主頁（yè） > 技術文章 > 淺談淺論機電一體化係統的聯合仿真技術 2024-10-19

淺談（tán）淺論機電一體化係統的聯合仿真技術

摘（zhāi）要：本文以機電一體化係統為研究對象,分析了機電產品容錯（cuò）設計與仿真技術的發展現狀（zhuàng）,並提出了自己的看法。
一、引言：
　　現代機電產品正朝著集成化、自動化、智能化的方向發展,有的機電產品對人的依賴性越來越小,發生（shēng）故障根本不可能由人去維修,有的（de）機電產品形成大係統,一旦發生（shēng）故障可能導致重大事故,並造成巨大經濟損失（shī）。這些集成化、自動化、智能（néng）化（huà）的機電係統發生故障的隨機性很強,往往難以預料,但工程實踐表明除了少數（shù）突發故障以外,大多數故障是一個漸進的過程。如果早期發現,及時采取恰當的措施是完（wán）全可以防止（zhǐ）的,機電產品（pǐn）容錯設計與仿真技術研究以及容錯技術的應用正（zhèng）是順應了這種需求。
容錯技（jì）術為提高係統的可（kě）靠性開（kāi）辟了一條新的（de）途徑。雖然人們無法保證所設計的係統各（gè）個構成環節的絕對可靠,但若把容錯的概念引入（rù）到機電產品,可以使各個故障因素對產（chǎn）品性能的影響被顯著削弱,這（zhè）就意（yì）味著間接地提高了（le）產品的可靠性。研究和應用容錯技術,對於保障機電係統（tǒng）運行（háng）的連續性和（hé）安全性,減少安全事故,提高現代機電產品的經濟效益和（hé）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（zhuàng）：
　　隨著機電一（yī）體化電路係統功能的複雜化,傳統的硬件容錯技術越來越不能滿足日益龐大的電路（lù）係（xì）統要求。為了提高係統可（kě）靠性,人們提出（chū）了動態地（dì）對故（gù）障進行自檢測、自修（xiū）複的要求,並努（nǔ）力尋找新的容錯設計方法。早在20世紀50年代末,計算機之父馮•諾依曼就提出了研製具有自繁殖與自修複能力（lì）通用機器的偉大構想。
　　研究人員從自然界得到靈感,將自然計算(如進化計（jì）算,胚胎理論等)引入（rù）到硬件（jiàn）設計中從而形成仿生硬件(Bio-inspired Hardware,BHW)。仿生硬件的概念最（zuì）初是由瑞士聯邦工學院（yuàn）於1992年提（tí）出（chū）的,雖然曆史（shǐ）不長,但其發展非（fēi）常迅速,現在（zài）已經成為國際上的研究熱點之一。仿生硬件早期（qī）也稱為（wéi）進化（huà）硬件(Evolvable Hardware,EHW)。A.Thompson等人較早提出了EHW應用於容錯方麵的（de）想法。仿生硬件是一（yī）種能根據外部環境的變化而（ér）自（zì）主地、動態地改變自（zì）身的結構和行為以適應其生存環（huán）境的硬件電路,它可以像生物一樣具有硬件自適應、自組織、自修（xiū）複特性。采（cǎi）用（yòng）仿生（shēng）硬件實現的容錯,不需要顯式冗餘,而是利用進化本身固有（yǒu）容錯的特性,這種特性帶（dài）來的優勢是傳統方法通過靜態冗餘實現容錯所不能比擬的。
三、仿生硬件的容錯技（jì）術（shù）新思路：
　　基於仿生硬件的容錯研究,對建立借鑒生物進化機製的硬件容（róng）錯新理論、新模型（xíng）和新方法,提高硬件（jiàn）係統的可靠（kào）性,具有至關重要的意義。
　　(一)胚胎型仿生硬件的容（róng）錯體係結構和容錯原理
　　仿（fǎng）生硬件可以分為（wéi）進化型（xíng）和胚胎型,其中胚胎型仿生硬件（jiàn）也稱為胚胎電子係統,是模仿生物的多細胞容錯機製實現的硬件。
　　胚胎型仿生硬件的容錯體係結構,主要由胚胎細胞、開關陣和線軌組成。開關陣根據可編程連線的控（kòng）製信號完成開關閉合,控製線軌內各線段的使用。胚胎細胞包含存儲器、坐標發生器、I/O換向塊、功能（néng）單元、直接連（lián）線、可編程連線、控製模塊等。存儲器用於（yú）保（bǎo）存配置數據位串,並根據細胞狀態和坐標發生器計算出的結果,從（cóng）配置位串中提取一段（duàn）經譯碼後對胚胎電子細胞的換向塊和功能單元進行配置。坐標發生（shēng）器根據每個細胞最近兩側(左（zuǒ）側和下側)鄰居細胞的坐標為其分配坐標。I/O換向塊為細胞功能單元間的可編程連線提供控製信號。功能單（dān）元用於實現一個n輸（shū）入的布爾函數,用（yòng）於實現所需的細胞功能。直接連線負責功能單元之間（jiān）的相互通信。可編程連線（xiàn）傳遞控製信（xìn）號控製開關陣。控製模塊完成細（xì）胞的工作狀態檢測、故障診（zhěn）斷、控製細胞冗餘切換（huàn）。
　(二)胚胎型仿生硬件實現容錯的策略
為（wéi）了實（shí）現對故障細胞的容錯,常用（yòng）的容錯策略有兩種:行(列)取消和細胞取消（xiāo）策（cè）略,通過記錄有錯的單元位置（zhì）,重新布線（xiàn）,用（yòng）其他備用的單元來代替。
但是對於連線資源故障,這些策（cè）略（luè）並（bìng）未（wèi）給出相應的對策。在深入（rù）研究（jiū）胚胎仿生硬件（jiàn）容錯體（tǐ）係（xì）結構的基礎上,本文提（tí）出一種針對線軌故障的容錯策略。
　　1. 行(列)取消策（cè）略。在行(列)取消中,若一個細胞出錯,則它所在行(列)的所有（yǒu）細（xì）胞都（dōu）將被取（qǔ）消,而該（gāi）行(列)細胞的功能將被其上（shàng）一行（háng）(右（yòu）一列)的細胞所代替,即當（dāng）一個細（xì）胞出錯（cuò）時,細（xì）胞所在行(列（liè）)上（shàng）移(右移)到一（yī）個備用行(備用（yòng）列)來代（dài）替它當前的工作。
　　2. 細胞取（qǔ）消（xiāo）策略。在細胞取消中（zhōng）,用備用細胞代替故障細胞分兩個階段。當某一行的出錯細胞數超過備用（yòng）細胞數時,整行被取消,行細胞上（shàng）移,用備用行取代出（chū）錯行的功能。
　　(三)胚胎型仿生硬件實現容錯的流程
　　胚胎型仿生硬件容錯（cuò）的流程為:
　　(1)根據設計需求選擇器件,確定硬件設計方（fāng）案;
　　(2)以電路結構及有關參（cān）數等作為染色體進（jìn）行編碼（mǎ）,按照進化算（suàn）法的進化模式對係統進行進化操作;
　　(3)一般以機（jī）電一體化（huà）電路的功能與預（yù）期（qī）結果的符合程度作（zuò）為個（gè）體的適應（yīng）度。根據（jù）給定的輸入（rù）條件或測（cè）試集,通過基於電路模型的（de）仿真測試或實測計算群（qún）體中（zhōng）的（de）每（měi）個個體的適應（yīng）度;
　　(四)胚胎型仿生硬件（jiàn）內部錯誤檢測機製
　　錯誤檢測是胚胎型仿生硬件實現容錯的前提,本（běn）文在此著重研究針對細胞故障的錯誤檢測機製。
　　基於細胞功能單元的三模冗餘與多數表決器電路（lù）實現是硬件容錯常用的冗餘容錯策略。
多數表（biǎo）決器判斷輸出多數細胞模塊的信號,但並不能判斷出（chū）具體哪個細（xì）胞出現了錯誤,也就沒法啟動對出錯細胞的（de）重啟動或重構來修複該細胞。為（wéi）了能檢測出錯細胞的具體位置,從（cóng）而修複該（gāi）細胞,進一步提高三模冗餘的可靠性,需要設計相應的差（chà）錯檢測器。

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