chǎn)裝置和存儲(chǔ)裝置分別建立仿真模型的基礎(chǔ)上，建立整個(gè)連續(xù)過程生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型。連續(xù)過程中的生產(chǎn)裝置加工能力、存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)能力、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)計(jì)劃以及原料供應(yīng)等約束條件都可以通過分析受控混雜Petri網(wǎng)模型得到，再結(jié)合一定的優(yōu)化目標(biāo)，便得到連續(xù)過程的靜態(tài)調(diào)度模型。通過受控混雜Petri網(wǎng)對(duì)

8、連續(xù)過程的仿真，既簡化了對(duì)連續(xù)過程生產(chǎn)系統(tǒng)中復(fù)雜約束關(guān)系的分析過程，又能快速檢驗(yàn)調(diào)度方案執(zhí)行的效果，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)過程的可視化建模。 4.針對(duì)連續(xù)過程調(diào)度模型中普遍存在非線性的特點(diǎn)，提出了一種采用局部混沌搜索的混合粒子群優(yōu)化算法。該算法以基本粒子群優(yōu)化算法的運(yùn)算流程作為主體流程，把混沌搜索機(jī)制引入其中，以此來增強(qiáng)全局搜索能力，擺脫局部極值點(diǎn)的吸引，提高了粒子群算法在非線性規(guī)劃問題中求解的精度和收斂的速度，在對(duì)連續(xù)過程調(diào)度模型的求解中

9、取得良好的效果。 5.采用基于受控混雜Petri網(wǎng)的靜態(tài)調(diào)度建模方法建立了某煉油廠的氫氣平衡靜態(tài)調(diào)度模型，考慮了氫氣價(jià)格變動(dòng)和裝置檢修計(jì)劃對(duì)氫氣利用的影響，并利用局部混沌搜索的混合粒子群算法對(duì)某個(gè)月內(nèi)氫氣平衡的靜態(tài)調(diào)度問題進(jìn)行了求解，既實(shí)現(xiàn)了氫氣的生產(chǎn)和使用的平衡關(guān)系又能最大限度的降低氫氣使用成本。 6.針對(duì)在連續(xù)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的設(shè)備故障停機(jī)等突發(fā)事件，構(gòu)建了基于受控混雜Petri網(wǎng)和事件邏輯網(wǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度模型結(jié)構(gòu)。該模型

10、結(jié)構(gòu)采用受控混雜Petri網(wǎng)建立連續(xù)過程的仿真模型，以該仿真模型為基礎(chǔ)建立起動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型的約束條件，并根據(jù)生產(chǎn)過程中的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，在約束條件中增加了邏輯變量，表示對(duì)約束條件的分枝選擇，從而建立起邏輯規(guī)劃形式的動(dòng)態(tài)調(diào)度優(yōu)化模型。為了實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)過程仿真模型中的突發(fā)事件向邏輯規(guī)劃模型中邏輯變量的轉(zhuǎn)換，定義了一種特殊的Petri網(wǎng)－事件邏輯網(wǎng)，它以受控混雜Petri網(wǎng)中的事件輸出庫所作為輸入庫所，以受控混雜Petri網(wǎng)的離散控制庫所作為輸出庫

11、所，中間通過邏輯變遷，實(shí)現(xiàn)邏輯命題的推理過程，從而可以響應(yīng)受控混雜Petri網(wǎng)中出現(xiàn)的突發(fā)事件，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，對(duì)受控混雜Petri網(wǎng)中的受控離散變遷進(jìn)行控制。同時(shí)事件邏輯網(wǎng)中的邏輯輸出庫所與邏輯規(guī)劃模型中的邏輯變量相關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)邏輯規(guī)劃模型中的邏輯約束條件進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化模型的動(dòng)態(tài)更新。邏輯規(guī)劃模型的求解結(jié)果作為受控混雜Petri網(wǎng)連續(xù)控制庫所的標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)受控連續(xù)變遷的控制。受控混雜Petri網(wǎng)在離散控制庫所和連續(xù)控制庫所的共

12、同作用下，在新的調(diào)度方案下穩(wěn)定運(yùn)行。 7.以一個(gè)典型的化工生產(chǎn)過程為例，對(duì)基于受控混雜Petri網(wǎng)和事件邏輯網(wǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度建模方法進(jìn)行了說明。為了使得該生產(chǎn)過程在有突發(fā)事件出現(xiàn)的情況下，盡量減少對(duì)其它裝置的影響，使得整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)可以繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，我們總結(jié)了16條經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，并將其轉(zhuǎn)換成事件邏輯網(wǎng)的形式，從而實(shí)現(xiàn)“事件觸發(fā)-邏輯推理-控制輸出”的自動(dòng)過程。在邏輯規(guī)劃模型優(yōu)化目標(biāo)的選取中，綜合考慮了利潤最大和系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。通過