CN111399462B - 离散连续混合的产品作业控制逻辑数字孪生虚实同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离散连续混合的产品作业控制逻辑数字孪生虚实同步方法。对产品数字孪生的生产作业工序进行层次划分，划分为***层、模块层和机构层；使用混合Petri网模型对机构层中物理组件的执行器的连续动态行为进行建模，获得HPN模型；使用S3PR模型对模块层和***层中信息组件的离散控制逻辑进行建模；***层和模块层的S3PR模型转换成离散流程的控制逻辑部署在上位计算机中，机构层的HPN模型转换成连续物理流程的控制逻辑部署在微控制器中，实现多层次Petri网模型生产作业工序模型间的集成。本发明方法能够实现信息物理***复杂产品控制逻辑的快速部署。
Description
技术领域
本发明涉及了产品生产作业工序图形化处理方法，尤其涉及一种离散连续混合的产品作业控制逻辑数字孪生虚实同步方法。
背景技术
随着工业4.0技术的发展，产品设计、制造与维护越来越强调数字化与定制化。在这种趋势的推动下，仅在虚拟空间验证产品设计的传统计算机辅助设计技术因过于理想化而难以满足要求，能够实现产品全生命周期中虚实空间平滑迁移和双向映射的数字孪生概念已成为新的研究热点。特别地，对于机电耦合的复杂产品来说，其本身构成了一个信息物理***(Cyber-physical system，CPS)，上位计算机、微控制器及网络部件等设备所组成的信息组件提供了大量的控制数据、传感数据读写接口，为构建复杂产品数字孪生虚实空间状态同步所需的数据传递提供了支持。
建立复杂产品的数字孪生模型，不仅要对静态的几何结构建模，还需要对包括控制逻辑在内的动态生产作业工序进行建模。对于本身构成一个CPS的复杂产品来说，其信息组件通过传感器监控物理组件的执行，并根据物理组件的反馈发挥计算能力实现生产作业工序的控制。这种信息组件与物理组件间闭环的控制反馈可以从数据层面理解成两个过程：控制信息向底层执行器驱动数据的转换和原始传感器数据向状态信息的映射。构建一个有效的生产作业工序模型，定义和描述控制反馈中信息/数据的转换与映射，能够以动态行为为中心将真实产品与仿真技术结合起来，实现高保真的孪生镜像。
CPS复杂产品的生产作业工序具有离散/连续混合的特点：在信息层面上，生产作业工序按照执行的阶段在逻辑上被抽象成有限个***状态，***状态间的转移规律是关注的重点；在物理层面上，生产作业工序是物理机构实现某一功能时的连续性动作，***状态量随时间的连续变化规律是关注的重点。为了对这种混合的生产作业工序进行完整描述，同时考虑作业工序模型在数字孪生中的应用，生产作业工序建模方法需要兼顾和权衡以下三个方面：1、逻辑抽象和物理具象：模型应能够同时表征抽象的状态信息和具体的物理执行数据以及它们间的转换映射；2、建模直观性和数学形式化：模型应具备直观的形式以降低建模的难度，同时又能形式化地转换成控制逻辑以部署在实际产品中；3、自主执行和数据驱动：模型应能够在前期设计中以自主仿真的形式进行验证，同时也能够在数据的驱动下反映实机流程执行的状态。
发明内容
为了解决背景技术提到的生产作业工序建模方法需要兼顾和权衡的三个方面的问题，本发明目的在于提出一种离散连续混合的产品作业控制逻辑数字孪生虚实同步方法，实现CPS复杂产品控制逻辑的快速部署。
为达到上述目的，本发明中模型的建立包括以下具体步骤：
S1.对产品数字孪生的生产作业工序进行层次划分，划分为***层、模块层和机构层；
S2.使用混合Petri网模型(Hybrid Petri Net，HPN)对机构层中物理组件的执行器的连续动态行为进行建模，获得HPN模型；
S3.使用S3PR模型(也是一种Petri网)对模块层和***层中信息组件的离散控制逻辑进行建模；
物理组件是指实现作业流程的各功能模块，执行器是指实现各功能模块物理操作的机电结构，信息组件是指通过指令对物理组件进行高层次的抽象和控制的处理逻辑。
机构层属于物理组件，模块层和***层属于信息组件。
S4.***层和模块层的S3PR模型转换成离散流程的控制逻辑部署在上位计算机中，机构层的HPN模型转换成连续物理流程的控制逻辑部署在微控制器中，实现多层次Petri网模型生产作业工序模型间的集成；
所述的虚实产品是指具有微控制器和上位计算机的机电耦合产品。
所述步骤S1中，将产品数字孪生的生产作业工序划分为***层、模块层和机构层三个层次，其中：
机构层是指微控制器控制下通过驱动器和传感器完成物理操作的机电机构；例如步进电机。
模块层是指多个机构组成的完成一个生产加工过程的功能模块，将***层下发的抽象操作指令分解成若干机构的依次调用；例如多个步进电机构成的机械手爪。
***层是指从整体上描述仪器中调用的各功能模块组成的整体仪器，调度各功能模块间的协调工作，以充分发挥多样本处理的并行能力。例如多个机械手爪构成的机器人或者机械臂。
机构层部署在机构的微控制器上直接通过驱动器控制，模块层和***层部署在上位计算机中，实现对产品不同工序状态的抽象和控制。
在所述步骤S2中，机构层中微控制器实现驱动器的控制分为等值和等时两种模式，对等值和等时两种模式分别进行HPN建模，获得HPN模型。
等值模式是每个中断回调中发送的驱动信号量恒定但中断间隔不定，例如在化学发光免疫分析仪中使用了大量的步进电机作为驱动器带动机械结构实现样本容器的移动，步进电机接收到一个驱动脉冲时所转动的角度是固定的，因此，对步进电机速度的控制其实是对驱动脉冲发送间隔的控制，是一种等值模式。
等时模式是中断间隔恒定但驱动信号量不恒定，化学发光免疫分析仪中需要对温度进行控制实现样本反应的恒温条件，温控方法一般采用PID算法，每隔一定的时间间隔对发热管的PWM(脉冲宽度调制)信号进行控制。
在所述步骤S4中，具体是将Petri网模型转换成直接部署在数字孪生虚实产品微控制器和上位计算机的控制逻辑，Petri网模型包括HPN模型和S3PR模型，向模型中添加具体数据结构进行运行参数的传递实现层次间通信，构建多层次Petri网模型生产作业工序模型，其中***层和模块层的S3PR模型转换成离散流程的控制逻辑部署在上位计算机中，机构层的HPN模型转换成连续物理流程的控制逻辑部署在微控制器中。
S41.提出基于规则(rule-based)的转换方法将HPN模型映射成微控制器控制逻辑的C语言代码；基于规则的转换方法将HPN模型映射成五元组表达控制逻辑，分别是变量、初值、转移、输入、输出。
S42.使用基于模型的方法将***层和模块层的S3PR模型作为模型数据载入，并在运行时根据模型数据创建内存对象将***层和模块层的S3PR模型映射成控制逻辑。
本发明的有益效果是：
本发明方法能够实现信息物理***(Cyber-physical system，CPS)复杂产品控制逻辑的快速生成和部署。在产品设计阶段使用数字孪生仿真能方便准确地对产品进行验证；在产品生产阶段，真实产品结构生产调试完毕后，将数字孪生仿真所使用的虚拟驱动器桥接和传感器桥接替换成真实的驱动器和传感器桥接配置，即能够实现从样机向实机的移植；在产品服役阶段，真实产品作业流程控制逻辑执行产生运行数据，采集运行数据实现数字孪生镜像。
附图说明
图1是化学发光免疫分析仪的***-模块-机构层次示意图。
图2是化学发光免疫分析仪步进电机控制HPN示意图。
图3是化学发光免疫分析仪PID控制HPN示意图。
图4是模块层S3PR模型示意图。
图5是***层S3PR模型示意图。
图6是Petri网模型的层间通信示意图。
图7是微控制器的HPN控制算法流程图。
图8是S3PR控制逻辑类图。
图9是控制逻辑在虚实样机上的部署示意图。
具体实施方式
下面结合附图和化学发光免疫分析仪实例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例及其实施过程如下：
S1.复杂产品生产作业工序机构-模块-***的层次划分模式；
如图1所示是对化学发光免疫分析仪进行机构-模块-***层次划分的示意图，其中模块又可以分为运输模块和试剂加注模块；机构又可分为传动模块和注射针模块。
S2.使用混合Petri网(Hybrid Petri Net，HPN)描述机构层中物理组件的执行器的连续动态行为；
S21.如图2所示是利用HPN描述化学发光免疫分析仪步进电机控制的示意图，离散库所pB、pa、pu、pd和pE分别表示启动、加速、匀速、减速和结束过程，连续库所ps以结构化标识m(ps)＝(s，h)分别表征步进电机的行程和中断间隔。步进电机在初始时处于空闲状态，在高层模块的控制下，变迁tba激发，pa得到令牌，步进电机开始加速。此时ta连续激发，导致ps中的标识不断累积，当达到阈值sa时，变迁tau激发，步进电机开始匀速工作。类似地，当ps的行程标识达到阈值su时，步进电机开始减速；并最终激发tde，步进电机停止进入空闲状态，并向高层模块反馈运行结束消息；
S22.如图3所示是利用HPN描述化学发光免疫分析仪PID控制的示意图，其中所有连续库所中标识(v，h)分别表示信号值和中断间隔。当信号值在中断回调函数中被读取到时，ts以速度en激发，将输入信号写入pc和pd。pl中的标识m(pl)[v]记录了上个步骤的输入信号，tΔ以m(pl)[v]速度激发，将pl记录的信号值清0，并将pd的标识设置为当前输入信号与上步输入信号的差值(即输入信号的差分)，同时也将上步骤信号值累加到pi的标识(即输入信号的积分)。tc、td和ti依次以m(pc)[v]、m(pd)[v]和m(pi)[v]的速度激发，通过权重K1、K2和K3累加在pu，并同时将pc和pd的标识清0。tu以速度m(pu)[v]激发，将该速度量作为输出信号设置为PWM的驱动量；
S3.使用S3PR描述模块层和***层中信息组件的离散控制逻辑质量特征预测模块；
如图4所示用S3PR描述模块层，步骤如下：
S31.为每一个通道的处理流程建立始于
终于
的状态机子网
其中
中的库所依次表示流程的各步骤。标注各步骤的设置处理时间
S32.建立表征各机构的资源库所
设置其初始标识
为可用机构的数量，将各资源库所
通过有向弧连接到对应步骤
的前后序变迁(即·
和
·)表征资源的占用与释放；
S33.对已建立的赋时S3PR模型做进一步的分析，模块层生产作业工序模型相对简单：流程状态机为简单的链，且资源数量有限。该类生产作业工序主要关注资源调用的正确性，即资源互斥性和流程活性；
如图5所示用S3PR描述***层，步骤如下：
S34.在已建立的赋时S3PR模型的基础上，构建调度器，在避免死锁的前提下，以提高并发效率、降低等待时间为目标，选择合理的冲突变迁激发。赋时S3PR中的变迁根据占用资源的与否可以分为两类：可控变迁
和自主变迁
前者由于激发时需要占用资源从而需要被调度器控制以合理分配***资源，而后者由于激发不涉及资源占用从而在使能时立即激发。
S4.***层和模块层的S3PR模型转换成离散流程的控制逻辑部署在上位计算机中，机构层的HPN模型转换成连续物理流程的控制逻辑部署在微控制器中，实现多层次Petri网模型生产作业工序模型间的集成；
如图6所示描述了Petri网层间通过令牌进行通信的过程。为了实现多层次Petri网生产作业工序模型间的集成，将Petri网模型(包括HPN和S3PR)转换成可以直接部署在复杂产品微控制器和上位计算机的控制逻辑，需要向模型中添加具体数据结构，实现运行参数的传递，故引入着色Petri网技术构建多层次Petri网模型生产作业工序模型。模型中变迁不仅描述令牌的转移，也被细化成关于有色令牌的函数：即某一变迁t是一个自变量为其前序库所中令牌token(·t)、因变量为其后序库所中令牌的token(t·)的函数ρ：token(t·)＝ρ[token(·t)]。
其中***层和模块层的S3PR模型转换成离散流程的控制逻辑部署在上位计算机中，机构层的HPN模型转换成连续物理流程的控制逻辑部署在微控制器中，具体转换方法如下：
S41.提出基于规则(rule-based)的转换方法将HPN模型映射成微控制器控制逻辑的C语言代码；基于规则的转换方法将HPN模型映射成五元组表达控制逻辑，分别是变量、初值、转移、输入、输出。
S42.使用基于模型的方法将***层和模块层的S3PR模型作为模型数据载入，并在运行时根据模型数据创建内存对象将***层和模块层的S3PR模型映射成控制逻辑。
图9所示是将控制逻辑在虚实样机上进行部署的示意图，通过为驱动器和传感器建立一层桥接抽象，解耦Petri网生产作业工序的控制逻辑和产品的物理结构，可以实现在样机和实机上生产作业工序控制逻辑的快速部署。产品的结构分为三个层次，其中：控制层实现Petri网生产作业工序控制逻辑的演化执行，生成驱动信号，处理传感信号；结构层在虚拟环境为实现产品几何结构运动仿真的数字样机，在真实环境中则为产品的实际物理机构；桥接层通过速查表(look-up table)将控制层发送和读取的信号映射到结构层具体的驱动器和传感器上，从而实现结构层具体配置对控制层的透明。
通过对化学发光免疫分析仪进行工序图形化处理，阐述复杂产品作业流程数字孪生的构建方法，实现设计中作业流程的快速建模、运行中作业流程的有效规划和维护中作业流程的状态镜像。
以上所述实例仅为本发明在该实例上的调优结果，但本发明的具体实施不仅局限于本实例。凡是依照本发明原理与思路提出的效果相似的替代方案，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种离散连续混合的产品作业控制逻辑数字孪生虚实同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.对产品数字孪生的生产作业工序进行层次划分，划分为***层、模块层和机构层；
S2.使用混合Petri网模型对机构层中物理组件的执行器的连续动态行为进行建模，获得HPN模型；
S3.使用S3PR模型对模块层和***层中信息组件的离散控制逻辑进行建模；
S4.***层和模块层的S3PR模型转换成离散流程的控制逻辑部署在上位计算机中，机构层的HPN模型转换成连续物理流程的控制逻辑部署在微控制器中，实现多层次Petri网模型生产作业工序模型间的集成；
所述步骤S1中，将产品数字孪生的生产作业工序划分为***层、模块层和机构层三个层次，其中：
机构层是指微控制器控制下通过驱动器和传感器完成物理操作的机电机构；
模块层是指多个机构组成的完成一个生产加工过程的功能模块；
***层是指从整体上描述仪器中调用的各功能模块组成的整体仪器；
在所述步骤S4中，具体是将Petri网模型转换成直接部署在虚实产品微控制器和上位计算机的控制逻辑，Petri网模型包括HPN模型和S3PR模型，向模型中添加具体数据结构进行运行参数的传递实现层次间通信，构建多层次Petri网模型生产作业工序模型，其中***层和模块层的S3PR模型转换成离散流程的控制逻辑部署在上位计算机中，机构层的HPN模型转换成连续物理流程的控制逻辑部署在微控制器中；
S41.提出基于规则(rule-based)的转换方法将HPN模型映射成微控制器控制逻辑的C语言代码；
S42.使用基于模型的方法将***层和模块层的S3PR模型作为模型数据载入，并在运行时根据模型数据创建内存对象将***层和模块层的S3PR模型映射成控制逻辑。
2.根据权利要求1所述的一种离散连续混合的产品作业控制逻辑数字孪生虚实同步方法，其特征在于：在所述步骤S2中，机构层中微控制器实现驱动器的控制分为等值和等时两种模式，对等值和等时两种模式分别进行HPN建模，获得HPN模型。
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2020
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