[论文解读] Modeling and analysis using hybrid Petri nets

Latéfa Ghomri, Hassane Alla|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2007

Petri Nets in System Modeling参考文献 12被引用 4

一句话总结

本文提出了用于建模和分析混合动态系统（HDS）的混合佩特里网（HPN）模型，通过将离散佩特里网进行流体化处理，扩展为连续模型，并提出了两种不同的HPN形式化方法：一种用于确定性HDS，另一种用于非确定性HDS。主要贡献在于构建了一个统一框架，利用形式化、数学基础坚实的HPN结构，实现对复杂混合系统的建模、分析与控制器综合。

ABSTRACT

This paper is devoted to the use of hybrid Petri nets (PNs) for modeling and control of hybrid dynamic systems (HDS). Modeling, analysis and control of HDS attract ever more of researchers' attention and several works have been devoted to these topics. We consider in this paper the extensions of the PN formalism (initially conceived for modeling and analysis of discrete event systems) in the direction of hybrid modeling. We present, first, the continuous PN models. These models are obtained from discrete PNs by the fluidification of the markings. They constitute the first steps in the extension of PNs toward hybrid modeling. Then, we present two hybrid PN models, which differ in the class of HDS they can deal with. The first one is used for deterministic HDS modeling, whereas the second one can deal with HDS with nondeterministic behavior. Keywords: Hybrid dynamic systems; D-elementary hybrid Petri nets; Hybrid automata; Controller synthesis

研究动机与目标

• 解决日益增长的对形式化建模与分析技术的需求，以应对结合离散与连续行为的混合动态系统（HDS）。
• 通过将离散佩特里网的标记进行流体化处理，扩展经典离散佩特里网以处理连续动态，为混合建模奠定基础。
• 提出两种不同的混合佩特里网模型：一种用于确定性HDS，另一种用于具有非确定性行为的系统。
• 在基于混合佩特里网的统一形式化框架内，实现形式化控制器综合与系统分析。
• 提供一个理论框架，支持使用混合自动机与佩特里网扩展对混合系统进行建模与验证。

提出的方法

• 通过将离散标记流体化，引入连续佩特里网模型，将离散的令牌数量转换为连续的流体水平。
• 提出一种专用于确定性混合动态系统的首种混合佩特里网模型，整合连续与离散变迁。
• 开发第二种混合佩特里网模型，能够表示具有非确定性行为的系统，增强建模灵活性。
• 利用混合自动机的形式化方法来组织所提出的HPN模型的行为，确保与现有混合系统理论的兼容性。
• 在HPN框架内应用控制器综合技术，以实现对混合系统控制策略的自动生成。
• 利用佩特里网与混合自动机之间的对偶性，确保系统建模与分析中的一致性与正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将离散佩特里网扩展以建模同时具有离散与连续动态的混合系统？
• RQ2 何种形式化方法能够支持使用混合佩特里网表示确定性混合动态系统？
• RQ3 如何将混合佩特里网调整以建模具有非确定性行为的系统？
• RQ4 流体化在从离散到连续佩特里网模型转换过程中起到什么作用？
• RQ5 是否可以在所提出的混合佩特里网框架内有效执行控制器综合？

主要发现

• 离散佩特里网标记的流体化成功生成了连续佩特里网模型，为混合建模奠定了基础步骤。
• 所提出的确定性混合佩特里网模型能够实现对具有可预测连续与离散动态系统的精确建模与分析。
• 针对非确定性系统的扩展HPN模型支持对具有多种可能行为的系统进行表示，增强了建模的表达能力。
• 将混合自动机概念整合到HPN框架中，确保了形式一致性，并支持严谨的系统分析。
• 控制器综合在所提出的HPN框架内是可行的，能够实现对混合系统控制策略的自动生成。
• 该方法提供了一个统一的形式化框架，支持混合动态系统的建模与验证，适用于系统设计与控制。