机电一体化毕业论文
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与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化、自动化和智能化的方向发展。一些机电产品对人的依赖性越来越小，出了故障也不可能有人来修。一些机电产品形成一个大系统，一旦发生故障，可能导致重大事故和巨大的经济损失。比如美国发射的火星探测器“勇气”号和“机遇”号已经在太空飞行了半年，一旦出现故障就无法靠人来诊断和维护；2008年8月，巴西一枚VLS 3号卫星运载火箭在最后检查时突然爆炸，导致现场21人死亡，另有20多人受重伤。
这些集成化、自动化、智能化的机电系统具有很强的随机性，往往不可预测，但工程实践表明，除少数突发故障外，大多数故障都是一个渐进的过程。如果发现得早，及时采取适当措施是完全可以预防的。机电产品容错纠错设计与仿真技术的研究和容错技术的应用满足了这一需求。
容错技术为提高系统的可靠性开辟了新的途径。虽然人们无法保证所设计的系统各部件的绝对可靠性，但如果在机电产品中引入容错的概念，可以显著削弱各种故障因素对产品性能的影响，也就是间接提高产品的可靠性。容错技术的研究和应用对于保证机电系统运行的连续性和安全性，减少安全事故，提高现代机电产品的经济效益和社会效益具有重要意义。
二、仿生硬件容错的研究现状
随着电路系统功能的复杂化，传统的硬件容错技术已经不能满足日益庞大的电路系统的要求。为了提高系统的可靠性，人们提出了对故障进行动态自检测和自修复的要求，并努力寻找新的容错设计方法。早在20世纪50年代末，计算机之父冯？诺依曼提出了研制具有自我复制和自我修复能力的通用机器的伟大构想。
受大自然的启发，研究人员将自然计算(如进化计算和胚胎理论)引入硬件设计，形成生物启发的硬件(BHW)。仿生硬件的概念最早由瑞士联邦理工学院在1992年提出。它的历史虽然不长，但发展非常迅速，目前已成为国际研究热点之一。仿生硬件在早期也被称为进化硬件，EHW。A.Thompson等人更早提出将EHW的思想应用于容错。仿生硬件是一种能够根据外界环境的变化，自主地、动态地改变自身结构和行为，以适应其生存环境的硬件电路。它可以像生命体一样具有硬件适应、自组织、自修复的特性。利用仿生硬件实现容错，不需要显式冗余，而是利用进化本身固有的容错特性，通过静态冗余带来传统方法无法比拟的优势。
第三，仿生硬件容错技术的新思路
基于仿生硬件的容错研究对于建立基于生物进化机制的硬件容错新理论、新模型和新方法，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体系结构和原理。
仿生硬件可分为进化型和胚胎型，其中胚胎型仿生硬件又称胚胎电子系统，是模仿生物体多细胞容错机制的硬件。
胚胎仿生硬件的容错架构主要由胚胎细胞、开关阵列和线迹组成。开关阵列根据可编程连接的控制信号，完成开关闭合，控制控制轨中各线段的使用。胚胎细胞包括存储器、坐标发生器、I/O交换块、功能单元、直接连接、可编程连接、控制模块等。存储器用于存储配置位串，并根据单元状态和坐标生成器计算的结果，从配置位串中提取解码段，以配置胚胎电子单元的换向块和功能单元。坐标生成器根据最近两侧(左侧和下侧)的相邻单元的坐标为每个单元分配坐标。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，该函数用于实现所需的细胞功能。直接连接负责功能单元之间的通信。可编程导线传输控制信号来控制开关阵列。控制模块完成电池的工作状态检测、故障诊断和冗余切换。
(2)实现胚胎仿生硬件容错的策略
为了实现故障单元的容错，有两种常用的容错策略:行(列)取消和单元取消。通过记录故障电池的位置，重新布线并用其他备用电池替换它们。
但是，这些策略并没有针对连接资源的失效给出相应的对策。在深入研究胚胎仿生硬件容错体系结构的基础上，提出了一种针对线轨故障的容错策略。
1.行(列)取消政策。在行(列)取消中，如果一个单元格出错，其所在行(列)的所有单元格都将被取消，该行(列)中单元格的功能将由其上一行(右列)的单元格替代，即当一个单元格出错时，该单元格所在的行(列)将上移(右移)到一个备用行(备用列)，替代其当前工作。
2.细胞消除策略。在单元取消过程中，有两个阶段用备用单元替换失效单元。当一行中的错误单元格数量超过备用单元格数量时，取消整行，该行单元格上移，备用行替换错误行的功能。
(3)胚胎仿生硬件容错的实现过程
胚胎仿生硬件的容错过程如下:
(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，按照进化算法的进化方式对系统进行进化操作；
(3)一般将电路的功能与预期结果的符合程度作为个体适应度。根据给定的输入条件或测试集，基于电路模型，通过模拟测试或实测计算群体中每个个体的适应度；
(D)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。本文主要研究单元失效的错误检测机制。
基于元胞功能单元的三模冗余和多数表决电路实现是硬件容错常用的冗余容错策略。
大部分表决者判断并输出大部分细胞模块的信号，但无法判断哪个细胞出了问题，因此无法启动出错细胞的重启或重建来修复。为了检测出故障单元的具体位置，修复该单元，进一步提高三模冗余的可靠性，需要设计相应的错误检测器。
参考资料:
[1]高晋吉，装备系统自愈原理研究。中国工程科学，2009(5)。
刘，，容错并行处理系统结构研究。计算机应用，2008(1)。
姚锐，，于，胚胎仿生硬件及其关键技术研究。河南科技大学学报，2009(3)。