论文部分内容阅读
容错技术是提高机电产品可靠性与安全性的有效手段。本文以容错控制中的切换原理与重构方法为研究主线,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array),结合预测控制理论和嵌入式控制技术对容错控制中的切换原理和重构方法进行了较为深入系统的分析和研究。基于冗余容错的思想,设计了基于FPGA的双CPU容错控制器。研究了该控制器的故障检测功能和故障恢复机制,分析了系统性能和故障恢复时间,对双CPU在故障下的切换原理和重构方法进行了分析和研究,给出了FPGA仲裁器的超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)实现实例和切换仿真实例,并提出了一种有效的控制律重构方法,实现了容错控制器传感器故障下的自我补偿。提出了一种针对混联机床传感器故障的容错重构方法,该方法通过在混联机床的中间从动腿上安装冗余传感器,实现了对混联机床周围三条驱动腿传感器故障的容错纠错功能。根据空间闭链机构约束关系,导出了对应的位移传感器和速度传感器故障的容错重构算法。并通过模拟传感器故障,对文中重构方法的容错性能进行了仿真分析,研究了基于现场可编程门阵列(FPGA)和坐标旋转数字计算方法(CORDIC)的上述重构算法的硬件实现方法。应用广义预测控制技术设计了伺服电机的广义预测多模型切换控制系统,该系统各预测模型能在切换逻辑的控制下,根据系统当前状态自动进行切换。为了减少模型切换带来的切换扰动和控制量的剧烈变化,提出了一种重新构造预测矩阵的方法,实现了预测模型的平滑切换,并应用方波信号为给定轨迹,对四模控制系统的切换及控制效果进行了仿真研究。根据三模冗余的容错思想,基于软核处理器Nios II,设计了基于FPGA的嵌入式容错控制系统,该系统内部由多种IP核模块构成,并通过Avalon总线互联。系统选用Altera公司推出的Cyclone系列器件EP1C6Q240C8作为主控芯片,辅以其他外围器件构建了嵌入式容错控制器硬件平台,应用Nios II IDE和SOPC Builder开发平台实现了系统的软硬件设计,在处理器Nios II上进行了实时操作系统μC/OS-II的移植,并通过了实验验证。本论文研究的容错控制中的基于FPGA的切换原理与重构方法为机电产品的容错纠错控制提供了一套行之有效的理论、方法与技术。