主頁 > 技術(shù)文章 > 淺談淺論機電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真技術(shù)2024-10-19

淺談淺論機電一體化系統(tǒng)的聯(lián)合仿真技術(shù)

摘要：本文以機電一體化系統(tǒng)為研究對象,分析了機電產(chǎn)品容錯設(shè)計與仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并提出了自己的看法。
一、引言：
　　現(xiàn)代機電產(chǎn)品正朝著集成化、自動化、智能化的方向發(fā)展,有的機電產(chǎn)品對人的依賴性越來越小,發(fā)生故障根本不可能由人去維修,有的機電產(chǎn)品形成大系統(tǒng),一旦發(fā)生故障可能導(dǎo)致重大事故,并造成巨大經(jīng)濟損失。這些集成化、自動化、智能化的機電系統(tǒng)發(fā)生故障的隨機性很強,往往難以預(yù)料,但工程實踐表明除了少數(shù)突發(fā)故障以外,大多數(shù)故障是一個漸進的過程。如果早期發(fā)現(xiàn),及時采取恰當(dāng)?shù)拇胧┦峭耆梢苑乐沟?機電產(chǎn)品容錯設(shè)計與仿真技術(shù)研究以及容錯技術(shù)的應(yīng)用正是順應(yīng)了這種需求。
容錯技術(shù)為提高系統(tǒng)的可靠性開辟了一條新的途徑。雖然人們無法保證所設(shè)計的系統(tǒng)各個構(gòu)成環(huán)節(jié)的絕對可靠,但若把容錯的概念引入到機電產(chǎn)品,可以使各個故障因素對產(chǎn)品性能的影響被顯著削弱,這就意味著間接地提高了產(chǎn)品的可靠性。研究和應(yīng)用容錯技術(shù),對于保障機電系統(tǒng)運行的連續(xù)性和安全性,減少安全事故,提高現(xiàn)代機電產(chǎn)品的經(jīng)濟效益和社會效益,具有非常重要的意義。
二、仿生硬件容錯研究現(xiàn)狀：
　　隨著機電一體化電路系統(tǒng)功能的復(fù)雜化,傳統(tǒng)的硬件容錯技術(shù)越來越不能滿足日益龐大的電路系統(tǒng)要求。為了提高系統(tǒng)可靠性,人們提出了動態(tài)地對故障進行自檢測、自修復(fù)的要求,并努力尋找新的容錯設(shè)計方法。早在20世紀(jì)50年代末,計算機之父馮•諾依曼就提出了研制具有自繁殖與自修復(fù)能力通用機器的偉大構(gòu)想。
　　研究人員從自然界得到靈感,將自然計算(如進化計算,胚胎理論等)引入到硬件設(shè)計中從而形成仿生硬件(Bio-inspired Hardware,BHW)。仿生硬件的概念最初是由瑞士聯(lián)邦工學(xué)院于1992年提出的,雖然歷史不長,但其發(fā)展非常迅速,現(xiàn)在已經(jīng)成為國際上的研究熱點之一。仿生硬件早期也稱為進化硬件(Evolvable Hardware,EHW)。A.Thompson等人較早提出了EHW應(yīng)用于容錯方面的想法。仿生硬件是一種能根據(jù)外部環(huán)境的變化而自主地、動態(tài)地改變自身的結(jié)構(gòu)和行為以適應(yīng)其生存環(huán)境的硬件電路,它可以像生物一樣具有硬件自適應(yīng)、自組織、自修復(fù)特性。采用仿生硬件實現(xiàn)的容錯,不需要顯式冗余,而是利用進化本身固有容錯的特性,這種特性帶來的優(yōu)勢是傳統(tǒng)方法通過靜態(tài)冗余實現(xiàn)容錯所不能比擬的。
三、仿生硬件的容錯技術(shù)新思路：
　　基于仿生硬件的容錯研究,對建立借鑒生物進化機制的硬件容錯新理論、新模型和新方法,提高硬件系統(tǒng)的可靠性,具有至關(guān)重要的意義。
　　(一)胚胎型仿生硬件的容錯體系結(jié)構(gòu)和容錯原理
　　仿生硬件可以分為進化型和胚胎型,其中胚胎型仿生硬件也稱為胚胎電子系統(tǒng),是模仿生物的多細胞容錯機制實現(xiàn)的硬件。
　　胚胎型仿生硬件的容錯體系結(jié)構(gòu),主要由胚胎細胞、開關(guān)陣和線軌組成。開關(guān)陣根據(jù)可編程連線的控制信號完成開關(guān)閉合,控制線軌內(nèi)各線段的使用。胚胎細胞包含存儲器、坐標(biāo)發(fā)生器、I/O換向塊、功能單元、直接連線、可編程連線、控制模塊等。存儲器用于保存配置數(shù)據(jù)位串,并根據(jù)細胞狀態(tài)和坐標(biāo)發(fā)生器計算出的結(jié)果,從配置位串中提取一段經(jīng)譯碼后對胚胎電子細胞的換向塊和功能單元進行配置。坐標(biāo)發(fā)生器根據(jù)每個細胞最近兩側(cè)(左側(cè)和下側(cè))鄰居細胞的坐標(biāo)為其分配坐標(biāo)。I/O換向塊為細胞功能單元間的可編程連線提供控制信號。功能單元用于實現(xiàn)一個n輸入的布爾函數(shù),用于實現(xiàn)所需的細胞功能。直接連線負責(zé)功能單元之間的相互通信�？删幊踢B線傳遞控制信號控制開關(guān)陣。控制模塊完成細胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細胞冗余切換。
　(二)胚胎型仿生硬件實現(xiàn)容錯的策略
為了實現(xiàn)對故障細胞的容錯,常用的容錯策略有兩種:行(列)取消和細胞取消策略,通過記錄有錯的單元位置,重新布線,用其他備用的單元來代替。
但是對于連線資源故障,這些策略并未給出相應(yīng)的對策。在深入研究胚胎仿生硬件容錯體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文提出一種針對線軌故障的容錯策略。
　　1. 行(列)取消策略。在行(列)取消中,若一個細胞出錯,則它所在行(列)的所有細胞都將被取消,而該行(列)細胞的功能將被其上一行(右一列)的細胞所代替,即當(dāng)一個細胞出錯時,細胞所在行(列)上移(右移)到一個備用行(備用列)來代替它當(dāng)前的工作。
　　2. 細胞取消策略。在細胞取消中,用備用細胞代替故障細胞分兩個階段。當(dāng)某一行的出錯細胞數(shù)超過備用細胞數(shù)時,整行被取消,行細胞上移,用備用行取代出錯行的功能。
　　(三)胚胎型仿生硬件實現(xiàn)容錯的流程
　　胚胎型仿生硬件容錯的流程為:
　　(1)根據(jù)設(shè)計需求選擇器件,確定硬件設(shè)計方案;
　　(2)以電路結(jié)構(gòu)及有關(guān)參數(shù)等作為染色體進行編碼,按照進化算法的進化模式對系統(tǒng)進行進化操作;
　　(3)一般以機電一體化電路的功能與預(yù)期結(jié)果的符合程度作為個體的適應(yīng)度。根據(jù)給定的輸入條件或測試集,通過基于電路模型的仿真測試或?qū)崪y計算群體中的每個個體的適應(yīng)度;
　　(四)胚胎型仿生硬件內(nèi)部錯誤檢測機制
　　錯誤檢測是胚胎型仿生硬件實現(xiàn)容錯的前提,本文在此著重研究針對細胞故障的錯誤檢測機制。
　　基于細胞功能單元的三模冗余與多數(shù)表決器電路實現(xiàn)是硬件容錯常用的冗余容錯策略。
多數(shù)表決器判斷輸出多數(shù)細胞模塊的信號,但并不能判斷出具體哪個細胞出現(xiàn)了錯誤,也就沒法啟動對出錯細胞的重啟動或重構(gòu)來修復(fù)該細胞。為了能檢測出錯細胞的具體位置,從而修復(fù)該細胞,進一步提高三模冗余的可靠性,需要設(shè)計相應(yīng)的差錯檢測器。

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