Flexible manufacturing systems (FMS) are production systems consisting of identical multipurpose numerically controlled machines (workstations), automated material handling system, tools, load and unload stations, inspection stations, storage areas and a hierarchical control system. The latter has the task of coordinating and integrating all the components of the whole system for automatic operations. A particular characteristic of FMSs is their complexity along with the difficulties in building analytical models that capture the system in all its important aspects. Thus optimal control strategies, or at least good ones, are hard to find and the full potential of manufacturing systems is not completely exploited. The complexity of these systems induces a division of the control approaches based on the time frame they are referred to: long, medium and short term. This thesis addresses the short-term control of a FMS. The objective is to define control strategies, based on system state feedback, that fully exploit the flexibility built into those systems. Difficulties arise since the metrics that have to be minimized are often conflicting and some kind of trade-offs must be made using "common sense". The problem constraints are often expressed in a rigid and "crisp" way while their nature is more "fuzzy" and the search for an analytical optimum does not always reflect production needs. Indeed, practical and production oriented approaches are more geared toward a good and robust solution. This thesis addresses the above mentioned problems proposing a fuzzy scheduler and a reinforcement-learning approach to tune its parameters. The learning procedure is based on evolutionary programming techniques and uses a performance index that contains the degree of satisfaction of multiple and possibly conflicting objectives. This approach addresses the design of the controller by means of language directives coming from the management, thus not requiring any particular interface between management and designers. The performances of the fuzzy scheduler are then compared to those of commonly used heuristic rules. The results show some improvement offered by fuzzy techniques in scheduling that, along with ease of design, make their applicability promising. Moreover, fuzzy techniques are effective in reducing system congestion as is also shown by slower performance degradation than heuristics for decreasing inter- arrival time of orders. Finally, the proposed paradigm could be extended for on-line adaptation of the scheduler, thus fully responding to the flexibility needs of FMSs. / Master of Science

Para estudar os chamados Sistemas a Eventos Discretos (SEDs), existe uma variedade de tipos de modelos, mas, entretanto, estes acabam tratando de aspectos sistêmicos específicos, da mesma forma que suas análises. Para ter uma visão mais completa de tais sistemas, é importante lidar com esses tipos heterogêneos de modelos e com as técnicas desenvolvidas para sua integração. Este trabalho foca na questão da representação computacional desses modelos e de como adequá-la à heterogeneidade e à integração desses modelos. No que diz respeito à heterogeneidade, é proposta uma descrição matemática das ferramentas computacionais de modelagem e análise de SEDs, com a qual se pode visualizar as interações entre a heterogeneidade dos modelos, o poder de expressão e de montagem de representações de modelos e os processamentos de análise. Baseado nesta descrição e considerando-se os diversos custos envolvidos, diversas características são analisadas, de modo que, ao final, determina-se quais aquelas que são favoráveis para o caso de heterogeneidade e integração de modelos. Porém, existe ainda a heterogeneidade inerente aos modelos que não pode ser eliminada e isso constitui um obstáculo no caso de ter de lidar com modelos heterogêneos, representando um custo adicional para o aproveitamento de sua integração. Em relação a este caso, a proposta deste trabalho é de representar as informações semânticas associadas aos diversos modelos como forma de obter uma descrição integrada da dinâmica sendo modelada. Desde que as condições de consistência dessas representações sejam atendidas, com tal descrição, é possível visualizar os relacionamentos entre os diversos modelos e realizar análises sem ter que lidar com as diferenças estruturais dos vários tipos de modelos. Além disso, tais informações são úteis na construção de representações de modelos de SEDs e no estabelecimento de relacionamentos entre modelos de dinâmicas diferentes. Dessa discussão fica claro que tais representações têm papel fundamental para um efetivo processamento computacional das informações que a modelagem e análise oferecem. / Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) can be approached by a variety of types of models, but each one deals with specific system aspects and whose analysis provides a limited set of information.For a more comprehensive understanding of DEDS, it is important to deal with these heterogeneous types of models and with techniques that integrate them. This work focus on the issue of computational representation of such models and of how to handle their heterogeneity and integration. In the case of the heterogeneity, a mathematical description of computational tools for modeling and analysis of DEDS is developed, based on which it is possible to visualize the interactions involving model heterogeneity, the capability of expressing and building model representations, and analysis processing. Based on this description and considering the various costs involved in the adoption of such tools, several characteristics are assessed, so that guidelines for configurations favourable to heterogeneity and integration of models are established. However, handling the heterogeneity of models does not eliminate it, remaining as a major obstacle when dealing with models of different types, representing an additional cost in their integration. Related with this issue, an approach based on the representation of the semantic information associated to the models as a means to generate an integrated description of the dynamics being modeled is introduced. As long as this representation presents consistency features, it is possible to visualize the various relationships between models and execute analysis without dealing, directly, with the structural differences observed in models of different types. Besides, the information being represented is helpful in the construction of representations of DEDS models and in establishing relationships between models referring to different dynamics. From all this discussion, it is clear that the proposed computational representation of information plays a fundamental role in the effective processing of the information provided by modeling and analysis.

Para estudar os chamados Sistemas a Eventos Discretos (SEDs), existe uma variedade de tipos de modelos, mas, entretanto, estes acabam tratando de aspectos sistêmicos específicos, da mesma forma que suas análises. Para ter uma visão mais completa de tais sistemas, é importante lidar com esses tipos heterogêneos de modelos e com as técnicas desenvolvidas para sua integração. Este trabalho foca na questão da representação computacional desses modelos e de como adequá-la à heterogeneidade e à integração desses modelos. No que diz respeito à heterogeneidade, é proposta uma descrição matemática das ferramentas computacionais de modelagem e análise de SEDs, com a qual se pode visualizar as interações entre a heterogeneidade dos modelos, o poder de expressão e de montagem de representações de modelos e os processamentos de análise. Baseado nesta descrição e considerando-se os diversos custos envolvidos, diversas características são analisadas, de modo que, ao final, determina-se quais aquelas que são favoráveis para o caso de heterogeneidade e integração de modelos. Porém, existe ainda a heterogeneidade inerente aos modelos que não pode ser eliminada e isso constitui um obstáculo no caso de ter de lidar com modelos heterogêneos, representando um custo adicional para o aproveitamento de sua integração. Em relação a este caso, a proposta deste trabalho é de representar as informações semânticas associadas aos diversos modelos como forma de obter uma descrição integrada da dinâmica sendo modelada. Desde que as condições de consistência dessas representações sejam atendidas, com tal descrição, é possível visualizar os relacionamentos entre os diversos modelos e realizar análises sem ter que lidar com as diferenças estruturais dos vários tipos de modelos. Além disso, tais informações são úteis na construção de representações de modelos de SEDs e no estabelecimento de relacionamentos entre modelos de dinâmicas diferentes. Dessa discussão fica claro que tais representações têm papel fundamental para um efetivo processamento computacional das informações que a modelagem e análise oferecem. / Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) can be approached by a variety of types of models, but each one deals with specific system aspects and whose analysis provides a limited set of information.For a more comprehensive understanding of DEDS, it is important to deal with these heterogeneous types of models and with techniques that integrate them. This work focus on the issue of computational representation of such models and of how to handle their heterogeneity and integration. In the case of the heterogeneity, a mathematical description of computational tools for modeling and analysis of DEDS is developed, based on which it is possible to visualize the interactions involving model heterogeneity, the capability of expressing and building model representations, and analysis processing. Based on this description and considering the various costs involved in the adoption of such tools, several characteristics are assessed, so that guidelines for configurations favourable to heterogeneity and integration of models are established. However, handling the heterogeneity of models does not eliminate it, remaining as a major obstacle when dealing with models of different types, representing an additional cost in their integration. Related with this issue, an approach based on the representation of the semantic information associated to the models as a means to generate an integrated description of the dynamics being modeled is introduced. As long as this representation presents consistency features, it is possible to visualize the various relationships between models and execute analysis without dealing, directly, with the structural differences observed in models of different types. Besides, the information being represented is helpful in the construction of representations of DEDS models and in establishing relationships between models referring to different dynamics. From all this discussion, it is clear that the proposed computational representation of information plays a fundamental role in the effective processing of the information provided by modeling and analysis.

Orientador: Rafael Santos Mendes / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-10T17:09:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cavalcante_MabiaDaniel_D.pdf: 2715835 bytes, checksum: c50d435fedfc8844d3524aff040c39f0 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Network Calculus (NC) é um conjunto de regras e resultados para calcular parâmetros de desempenho de redes de comunicações. As redes de comunicações são exemplos de Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos (DEDS), ou seja, sistemas cujas mudanças de estado são comandadas por eventos que ocorrem em instantes discretos. As restrições matemáticas de alguns DEDS podem ser descritas mais adequadamente usando a álgebra de dióides. Existe, portanto, uma relação entre NC e álgebra de dióides. No entanto, trabalhar em uma plataforma completamente baseada na álgebra de dióides é uma abordagem nova para o NC. Nesse contexto, as contribuições deste trabalho podem ser consideradas sob dois aspectos. Por um lado, no uso sistemático da álgebra de dióides e na definição de métodos, baseados nessa álgebra, para a modelagem e análise de desempenho de redes de comunicações. Por outro lado, nas análises desenvolvidas e resultados alcançados para alguns sistemas específicos. Como uma forma de ilustrar os métodos propostos, analisam-se componentes comuns a modelo~ de redes de comunicações, tais como: enlaces conservativos, reguladores de tráfegos, buffers de recepção e multiplexadores. Alguns resultados alcançados para esses sistemas são inovadores e menos conservativos do ql1e os encontrados na literatura / Abstract: Network Calculus (NC) is a set of rules and results regarding performance parameters of communication networks. Communication networks are examples of Discrete Event Dynamic Systems (DEDS), i.e., systems whose state transitions are triggered by events that occur at discrete instants. The mathematical constraints of some DEDS can be described more adequately using the dioid algebra. Therefore, there is a relationship between NC and the dioid algebra. However, working on a framework completely based on the dioid algebra is a new approach to the NC. ln this context, the contributions of this work can be considered under two aspects. On one hand, in the systematic use of the dioid algebra and the definition of methods based on this algebra to model and analyze performance of communication networks. On the other hand, in the analysis developed and results achieved for some specific systems. To illustrate the introduced methods, some systems that are commonly faund in models af communication networks were analyzed. Among them: conservative links, traffic regulators, receive buffers (or packetizers) and multiplexers. Some of the results obtained for these systems are new and less conservative than those in the literature / Doutorado / Automação / Doutor em Engenharia Elétrica

A importância da geração de energia elétrica hidráulica, dentro dos requisitos de qualidade e fornecimento com índices de confiabilidade cada vez mais exigentes, tem se tornada acentuada, principalmente em atendimento às necessidades de consumo em todas as áreas de atividades produtivas. Têm-se notado que as tecnologias desenvolvidas aliadas às mudanças socioeconômicas trouxeram uma evolução e reestruturação, tanto no setor industrial produtivo como no setor elétrico (concessionárias de energia elétrica e fornecedores de sistemas e equipamentos para usinas hidrelétricas e subestações), com aumento significativo da especialização e da complexidade da automação dos processos envolvidos, onde falhas são consideradas inaceitáveis. Em consequência, têm-se exigido soluções técnicas eficazes e com investimentos reduzidos. Desta forma, a Automação Elétrica, que faz parte dos sistemas de Comando, Controle, Comunicação e Informação altamente integrados (C3I), têm demonstrado uma participação fundamental no atual cenário deste segmento. Então, de maneira a tratar adequadamente esta complexidade, tornar as soluções técnicas cada vez mais seguras e facilitar o estudo e projeto de novos sistemas de controle nesta área, este trabalho apresenta uma metodologia para modelagem e análise de Sistemas de Controle envolvidos na geração hidráulica de energia elétrica. Este trabalho tem como principais desenvolvimentos: uma metodologia que envolve a teoria de controle de SDED juntamente com conceitos e pesquisas na área de Engenharia de Software e um formalismo em Rede de Petri Interpretada por Sinais (RPIS) em conjunto com o paradigma de Orientação a Objetos (OO), representado pela proposta de uma nova RP, a RPIS_OO (Rede de Petri Interpretada por Sinais Orientada a Objetos). Destarte, espera-se que a metodologia e a nova RP propostas nesta tese contribuam na especificação e construção dos algoritmos de controle dos sistemas que participam na automação da geração de energia elétrica hidráulica, como também, no aprimoramento de novas abordagens para o desenvolvimento de sistemas de automação elétrica, representando atualmente o estado da arte nesta área. / The importance of hydroelectric power generation, considering the increasingly demanding supply and quality requirements, has become more pronounced especially seeing the great consumption needs on all productive areas. It\'s noticeable that technology developed with socioeconomic changes have brought evolution and a restructuring both in the industrial and electrical sector (electric companies and power plant equipment manufacturers), with a notable increase in specialization and complexity of the automation of these activities, where faults are considered unacceptable. A demand for more efficient technical solutions and reduced investments has therefore increased greatly. Electrical automation technology as part of highly integrated command, control, communication and information (C3I) systems has demonstrated a crucial involvement in the context of this segment. In order to handle this evolving complexity, creating more secure technical solutions and further research and development of new control systems for this sector, this work introduces a new methodology for modeling and analysis of power plant control systems. A methodology involving the theory of Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) and concepts of Software Engineering is presented, as well as a new formalism based on Signal Interpreted Petri Nets (SIPN) together with Object-Oriented Paradigm (OOP) named Object-Oriented Signal Interpreted Petri Nets (OOSIPN). The intention is that methodology proposed in this thesis contributes to the correct specification and construction of control algorithms for power plant control systems, as well as the state of the art in this research area in the form of a new approach to development of such automation systems.

Falhas são eventos que não podem, pela sua própria natureza, serem totalmente eliminados num sistema de manufatura real. No entanto, a maioria das pesquisas e publicações técnicas nesta área consideram somente a descrição e otimização dos processos “normais” ou processos isolados de tratamento de falhas. Assim este trabalho é uma contribuição no desenvolvimento de uma metodologia de modelagem e análise que considera a detecção e o tratamento de falhas junto com os processos “normais”. A hipótese é que uma adequada abordagem de modelagem e análise de sistemas de manufatura considerando todas estas características é fundamental para melhorar a flexibilidade e autonomia do sistema. Tais sistemas podem ser abordados segundo a perspectiva de sistemas a eventos discretos (DEDS) e dentre as técnicas existentes de representação destes sistemas, destaca-se o potencial das rede de Petri (PN) como uma técnica uniforme de modelagem e análise, a qual permite o estudo e caracterização de diferentes propriedades de um sistema através de um mesmo modelo. Assim, este trabalho introduz uma metodologia, baseada no conceito de redes de Petri, que além da modelagem e a análise dos processos “normais” (de acordo com as especificações funcionais), permite a detecção e tratamento de falhas em sistemas de manufatura de uma forma hierárquica e modularizada utilizando supervisores distribuídos nos equipamentos do chão de fábrica. Esta metodologia considera a integração de três módulos referentes aos processos “normais”, aos processos de detecção de falhas e, aos processos de tratamento de falhas. Através das abordagens “top-down” e “bottom-up” a modelagem de um sistema é desenvolvida em níveis hierárquicos. Estudos de caso de sistemas com estas característica são considerados. Nos modelos desenvolvidos são realizados um estudo analítico e simulações para validar a metodologia proposta. / In a real manufacturing system, failures are events that should be considered. However in this area, most researches consider only the description and optimization of normal processes. This research is a contribution to develop a methodology for modeling and analyzing manufacturing system including normal processes, failure detection, and failure treatment. An approach considering those processes is basic for improving flexibility and autonomy of the systems. These systems can be observed from a point of view of discrete event dynamics systems (DEDS). From this point of view, Petri nets are a powerful tool for modeling and analyzing different characteristics of a system using the same model. In this research a methodology based on Petri nets considering normal process, detection, and treatment of failures in manufacturing systems is introduced. This methodology considers a hierarchical and modular structure. The modular characteristic permits integration of three types of processes: normal, failure detection, and failure treatment processes. The hierarchical characteristic permits to model a system by hierarchical levels (such as factory, manufacturing cell, and equipment) based on top-down and bottom-up approaches, and using distributed supervisors inside of machines on the workshop level. Case studies with these characteristics are considered. On the developed models, analytical and simulation analyses are executed to validate the proposed methodology.

A importância da geração de energia elétrica hidráulica, dentro dos requisitos de qualidade e fornecimento com índices de confiabilidade cada vez mais exigentes, tem se tornada acentuada, principalmente em atendimento às necessidades de consumo em todas as áreas de atividades produtivas. Têm-se notado que as tecnologias desenvolvidas aliadas às mudanças socioeconômicas trouxeram uma evolução e reestruturação, tanto no setor industrial produtivo como no setor elétrico (concessionárias de energia elétrica e fornecedores de sistemas e equipamentos para usinas hidrelétricas e subestações), com aumento significativo da especialização e da complexidade da automação dos processos envolvidos, onde falhas são consideradas inaceitáveis. Em consequência, têm-se exigido soluções técnicas eficazes e com investimentos reduzidos. Desta forma, a Automação Elétrica, que faz parte dos sistemas de Comando, Controle, Comunicação e Informação altamente integrados (C3I), têm demonstrado uma participação fundamental no atual cenário deste segmento. Então, de maneira a tratar adequadamente esta complexidade, tornar as soluções técnicas cada vez mais seguras e facilitar o estudo e projeto de novos sistemas de controle nesta área, este trabalho apresenta uma metodologia para modelagem e análise de Sistemas de Controle envolvidos na geração hidráulica de energia elétrica. Este trabalho tem como principais desenvolvimentos: uma metodologia que envolve a teoria de controle de SDED juntamente com conceitos e pesquisas na área de Engenharia de Software e um formalismo em Rede de Petri Interpretada por Sinais (RPIS) em conjunto com o paradigma de Orientação a Objetos (OO), representado pela proposta de uma nova RP, a RPIS_OO (Rede de Petri Interpretada por Sinais Orientada a Objetos). Destarte, espera-se que a metodologia e a nova RP propostas nesta tese contribuam na especificação e construção dos algoritmos de controle dos sistemas que participam na automação da geração de energia elétrica hidráulica, como também, no aprimoramento de novas abordagens para o desenvolvimento de sistemas de automação elétrica, representando atualmente o estado da arte nesta área. / The importance of hydroelectric power generation, considering the increasingly demanding supply and quality requirements, has become more pronounced especially seeing the great consumption needs on all productive areas. It\'s noticeable that technology developed with socioeconomic changes have brought evolution and a restructuring both in the industrial and electrical sector (electric companies and power plant equipment manufacturers), with a notable increase in specialization and complexity of the automation of these activities, where faults are considered unacceptable. A demand for more efficient technical solutions and reduced investments has therefore increased greatly. Electrical automation technology as part of highly integrated command, control, communication and information (C3I) systems has demonstrated a crucial involvement in the context of this segment. In order to handle this evolving complexity, creating more secure technical solutions and further research and development of new control systems for this sector, this work introduces a new methodology for modeling and analysis of power plant control systems. A methodology involving the theory of Discrete Event Dynamic Systems (DEDS) and concepts of Software Engineering is presented, as well as a new formalism based on Signal Interpreted Petri Nets (SIPN) together with Object-Oriented Paradigm (OOP) named Object-Oriented Signal Interpreted Petri Nets (OOSIPN). The intention is that methodology proposed in this thesis contributes to the correct specification and construction of control algorithms for power plant control systems, as well as the state of the art in this research area in the form of a new approach to development of such automation systems.

Falhas são eventos que não podem, pela sua própria natureza, serem totalmente eliminados num sistema de manufatura real. No entanto, a maioria das pesquisas e publicações técnicas nesta área consideram somente a descrição e otimização dos processos “normais" ou processos isolados de tratamento de falhas. Assim este trabalho é uma contribuição no desenvolvimento de uma metodologia de modelagem e análise que considera a detecção e o tratamento de falhas junto com os processos “normais". A hipótese é que uma adequada abordagem de modelagem e análise de sistemas de manufatura considerando todas estas características é fundamental para melhorar a flexibilidade e autonomia do sistema. Tais sistemas podem ser abordados segundo a perspectiva de sistemas a eventos discretos (DEDS) e dentre as técnicas existentes de representação destes sistemas, destaca-se o potencial das rede de Petri (PN) como uma técnica uniforme de modelagem e análise, a qual permite o estudo e caracterização de diferentes propriedades de um sistema através de um mesmo modelo. Assim, este trabalho introduz uma metodologia, baseada no conceito de redes de Petri, que além da modelagem e a análise dos processos “normais" (de acordo com as especificações funcionais), permite a detecção e tratamento de falhas em sistemas de manufatura de uma forma hierárquica e modularizada utilizando supervisores distribuídos nos equipamentos do chão de fábrica. Esta metodologia considera a integração de três módulos referentes aos processos “normais", aos processos de detecção de falhas e, aos processos de tratamento de falhas. Através das abordagens “top-down" e “bottom-up" a modelagem de um sistema é desenvolvida em níveis hierárquicos. Estudos de caso de sistemas com estas característica são considerados. Nos modelos desenvolvidos são realizados um estudo analítico e simulações para validar a metodologia proposta. / In a real manufacturing system, failures are events that should be considered. However in this area, most researches consider only the description and optimization of normal processes. This research is a contribution to develop a methodology for modeling and analyzing manufacturing system including normal processes, failure detection, and failure treatment. An approach considering those processes is basic for improving flexibility and autonomy of the systems. These systems can be observed from a point of view of discrete event dynamics systems (DEDS). From this point of view, Petri nets are a powerful tool for modeling and analyzing different characteristics of a system using the same model. In this research a methodology based on Petri nets considering normal process, detection, and treatment of failures in manufacturing systems is introduced. This methodology considers a hierarchical and modular structure. The modular characteristic permits integration of three types of processes: normal, failure detection, and failure treatment processes. The hierarchical characteristic permits to model a system by hierarchical levels (such as factory, manufacturing cell, and equipment) based on top-down and bottom-up approaches, and using distributed supervisors inside of machines on the workshop level. Case studies with these characteristics are considered. On the developed models, analytical and simulation analyses are executed to validate the proposed methodology.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / In recent years, there have been a lot of technology innovations to automate the day to day processes done by every person. These days the automobile manufacturers introduce new features in their cars, in order to improve customer experience, like Adaptive cruise control, Parallel park assist, etc. The objective of this thesis is to model an automated parallel parking system and to simulate the system behavior, by taking into account the high level events which happen when a car is parallel parked. The tool used in this thesis to model and simulate the system is Hybrid Petri net (HPN), which is versatile to model the real life systems. Chapter 1 deals with a brief introduction of the related work in Hybrid Petri net modeling of real life systems, automatic parallel parking systems and how the concept for modeling the parallel parking system was developed. Chapter 2 deals with the general introduction about Discrete, Continuous and Hybrid Petri nets and their dynamics which are essential for understanding this thesis. Chapter 3 deals with the development of the model and the various stages in the model development. Errors encountered in each stage is briefly discussed and the improvements are discussed in the next stage of development. This chapter concludes with the final integrated model and operation of the model. Chapter 4 deals with the discussion of results obtained when the model is tested in MATLAB and SIMHPN (which is a Matlab embedded simulation program). The results are compared, the system behavior is observed and the purpose of the thesis is justified. In Chapter 5, a conclusion is provided to summarize the entire thesis.