容错航天计算机系统结构

本文总结用于航天机载处理的容错计祘方面长期研究的结果。随着器件工艺的改变,研制方案已从容错单处理机的设计进展到容错分佈计祘机系统的研制,航天计祘的特殊要求与引起的实时计祘机系统结构结果一起进行介绍,並对设计的下列各方面进行讨论:1>简化分佈计祘机系统复杂性的系统结构的特奌。2>故障检测和恢复。3>提高可靠性和可测试性的技术。4>用LSI的设计方法。     

哥达德航天中心的多微处理机系统

目前有一种明显的倾向,即按照规划使用大规模计算机所用的方法(即一台中心处理机加大量辅助设备)来规划基于微处理机的工作系统。可是,微处理机成本很低,这就允许人们考虑采用由几台中心处理机(CPU)构成一个分布式处理网的方案。这种设计方法极为简单,人们由此得到的好处远远超过了采纳这种方案稍微增加的费用。本文介绍了哥达德航天中心所设计的采用多处理机技术的两个系统。     

支援目前和未来处理机的开发系统

当前的硬件模块和软件工具都仿真 MC 68000;而未来的将增加一个多用户操作系统人们打算用 EXCRmacs 开发系统来帮助设计基于 MC 68000/b位微处理机的系统。但它同以前的研制工具和微处理机并不矛盾,重要的是设计它来支援未来的处理机芯片。在那些还未推销的器件准备使用叶,EXCRmacs 开发系统编制了一种新型的5兆赫兹总线结构,这种结构称作32个地址     

对称容错多重处理机的系统结构P件

为了故障检测和瞬时故障屏蔽的目的,提出了混合冗余多重处理机,每个处理机件和每个存(贝宁)模块是三重的。重新配置允许用备件代替失效件,并允许在备件耗尽后库存件重新组合。能容纳任意数目的处理件和存(贝宁)模块。混合冗余总线系统使处理机和存(贝宁)器互连,在那里总线的最初冗余是个设计参数。称为总线管理件(BGU)的舌门电路于许多地方,控制重新配置和测试,从而消除同时发生在一个模块上的失效事件的敏感性。重点应放在动态测试上,这种方法比其它容错计算机系统简单。用语索引——总线分配和转换、数字控制系统,故障检测,容锚计算机、高可系统,混合冗余,多重处理机、系统测试。     

综合容错飞行控制系统的设计与仿真

将主动容错控制与被动容错控制相结合,提出了一种综合容错飞行控制系统的设计方法。首先利用基于凸优化的线性二次型控制器构造可靠控制系统,然后通过故障检测滤波器对执行机构进行故障检测分离,并使用伪逆法重构控制律。仿真结果表明,该方法提高了飞行控制系统的可靠性。     

IBM3081处理机系统的研制和工艺问题

3081处理机系统由3081处理机和处理机的控制器、电源及冷却等支持设备组成。3081处理机(完全采用LSI技术)采用一种由两个中央处理机组成的双元结构,每一个中央处理机的机器周期都是26毫微秒,以相当于IBM3033两倍的速率执行370系统指令。本文扼要地介绍IBM3081所用工艺和设计方法的先进之处,及其系统设计方面的改进。要把LSI技术应用到3O81处理机(有80万个逻辑电路)的设计上就需要发展硅器件的组装、互连和冷却技术。3081的一项重要成就是成功地采用了热传导组件(TCM)。这种组件最多含4万5千个逻辑电路,冷却能力高达300瓦,还可省掉整整一个组装级——插件板。为了达到高可靠性和可维修性的目标,需要采取错误检测和故障隔离新方法。在系统的组装和结构上的创新,以及用软件及硬件模型进行广泛的系统设计检验,提高了该系统的性能。     

临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全,因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性,为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统,提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求,提出了一种标准的三余度导航系统架构,并设计了采用新型加权平均表决子算法,具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法,构建了适用于临近空间无人飞行器的多余度容错导航系统,通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能,展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。     

球载电子系统可靠性设计探讨

根据气球载电子系统的特点和任务需要，改变传统的以平均故障间隔时间为中心的设计思想，介绍了一种基于无维修使用期的可靠性设计思想。这种设计思想强调故障的可预计性和可靠性水平的可保证性，强调高标准，从根本上提高产品固有可靠性水平。探讨了冗余设计、引人容错设计、可重构性设计、动态设计、故障软化设计、环境防护设计和降级设计等各种可靠性设计技术和方法。     

基于FPGA内置RAM的抗辐射有限状态机设计

在现代卫星设计中广泛使用的可重构现场可编程门阵列(FPGA),在空间高能粒子的影响下很容易产生单粒子翻转(SEU),从而功能紊乱甚至失效。在面向航天应用的FPGA设计中,必须采用容错设计技术来弥补器件本身抗辐射能力的不足。本文首先分析了有限状态机(FSM)的内部结构,并指出由于自身电路结构的特点,传统的FPGA容错设计方法应用于FSM时有一定的局限性。然后,针对基于FPGA的FSM容错设计技术进行了研究,根据现代FPGA的结构特点,提出了一种基于FPGA内置双端口随机存取存储器(RAM)、具有周期校验功能的FSM设计方案。经过可靠性分析和实验可以看出,与采用传统容错设计方法的FSM相比,采用本文方案构建的FSM在太空辐射环境下具有更高的长期可靠性、更小的FPGA资源占用量和更低的功耗。     

基于交互式多模型的飞控系统容错控制研究

针对飞控系统故障引起的参数跳变问题,提出一种基于交互式多模型飞控系统容错控制方法,该算法建立在多个辨识模型和最优二次型控制、特征值配置的基础上.首先,根据作动器故障参数模型设计一系列并行的辨识模型,每个模型对应一种故障;然后,分别采用最优二次型控制和特征值配置的方法设计对应于正常模型和故障模型的控制器;最后,基于交互式...     

基于模态切换的航空发动机容错控制

综合了航空发动机控制和故障诊断方法,设计了基于模态切换的任务级和发动机级模式的容错控制系统.任务级模式在发动机部件故障时,通过切换控制策略和控制模式达到恢复或降低发动机性能的要求;发动机级模式在控制回路失效时,根据故障情况切换到容错控制回路,从而保证发动机继续正常工作.数字仿真结果表明:在稳态或加速过程中出现部件故障时,容错控制系统都能够100%恢复发动机的推力;在发动机中间、慢车和节流状态下,当压气机转速控制回路失效时,容错控制系统能够在3s内平稳切换到风扇转速控制回路.      

基于GSM技术的AICPS故障管理与容错机制的研究

给出了机载综合核心处理系统AICPS的软件结构和组成,采用基于TLS三层栈的先进的航电系统结构,其通用系统管理GSM分为健康监控、故障管理和配置管理三个软件功能模块,以及飞机级、综合区级、资源元素级共三级.基于GSM和运行蓝图,论述了AlCPS的故障管理技术和容错重构机制,重对故障处理的过程如故障检测、故障诊断、故障处理和配置管理进行了讨论.由于航空电子系统高安全、高可靠性等特点,作为提高可靠性的手段之一,研究故障管理与容错重构非常必要.     

高功率密度电动伺服系统高压驱动关键技术研究

高功率密度电动伺服控制系统的性能、可靠性与控制系统结构、主电路功率开关器件的驱动和保护设计密切相关.针对当前大功率高功率密度伺服系统快速发展的迫切需求,为使伺服系统具有优异的控制性能,且保障高压功率开关器件能稳定、可靠的工作,提出一种基于数字信号处理器和可编程逻辑器件组合的多轴高性能电动伺服控制系统设计方案.重点研究了主电路功率开关器件IGBT的驱动电路和吸收保护电路结构及参数优化方法,并提出一种集隔离、驱动、保护一体化软硬相结合的双重过流保护方案,详细说明了各保护参数的计算方法,所设计的四轴驱动控制器功重比达5.2kW/kg,伺服系统功重比达0.49kW/kg.实验结果证明:该伺服驱动控制系统具有实时性强、动态响应快、功率器件驱动保护电路性能稳定、可靠性高等优点.     

故障容错光交叉通道数据链路的可靠性

光交叉通道数据链路(OCCDL)是光传飞行控制系统余度计算机之间进行数据交换的重要途径.为了提高OCCDL系统的可靠性,提出一种新的具有多链路故障容错能力的OCCDL系统.给出了该OCCDL系统的结构配置,分析了系统正常工作和故障工作情况下的工作流程,设计了系统光开关故障、光链路等关键部分的故障容错逻辑,建立了基于马尔...     

面向雷达天线平台的容错纠错策略及其FPGA实现

 针对雷达天线平台可能出现的传感器故障,提出了一种容错纠错策略。如果雷达天线平台周围的3条驱动腿中的某一个传感器发生故障,则可根据空间闭链机构约束,由其他正常工作驱动腿的传感器和中间从动腿的冗余传感器的测量值计算出故障传感器的应测值。推导了对应的位移传感器故障的容错重构算法,研究了基于现场可编程门阵列（FPGA）的上述容错策略的硬件实现方法。通过引入坐标旋转数字计算（CORDIC）算法使得FPGA运算中只需进行基本的移位和加/减操作;设计了基于FPGA的循环高速流水线处理器结构,使得重构算法的在线计算速度大大提高。仿真模拟了突变型传感器故障,结果表明,所提容错纠错方案能有效地保证雷达天线平台运行的安全性和可靠性。     

基于鲁棒故障观测器的非线性离散系统容错控制设计

针对存在执行器故障以及未知干扰的非线性离散系统,提出了一种鲁棒故障估计与容错控制方法。首先在未知系统干扰作用下,设计鲁棒故障观测器实现系统状态和执行器故障的同步估计;然后根据鲁棒故障观测器得到的系统状态估计和故障估计信息设计容错控制器,进行状态反馈容错控制,同时基于D稳定与H_∞控制理论对鲁棒故障观测器和容错控制器进行设计,实现了多约束条件下的故障估计与容错控制;最后用飞行控制系统模型验证了所提方法的有效性。     

高效微处理机可靠性评价的测试

微处理机的复杂性和固有可靠性使得我们难以找出适当表示其性能特点,指出其固有可靠性的测试方法。对于微处理机的测试,我们所感兴趣的方法有两种:弱点分析法(WPA)和结点工作温度测量法(JOT)。前者着眼于芯片设计中的潜在失效点;后者着眼于提供芯片可靠性的有关估算。这两种方法都是通过测试8080A 来说明的。     

冗余计算机结构的比较

就长寿命应用来说,计算系统功能模块采用交叉连接和部件备份的冗余概念预示。它比采用相同硬件的其它形式冗余概念有较高的可靠性.但多故障的容错限度仍不能达到百分之百.由模块式电源、处理机、输入/输出部件和小存貯块组成的功能模块以级备份,装入一共用的箱体内.这种使用现有模块的动态冗余技术会产生一种重量轻、体积小而可靠性高的计算系统.采用简单的模形把这种内部冗余概率预示与外部形式和门级形式的冗余结构相比较.     

某型涡扇发动机分布式容错控制系统设计与试验验证

为了提高某型涡扇发动机控制系统的安全性和可靠性,提出1种分布式架构下的容错控制方案。基于模块级硬件冗余的思想,设计了包含7个智能节点的基于TTP/C(时间触发协议)总线的发动机分布式容错控制系统,可以实现核心控制节点的硬件备份。基于控制律重构的方法,采用模型参考变结构控制算法设计了容错控制器,可以根据系统故障情况将控制结构切换至无故障的控制回路中。搭建了涡扇发动机分布式容错控制系统硬件在环仿真试验环境,开展了容错控制系统的试验验证。结果表明:在核心控制节点故障时,容错控制系统可以在120 ms内快速启用热备份节点代替故障节点;在非核心控制节点故障时,容错控制系统可以在100 ms内完成控制回路的切换,并保证发动机各状态量不产生明显波动。     

线性处理器阵列的联机错误诊断计划

数据驱动控制错误诊断容错处理机阵列可测量性故障探测本文讨论了在处理机阵列中进行故障探测和错误诊断的数据驱动方法。该方法有一前提，那就是数据流只能在边界处理机中被插入和观测。该方法包含了数据流的归属特征，因此允许数据项装载它们自身的控制和故障信息。我们的目的是探测特定的处理机在特定的时间段里的不正常工作。最初包含控制信息以触发测试处理的特征，通过检查处理机探测矛盾之处而被改变，用以指示故障的出现。为确认出错处理机，前端计算机必须进行识别处理机的反向处理，以探测和报告矛盾之处。使用两束数据流，我们能…