星载并行处理计算机系统容错技术研究

小卫星工作环境恶劣,为提高其可靠性,必须使用容错技术.本文介绍了星载并行处理计算机系统容错方案设计与实现.该系统具有功能强、性能高和高可靠的特点,充分满足了小卫星对功能、性能和寿命的要求.     

基于RTEMS的软件容错系统设计研究

运行于空间环境中的计算机系统,受空间辐射的影响,可能会发生各种各样的错误。为了提高系统可靠性,需要对其进行容错。在本文中,首先分析RTEMS本身的特点和空间环境的特点;然后在此基础上提出基于RTEMS的软件容错系统的分层设计思想,并给出具体的层次设计过程;最后结合模拟实验验证给出容错状态下系统的性能分析。实验结
果表明,对容错系统的分层设计是必要的。     

基于分布式架构的星载并行计算机容错技术

星载计算机需要容错技术来满足在外太空运行的可靠性要求。目前的星载计算机多机系统通常设计为主从结构,集中于一个主节点上进行容错策略控制,这种结构存在着一点失效即瘫痪的隐患。为此,本文提出一种分布式架构下的星载并行容错计算机系统,将集中控制的容错部件分布化于各个节点之上,提高了系统的容错可靠性,在此架构上提出了计算节点、容错部件和I/O等容错策略,并给出了相应的模型及模拟测试结果,为进行类似项目的开发研究提供了有价值的指导和参考。     

星载通讯软件的可靠性设计方法

为避免空间环境尤其是单粒子翻转效应(SEU)对星载通讯软件的危害性影响,建立星载通讯软件通用的失效模式分析模型,并针对典型的失效模式如中断无法响应、帧格式错误等,给出与一般通讯软件不同的高可靠性软件设计流程,在设计方法上采取寄存器定时更新,存储区表决法以及冗余设计等可靠性措施避免失效,通过对固定位置的存储单元模拟SEU故障注入的方式进行验证;实验表明此设计降低了单粒子翻转的危害性,提高了星载通讯软件的可靠性,具有普遍意义.     

基于FPGA的容错计算机故障注入研究

为了验证以FPGA为主控制器的容错计算机的可靠性,利用构造双NIOSII系统的方法,设计了模拟量、数字量、通讯量以及单粒子效应的故障注入系统。该系统可以通过软件由用户选择故障参数,对容错计算机进行故障输入。它无需改变原容错计算机的硬件设计,对原操作系统也无特殊的要求。     

基于抗辐照龙芯的星载计算机容错启动研究

将硬件冗余、检错纠错和刷新技术相结合,设计了一种以龙芯1E处理器为核心且使用FLASH存储引导程序的新型容错星载计算机结构。在对存储器进行冗余备份的基础上,采用硬件EDAC和刷新技术提高了存储器数据的可靠性。基于这种新型硬件结构设计,分析了星载计算机的可靠性,并提出了一种星载计算机高可靠容错启动方案。该方案通过利用硬件冗余资源和软件备份屏蔽了存在故障的存储芯片及出错软件,从而引导星载计算机正常启动。实验结果表明,该方案有效地屏蔽了常见的星载计算机启动故障,提高了星载计算机的可靠性。     

基于低复杂度编译码的数据流错误纠错方法

针对单粒子翻转可能带来的数据流错误,设计一种改进的数据流错误纠错方法。利用线性分组码的相关理论,分析常用数据流容错方法的容错能力,从线性分组码的编译码原理出发给出一种低复杂度编译码算法,基于该编码的容错方法能够以较少的开销纠正单粒子翻转造成的单比特数据错误。实验结果表明,该方法能够有效纠正单粒子翻转造成的数据错误,与常用的纠检错方法相比,具有较优的纠错性能和较少的容错开销。     

星载计算机SRAM抗单粒子多位翻转技术

为提高传统纠检错（error detection and correction , EDAC）模块对星载SRAM 中单粒子多位翻转（multiple bit upsets , MBU ）的纠错率,提出一种能同时纠正多比特位翻转的技术,称为数据交错技术。参照版图交错法的原理,在FPGA的软件设计等级实现数据的交错存储,将单粒子的多位翻转分离后,分别通过EDAC模块纠正。仿真结果表明,该数据交错技术与（12,8）汉明码及（21,16）汉明码结合后,可将传统EDAC模块对单粒子引起的两位及三位翻转的纠错率从53?69％及28?91％提升至99?82％,以较低代价,实现了MBU大部分翻转形式的纠正。     

面向空空导弹飞控软件的软件容错技术研究

随着临近空间飞行器的发展,空空导弹作战空域也向超高空域拓展,因此在空空导弹设计时需要考虑高能粒子引起的计算机系统瞬时故障。本文从软件防护的角度出发,针对该故障提出了一种基于冗余备份及校验和的软件数据流加固方法。试验表明,该算法对单粒子翻转引起的瞬态故障具有良好的防护性,具有通用性好、易移植等优点。     

基于Flash的关键变量容错存储技术研究

嵌入式系统中往往需要保存少量复位或掉电后依赖的关键变量,利用处理器片内Flash存储参数已经成为常规选择,但与常规Flash存储器件相比,片内Flash擦除次数更为有限,难以满足系统生命周期要求。研究了如何延长微处理器片内Flash使用寿命以及关键系统变量容错存储技术,针对典型嵌入式系统应用,分析Flash擦写管理机制,基于写磨损均衡算法进行改良,进一步提升系统容错能力。该技术在基于STM32单片机硬件平台进行了测试验证。     

构件模型的容错体系结构和策略研究

为了提高分布应用的健壮性,通常需要开发人员编写相应的容错代码。现有的CORBA构件模型通过定义构件的端口特征,以组装的方式实现代码的二进制级复用,它使用户能够快速开发和部署分布应用。在此基础上,如何在构件模型下快速灵活地建立容错应用成为一个令人关注的话题。通过设计构件模型下的容错体系结构,提供了快速灵活开发容错应用的机制,并提出了解决两种失效类型的容错策略和算法。     

航空发动机容错控制系统设计

航空发动机是一个结构复杂、非线性强的多变量控制对象.控制系统的高可靠性是最重要的技术指标之一.而容错控制为提高系统的可靠性、可维护性和有效性开辟了一条新途径.文中介绍了基于航空发动机容错控制的基本原理和方法,研究了控制系统在反馈信号故障情况下的容错控制问题,该系统可以对失效的检测数据做出实时估计并反馈信号,从而达到对故障容错的目的.     

交换超立方体网络容错路由研究

为了研究交换超立方体网络容错路由问题,引入了相邻结点集合类的概念,提出了相邻结点集的求解公式。对于满足任意子连通性条件的交换超立方体网络,给出了基于相邻结点集合类的自适应容错路由算法及算法的步长上界。仿真实验结果表明算法是有效的。     

超立方体网络下的自适应容错路由研究*

针对超立方体结构的多处理机系统出现故障的问题,对容错超立方体网络的局部连通性进行了研究。根据局部连通性的特点定义了相邻节点集合类的概念,提出并证明了求解两类相邻节点集合的公式。给出了满足任意子连通性条件的超立方体网络的自适应容错路由算法。该算法是分布式和基于局部信息的,可以预防死锁。仿真实验的结果表明算法是高效的,且构建的路径长度接近于最优路径长度。     

Active fault tolerant control for switched positive linear systems

The main aim of this paper is to design an active fault tolerant controller for switched positive linear systems. A theorem is proved for fault and state estimation of switched positive linear systems in terms of matrix inequality by considering average dwell‐time approach. By utilizing the theorem results, not only a fast and exact estimation of fault and state is obtained but also the positivity of state estimation is ensured. The feasibility problem is solved by formulating it into a special sequential optimization problem subject to LMI constraints. Based on the fault estimation information, an observer‐based fault tolerant control guaranties the stability and positivity of the closed‐loop system. Finally, a practical example including a data communication network is presented to illustrate the efficiency of the proposed method.     

运行控制系统集中式容错控制方法

本文针对运行控制系统,建立了运行优化控制过程的双层结构模型.在此基础上,通过建立相应的自适应故障诊断算法,提出了保证在系统有故障和干扰时仍能渐近优化指标的集中式容错控制方法,利用李雅普诺夫稳定性理论分析了自适应故障诊断算法的构建.已证明:该方法通过调整已优化的设定值来保证在回路控制层出现故障时整个运行控制仍可收敛到其原有的优化控制效果.该方法属于非完备容错控制,仿真结果验证了所提方法的有效性.     

Robust adaptive fault estimation and fault tolerant control for quadrotor attitude systems

ABSTRACT

This paper addresses the problem of fault estimation and fault tolerant control for quadrotor unmanned aerial vehicle. Firstly, a robust adaptive fault estimation observer (AFEO) is proposed to achieve fault estimation of quadrotor with actuator fault in the presence of external disturbances and parameter uncertainties. Furthermore, based on the estimation of fault, a dynamic output feedback fault tolerant controller (DOFFTC) is designed to stabilise the closed-loop system with faults and uncertainties. Sufficient conditions for the existence of both AFEO and DOFFTC are given in terms of linear matrix inequalities. Finally, simulation results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed strategy.     

基于重构技术工业故障诊断OPC数据平台的设计

当今日益飞速发展的自动化控制技术使得工厂的自动化程度越来越高,然而带来的问题就是一旦检测设备发生故障,会带来控制系统的崩溃,轻则带来经济损失重则造成工业事故.本文就工业故障诊断技术利用OPC(OLE for Processing Control)技术设计1种容错控制数据平台来解决这一问题.通过OPC服务获得工业现场数据,利用故障诊断技术对工业数据进行诊断,检测辨识故障传感器,隔离故障传感器,采用已知数据回归法(Known Data Regression)重构故障数据,作为上层控制软件的输入从而可以使控制系统稳定运行,故障监控软件给操作人员发出检修信号.实验室仿真结果表明该平台可以稳定运行,这为故障诊断和容错技术实际工程应用奠定了基础.     

基于容错技术的优先级反转研究*

优先级反转是实时系统中出现最多的问题。为了防止这种现象的发生,目前经常采用的方法是优先级继承和优先级置顶。但是,它们在特定情况下也存在缺陷。容错技术是提高系统可靠性的重要保障,利用容错技术对优先级继承进行扩展,可以更好地解决优先级的反转问题,保障了系统的实时性能。