專利名稱：基于原核仿生陣列的pid控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子技術(shù)與仿生自修復技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種比例積分微分(PID)控制器，特別涉及一種基于原核仿生陣列的PID控制器。
背景技術(shù)：
在控制領(lǐng)域，應用最廣泛的調(diào)節(jié)規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。PID控制器在航天的領(lǐng)域應用廣泛，而航天飛行器極限溫度、強輻射等惡劣工作環(huán)境使航天電子系統(tǒng)容易出現(xiàn)較高故障率，影響正常工作，甚至引發(fā)重大事，實施航天電子系統(tǒng)的在軌人力維修成本高、難度大，因此，對PID控制器等電子系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。目前，一般通過關(guān)鍵部件多模冗余來提高電子系統(tǒng)的可靠性。受系統(tǒng)體積限制，不可能對所有系統(tǒng)部件進行冗余配置，一般只能考慮關(guān)鍵部件，因而容錯能力有限；由于冗余 系統(tǒng)一般是設(shè)計者事先設(shè)置的，其對故障的適應能力取決于設(shè)計者對系統(tǒng)工作環(huán)境的透徹認識，因而環(huán)境適應性較差。仿生自修復技術(shù)，通過模擬生物體的自檢測、自修復機制，設(shè)計仿生電子細胞，并用其構(gòu)造仿生電子陣列。盡管從本質(zhì)上講，仿生電子陣列的自修復能力仍是建立在冗余的基礎(chǔ)上，但同傳統(tǒng)的多模冗余容錯機制相比，其容錯功能由細胞分布式地自發(fā)完成，設(shè)計者不需要復雜的設(shè)計決策和關(guān)于工作環(huán)境的先驗知識，環(huán)境適應能力更強。胚胎電子陣列是基于真核多細胞生物體的發(fā)育機制提出的仿生電子陣列，但是真核細胞、細胞間結(jié)構(gòu)都很復雜，而原核細胞、原核細胞群落則相對比較簡單，故借鑒、模擬原核細胞及其群落結(jié)構(gòu)，設(shè)計比胚胎電子陣列更加高效的原核仿生陣列。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于原核仿生陣列的PID控制器，以提高PID控制器等電子系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應能力。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下基于原核仿生陣列的PID控制器，包括由若干結(jié)構(gòu)相同的原核仿生細胞通過馮諾依曼近鄰連接構(gòu)成的原核仿生陣列；所述原核仿生細胞包括實現(xiàn)原核仿生細胞邏輯功能的功能模塊、存儲原核仿生細胞配置信息的配置模塊、完成配置模塊和功能模塊的故障自檢測與細胞級在線自修復的自檢模塊和完成原核仿生陣列的重構(gòu)實現(xiàn)陣列級在線自修復的控制模塊。所述的配置模塊，包括自身配置信息単元和備份配置信息単元，自身配置信息單元配置細胞的功能模塊以完成特定邏輯功能，備份配置信息単元與其右側(cè)相鄰細胞的自身配置信息単元內(nèi)容相同，用于陣列級自修復。所述的功能模塊，為D觸發(fā)器+查找表+加法器結(jié)構(gòu)，通過多個查找表并聯(lián)實現(xiàn)乘法，通過多個低位加法器串聯(lián)實現(xiàn)加法。所述的自檢模塊，對功能模塊和配置模塊的自身配置進行故障自檢測，如果有I位故障就完成細胞級自修復，如果有2位故障就生成故障標志信號觸發(fā)控制模塊由其控制完成陣列級自修復。本發(fā)明提供的基于原核仿生陣列的PID控制器的特點是I、通過將PID控制器的功能分解到原核仿生陣列的每個原核仿生細胞，每一列原核仿生細胞完成一次加法、乘法或限幅運算，用整個陣列實現(xiàn)PID控制器功能，該PID控制器具有在線自修復功能。2、所述的原核仿生陣列，由結(jié)構(gòu)相同的原核仿生細胞通過馮諾依曼近鄰連接組成 的電子電路，具有細胞級、陣列級在線自修復功能，應用列移除重構(gòu)機制實現(xiàn)陣列級在線自修復。3、所述的列移除重構(gòu)機制，當某個原核仿生細胞故障時，將其所在列的全部原核仿生細胞移除，由右側(cè)相鄰列的原核仿生細胞代替完成被移除原核仿生細胞的功能。本發(fā)明可以提高PID控制器等電子系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應能力。


圖I是本發(fā)明提供的原核仿生陣列總體結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明提供的原核仿生陣列的功能分解圖。圖3是本發(fā)明提供的原核仿生陣列重構(gòu)機制原理圖。圖4是本發(fā)明提供的原核仿生陣列中原核仿生細胞的連接圖。圖5是本發(fā)明提供的原核仿生細胞的結(jié)構(gòu)圖。圖6是本發(fā)明提供的原核仿生細胞中功能模塊的結(jié)構(gòu)圖。圖7是本發(fā)明提供的原核仿生細胞中配置模塊的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合利用本發(fā)明設(shè)計的3行8列的原核仿生陣列對本發(fā)明做進ー步的詳細說明，而不是限制發(fā)明的范圍。PID控制器時域離散增量型PID控制算法計算公式為u (k) = u (k_l)+KP[e (k) _e (k_l)](I)+K1 e (k) +Kd [e (k) ~2e (k_l) +e (k_2)]其中KP、K1' Kd分別為PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)，e (k)、e(k-l)、e (k_2)分別為當前控制周期、上ー控制周期、再上ー控制周期的誤差，u(k)為本控制周期的輸出，u(k-l)為上ー控制周期的輸出。式(I)可簡記為u (k) = u (k~l) +k0e (k) +k^ (k~l) +k2e (k~2) (2)其中k0= WKd, Ii1 = -KP-2KI； k2 = Kdo 如果 KP、K1' Kd 給定，則參數(shù) k。、Ii1 和
k2可以確定。另外考慮到實際應用，PID控制器一般還會對輸出的結(jié)果u(k)進行限幅，SP
Umax，U㈨〉U臓
u(k) = < Umin，u(k) < Umin(3)
u(k)，其它情況
陣列要實現(xiàn)PID控制器功能，即要實現(xiàn)公式(2)和(3)的計算。實現(xiàn)該公式(2)需要3個乘法和4個加法和4個存儲器(其中3個可以逐個延遲)，實現(xiàn)公式(4)需要2個比較器和多路選擇器。PID控制器輸入e位寬為8位，系數(shù)Ici Gv Ic1或k2)位寬為8位，則乘法器的輸出為16位。取Umax位寬23位且Umax = -Umin, u (k)位寬為24位，則查找表輸出應為24位。設(shè)計的原核仿生陣列，每列實現(xiàn)一次存儲(延遲)、一次乘法(或者限幅)和一次加法，可用3行4列的細胞陣列實現(xiàn)PID控制器功能，每個細胞包含ー個8位的加法器，8個8-LUT，8個D觸發(fā)器。本實施例提供的原核仿生陣列由3行8列共24個原核仿生細胞構(gòu)成，4列用于實現(xiàn)功能，4列用于備份自修復。原核仿生陣列結(jié)構(gòu)如圖I所示。PID控制器功能在原核仿生陣列上的功能分解如圖2所示。前3列的工作原理相同，以第I列為例D觸發(fā)器實現(xiàn)移位存儲功能，完成信號e(k)到e(k-l)的轉(zhuǎn)換，3個原核仿生細胞的8-LUT并聯(lián)完成常系數(shù)乘法P(k-l) = k-eQi-Dd個原核仿生細胞的8位加法器級聯(lián)完成加法y(k-l)=y (k) +p (k-1)。第3列完成限幅計算D觸發(fā)器實現(xiàn)移位存儲功能，完成信號u (k)到u (k-1)的轉(zhuǎn)換，3個原核仿生細胞的8位加法器級聯(lián)完成加法y = y (k-2) +u (k-1)，3個原核仿生細胞的8-LUT并聯(lián)完成y到u(k)的限幅運算。原核仿生陣列的自修復采用列移除重構(gòu)機制當某一原核仿生細胞發(fā)生故障吋，該列的所有原核仿生細胞被移除，右側(cè)各列原核仿生細胞依次代替完成其功能，使陣列功能保持正常，即陣列級在線自修復功能，原理如圖3所示當?shù)?列中的原核仿生細胞2-2出現(xiàn)故障時，其所在列原核仿生細胞0-2、1-2、2-2全部被移除，由先前第3列原核仿生細胞0-3、1-3、2-3完成原核仿生細胞0-2、1-2、2-2的功能，原核仿生細胞0-3、1-3、2-3的功能由其右側(cè)相鄰列的細胞完成。原核仿生陣列是由硬件結(jié)構(gòu)完全相同的原核仿生細胞構(gòu)成。原核仿生細胞結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系如圖4、圖5所示，由功能模塊、配置模塊、自檢模塊和控制模塊組成。各原核仿生細胞，其輸入端包括8位寬度的數(shù)據(jù)WiO和Wil、l位寬度的數(shù)據(jù)Ni、時鐘Clk、配置數(shù)據(jù)WciO和WciI、控制信號Sci和Nci、以及控制信號Wci ;其輸出端包括包括8位寬度的數(shù)據(jù)EoO和EolU位寬度的數(shù)據(jù)So、配置數(shù)據(jù)EcoO和Ecol、控制信號Nco和Sco,以及控制信號Eco ;所有細胞的時鐘Clk信號連接到一起；所述細胞除時鐘Clk信號以外的所有信號通過馮諾依曼近鄰連接細胞的WiO、Wil、WciO、WciI、Wci依次對應連接左側(cè)細胞的EoO、Eol、EcoO、Eco I、Eco ,Ni, Nci 依次對應連接上方細胞的 So、Sco，EoO、Eo I、EcoO、Eco I、Eco 依次對應連接右側(cè)細胞的WiO、Wi I、Wc iO、Wc i I、Wc i，So、Sco依次對應連接下方細胞的Ni、Ne i。原核仿生陣列實現(xiàn)的PID控制器的8位誤差輸入e連接到原核陣列最左側(cè)列3個原核仿生細胞的WiO，原核仿生陣列最右側(cè)列3個原核仿生細胞的EoO并列作為控制器的24位控制量輸出u(k)。功能模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示包括8組8位2選I多路選擇器Ml、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M8，I組8位D觸發(fā)器DFF，I個8輸入查找表LUT，I個8位加法器ADD和少量組合邏輯；DFF時鐘接Clk，數(shù)據(jù)輸入為M2的輸出，輸出為DFF_o ;查找表LUT的輸入為Ml輸出，輸出為LUT_o ;加法器ADD的兩個被加數(shù)輸入為Wil和M4輸出，進位輸入為Ni，相加結(jié) 果為ADD_o，進位輸出接So ；M1的O輸入接AB，I輸入接M3輸出；M2的O輸入接WiO，I輸入接M5輸出；M3的O輸入接DFF_o，I輸入接ADD_o ；M4的O輸入接LUT_o，I輸入接DFF_o ；M5的O輸入接ADD_o，I輸入接LUT_o ；M6的O輸入接DFF_o，I輸入接M5輸出；M7的O輸入接Wil，I輸入接M5輸出；M8的O輸入接WiO，I輸入接M6輸出；EoO為M8輸出；Eol為M7輸出。功能単元實現(xiàn)的具體邏輯功能由配置模塊輸出的配置信息Reg(包括Reg
，Reg[l]，Reg [2], Reg [3], Reg [lut])決定，并受控制模塊的輸出控制信號Control (包括fN、work_faultN)控制。功能模塊實現(xiàn)的功能如下(參見圖2):在時鐘信號Clk的作用下利用DFF對從WiO輸入的誤差信號e進行存儲移位操作，輸出DFF_o并最后從EoO輸出；將DFF_o通過LUT完成乘法，輸出LUT_o ;將相乘的結(jié)果LUT_o與Wil相加并從Eol輸出。第3列原核仿生細胞3個LUT并聯(lián)完成限幅運算并將結(jié)果從EoO輸出，同時利用DFF進行移位存儲。后面4列備用細胞，數(shù)據(jù)直接從WiO傳送到EoO，最后PID控制器的控制量輸出u (k)從第7列原核仿生細胞的WiO輸出。配置模塊包括2個移位寄存器(自身配置信息単元和備份配置信息単元)和3個多路選擇器M9、MlO和Mll，具體的連接關(guān)系如圖7所示M9的O輸入接備份配置信息單元的輸出，I輸入接WciO ；M10的O輸入接Wcil，I輸入接M9的輸出；M11的O輸入接WciO，I輸入接自身配置信息單元的輸出。EcoO接Mll輸出；Ecol接MlO輸出。2個移位寄存器在EN有效時在Clk的作用下進行移位操作。模塊受Re_conf (包括EN、fN、LfN)信號控制。自檢模塊利用擴展?jié)h明碼原理對配置模塊的Reg信號和功能模塊的Do_LUTo(包括DFF_o和LUT_o信號)信號進行故障檢測，如果發(fā)現(xiàn)I位故障就自動修復該信號，如果有 兩位故障就發(fā)出故障信號Fault到控制模塊觸法陣列級重構(gòu)?？刂颇K為通用時序邏輯電路，在Fault信號和Wei、Sci和Nci作用下，生成控制信號Control、Re_conf、Eco、Sco和Nco。Clk為自檢模塊、控制模塊的時鐘信號。
權(quán)利要求
1.一種基于原核仿生陣列的PID控制器，其特征是包括由若干結(jié)構(gòu)相同的原核仿生細胞通過馮諾依曼近鄰連接構(gòu)成的原核仿生陣列；所述原核仿生細胞包括實現(xiàn)原核仿生細胞邏輯功能的功能模塊、存儲原核仿生細胞配置信息的配置模塊、完成配置模塊和功能模塊的故障自檢測與細胞級在線自修復的自檢模塊和完成原核仿生陣列的重構(gòu)實現(xiàn)陣列級在線自修復的控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于原核仿生陣列的PID控制器，其特征是所述的配置模塊，包括自身配置信息単元和備份配置信息単元，自身配置信息単元配置細胞的功能模塊以完成特定邏輯功能，備份配置信息単元與其右側(cè)相鄰細胞的自身配置信息単元內(nèi)容相同，用于陣列級自修復。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于原核仿生陣列的PID控制器，其特征是所述的功能模塊，為D觸發(fā)器+查找表+加法器結(jié)構(gòu)，通過多個查找表并聯(lián)實現(xiàn)乘法，通過多個低位加法器串聯(lián)實現(xiàn)加法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于原核仿生陣列的PID控制器，其特征是所述的自檢模塊，對功能模塊和配置模塊的自身配置進行故障自檢測，如果有I位故障就完成細胞級自修復，如果有2位故障就生成故障標志信號觸發(fā)控制模塊由其控制完成陣列級自修復。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于原核仿生陣列的PID控制器，包括由若干結(jié)構(gòu)相同的原核仿生細胞通過馮諾依曼近鄰連接構(gòu)成的原核仿生陣列；所述原核仿生細胞包括實現(xiàn)原核仿生細胞邏輯功能的功能模塊、存儲原核仿生細胞配置信息的配置模塊、完成配置模塊和功能模塊的故障自檢測與細胞級在線自修復的自檢模塊和完成原核仿生陣列的重構(gòu)實現(xiàn)陣列級在線自修復的控制模塊。本發(fā)明PID控制器具有在線自修復功能，可以提高PID控制器等電子系統(tǒng)的可靠性和環(huán)境適應能力。
文檔編號G05B11/42GK102662317SQ20121008357
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者卓清琪, 李岳, 李廷鵬, 王南天, 錢彥嶺 申請人:中國人民解放軍國防科學技術(shù)大學