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机电一体化系统的协同仿真技术

发布时间:2019-03-11 16:34 作者:李明发 来源:原创

本文以机电一体化系统为研究对象,分析了机电产品容错纠错设计和仿真技术的发展现状,并提出了自己的看法。

关键词:机电一体化仿真容错纠错

一,导言

现代机电产品正朝着集成,自动化和智能化的方向发展。一些机电产品对人的依赖程度越来越低。人们不可能因失败而修复。一些机电产品形成一个大系统。失败可能导致重大事故和巨大的经济损失。例如,:美国推出了“Courage”Rover和“Opportunity”Rover,在太空中飞行了半年,不可能通过故障进行诊断和修复; 2008年8月,巴西的一架飞机在最后的测试中,-3卫星运载火箭突然爆炸,造成21人死亡,20多人重伤。

这些集成的,自动化的和智能的机电系统的失败是非常随机的并且通常是不可预测的,但是工程实践已经表明大多数故障是一个渐进的过程,除了一些突然的故障。如果能够完全防止早期检测,及时和适当的措施,机电产品的容错纠错设计和仿真技术的应用以及容错技术的应用都符合这一要求。

容错技术开辟了提高系统可靠性的新途径。虽然人们无法保证设计系统各部件的绝对可靠性,但如果将机械产品引入容错概念,每个故障因素对产品性能的影响可能会明显减弱,这意味着产品间接得到改善。可靠性。容错技术的研究和应用对于保证机电系统的连续性和安全性,减少安全事故,提高现代机电产品的经济和社会效益具有重要意义。

二,仿生硬件容错研究的现状

由于电路系统功能的复杂性,传统的硬件容错技术已不能满足日益庞大的电路系统。为了提高系统的可靠性,人们动态地提出了故障的自检和自修复,力求找到一种新的容错设计方法。早在20世纪50年代后期,计算机之父冯·诺伊曼就提出了一种开发具有自传和自修能力的通用机器的好主意。

研究人员从自然中汲取灵感,并将自然计算(如进化计算,胚胎理论等)引入硬件设计,形成生物灵感硬件(bhw)。仿生硬件的概念最初是由瑞士联邦理工学院于1992年提出的。虽然它的历史不长,但它的发展非常迅速,已成为国际研究热点之一。仿生硬件也被称为进化硬件(evolvablehardware,ehw)。 A.thompson等。早先提出了将ehw应用于容错的想法。仿生硬件是一种硬件电路,可以根据外部环境的变化自主动态地改变其结构和行为,以适应其生活环境。它可以是硬件自适应,自组织和自我修复。由仿生硬件实现的容错不需要显式冗余,但利用了进化的固有容错性质。此功能带来的优势是传统方法无法通过静态冗余的容错进行比较。三是仿生硬件容错技术的新思路

基于仿生硬件的容错研究,建立基于生物进化机制的新的硬件容错理论,新模型和新方法,对提高硬件系统的可靠性具有重要意义。

(1)胚胎仿生硬件的容错结构和容错原理

仿生硬件可以分为进化类和胚胎类,其中胚胎仿生硬件,也称为胚胎电子系统,是模仿生物多细胞容错机制的硬件。

胚胎仿生硬件的容错结构主要由胚胎细胞,开关阵列和线路轨道组成。开关阵列根据可编程连接的控制信号完成开关闭合,并控制轨道中每个线段的使用。胚胎细胞包括记忆,坐标发生器,i/o换向块,功能单元,直接布线,可编程布线,控制模块等。存储器配置为保存配置数据位串,并根据单元状态和坐标生成器计算的结果,从配置位串解码后提取换向块的一部分和胚胎电子单元的功能单元。坐标生成器将坐标分配给每个单元的最近侧(左侧和底部)上的相邻单元的坐标。 I/O换向块为单元功能单元之间的可编程连接提供控制信号。功能单元用于实现n输入布尔函数以实现所需的细胞功能。直接连接负责功能单元之间的相互通信。可编程连接传输控制信号控制开关阵列。控制模块完成工作状态检测,故障诊断和单元的单元冗余切换控制。 (二)实施容错胚胎仿生硬件的策略

为了实现故障单元的容错,常用的容错策略有两个:行(列)取消和单元取消策略,通过记录错误的单元位置并用其他备用单元替换来重新路由。

但是,对于连接资源的故障,这些策略没有给出相应的对策。本文在深入研究胚胎仿生硬件容错结构的基础上,提出了一种线路故障的容错策略。

机电一体化系统的协同仿真技术

1.行(列)取消策略。在行(列)取消中,如果单元格失败,则其行(列)中的所有单元格将被取消,并且行(列)单元格的功能将被前一行(右列)中的单元格替换。也就是说,当单元格失败时,单元格(列)向上(向右)移动到备用行(交替列)而不是其当前工作。

2.细胞取消策略。在细胞消融中,用备用细胞替换失败的细胞是两个阶段的过程。当一行中的错误单元数超过备用单元数时,整行被取消,单元向上移动,错误行的功能被替换为备用行。

(3)胚胎型仿生硬件实现容错过程

胚胎仿生硬件容错过程为:

(1)根据设计要求选择器件,确定硬件设计方案;

(2)将电路结构和相关参数编码为染色体,并根据进化算法的进化模型对系统进行演化操作;(3)通常,电路功能与预期结果之间的一致程度被视为个人的适应性。通过基于给定输入条件或测试集的电路模型的模拟测试或实际测量来计算群体中每个个体的适合度;

(4)胚胎仿生硬件的内部错误检测机制

错误检测是胚胎仿生硬件实现容错的前提。本文重点研究细胞衰竭的错误检测机制。

基于小区功能单元和多数选民电路实现的三模冗余是硬件容错的常见容错策略。

大多数选民判断大多数细胞模块的信号输出,但不能判断哪个细胞有错误,并且无法启动错误细胞的重启或重建来修复细胞。为了能够检测错误单元的特定位置,从而修复单元,并进一步提高三模冗余的可靠性,有必要设计相应的错误检测器。

参考文献:

[1]高金基,研究设备系统故障自愈原理。

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