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1、2023年浅论机电一体化系统的联合仿真技术机电一体化是干什么的 【摘 要】本文以机电一体化系统为探讨对象，分析了机电产品容错设计与仿真技术的发呈现状，并提出了自己的看法。【关键词】机电一体化仿真容错；浅论现代机电产品正朝着集成化、自动化、智能化的方向发展，有的机电产品对人的依靠性越来越小，发生故障根本不行能由人去修理，有的机电产品形成大系统，一旦发生故障可能导致重大事故，并造成巨大经济损失。假如早期发觉，刚好实行恰当的措施是完全可以防止的，机电产品容错设计与仿真技术探讨以及容错技术的应用正是顺应了这种需求。容错技术为提高系统的牢靠性开拓了一条新的途径。探讨和应用容错技术，对于保障机电系统运行的
2、连续性和平安性，削减平安事故，提高现代机电产品的经济效益和社会效益，具有特别重要的意义。一、仿生硬件容错探讨现状随着电路系统功能的困难化，传统的硬件容错技术越来越不能满意日益浩大的电路系统要求。为了提高系统牢靠性，人们提出了动态地对故障进行自检测、自修复的要求，并努力找寻新的容错设计方法。早在20世纪50年头末，计算机之父冯诺依曼就提出了研制具有自繁殖与自修复实力通用机器的宏大构想。探讨人员从自然界得到灵感，将自然计算（如进化计算，胚胎理论等）引入到硬件设计中从而形成仿生硬件（Bio-inspired Hardware，BHW）。仿生硬件的概念最初是由瑞士联邦工学院于1992年提出的，虽然历史
3、不长，但其发展特别快速，现在已经成为国际上的探讨热点之一。仿生硬件早期也称为进化硬件（Evolvable Hardware，EHW）。A.Thompson等人较早提出了EHW应用于容错方面的想法。仿生硬件是一种能依据外部环境的改变而自主地、动态地变更自身的结构和行为以适应其生存环境的硬件电路，它可以像生物一样具有硬件自适应、自组织、自修复特性。采纳仿生硬件实现的容错，不须要显式冗余，而是利用进化本身固有容错的特性，这种特性带来的优势是传统方法通过静态冗余实现容错所不能比拟的。二、仿生硬件的容错技术新思路（1）胚胎型仿生硬件的容错体系结构和容错原理。仿生硬件可以分为进化型和胚胎型，其中胚胎型仿生
4、硬件也称为胚胎电子系统，是仿照生物的多细胞容错机制实现的硬件。胚胎型仿生硬件的容错体系结构，主要由胚胎细胞、开关阵和线轨组成。开关阵依据可编程连线的限制信号完成开关闭合，限制线轨内各线段的运用。胚胎细胞包含存储器、坐标发生器、I/O换向块、功能单元、干脆连线、可编程连线、限制模块等。存储器用于保存配置数据位串，并依据细胞状态和坐标发生器计算出的结果，从配置位串中提取一段经译码后对胚胎电子细胞的换向块和功能单元进行配置。坐标发生器依据每个细胞最近两侧（左侧和下侧）邻居细胞的坐标为其安排坐标。I/O换向块为细胞功能单元间的可编程连线供应限制信号。功能单元用于实现一个n输入的布尔函数，用于实现所需的
5、细胞功能。干脆连线负责功能单元之间的相互通信。可编程连线传递限制信号限制开关阵。限制模块完成细胞的工作状态检测、故障诊断、限制细胞冗余切换。（2）胚胎型仿生硬件实现容错的策略。为了实现对故障细胞的容错，常用的容错策略有两种：行（列）取消和细胞取消策略，通过记录有错的单元位置，重新布线，用其他备用的单元来代替。但是对于连线资源故障，这些策略并未给出相应的对策。在深化探讨胚胎仿生硬件容错体系结构的基础上，本文提出一种针对线轨故障的容错策略。一是行（列）取消策略。在行（列）取消中，若一个细胞出错，则它所在行(列)的全部细胞都将被取消，而该行（列）细胞的功能将被其上一行（右一列）的细胞所代替，即当一个
6、细胞出错时，细胞所在行（列）上移（右移）到一个备用行（备用列）来代替它当前的工作。二是细胞取消策略。在细胞取消中，用备用细胞代替故障细胞分两个阶段。当某一行的出错细胞数超过备用细胞数时，整行被取消，行细胞上移，用备用行取代出错行的功能。（3）胚胎型仿生硬件实现容错的流程。胚胎型仿生硬件容错的流程为：一是依据设计需求选择器件，确定硬件设计方案；二是以电路结构及有关参数等作为染色体进行编码，根据进化算法的进化模式对系统进行进化操作；三是一般以电路的功能与预期结果的符合程度作为个体的适应度。依据给定的输入条件或测试集，通过基于电路模型的仿真测试或实测计算群体中的每个个体的适应度。（4）胚胎型仿生硬件内部错误检测机制。错误检测是胚胎型仿生硬件实现容错的前提，本文在此着重探讨针对细胞故障的错误检测机制。基于细胞功能单元的三模冗余与多数表决器电路实现是硬件容错常用的冗余容错策略。多数表决器推断输出多数细胞模块的信号，但并不能推断出详细哪个细胞出现了错误，也就没法启动对出错细胞的重启动或重构来修复该细胞。为了能检测出错细胞的详细位置，从而修复该细胞，进一步提高三模冗余的牢靠性，须要设计相应的差错检测器。参 考 文 献1高金吉装备系统故障自愈原理探讨中国工程科学2023（5）2刘心松，朱鹰容错并行处理系统结构探讨计算机应用2023（1）
