负相关模拟电路的演化模型研究

作     者：林超 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何劲松

授予年度：2014年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080902[工学-电路与系统] 08[工学] 

主      题：模拟电路设计 演化计算 负相关 随机排序 

摘      要：作为电子设备和自然界的重要接口,模拟电路在现代电子系统中保持着不可或缺的地位。由于现代电子系统的应用日益广泛,系统的应用环境呈现出多样化、复杂化的趋势。在模拟电路中,可能发生的故障多种多样、且不可预知。为了保证模拟电路在实际工作环境中的稳定性,对其进行容错设计变得尤为重要。 当发生故障的时候,电路可以继续维持正常工作或者性能指标在其允许的范围内出现轻微的下降,则认为这个电路是可以容错的。在特殊环境、甚至是未知环境下,对于传统的人工设计方法无法完成的电路容错设计,可以通过演化容错方法来解决。演化设计对于模拟电路容错设计的优势在于：它不需要过多地依赖电路设计者的经验和固定的设计方法,可以开拓设计思路,能够搜索到新的电路结构和元器件参数组合。在达到容错目的的同时,能够显著地降低设计时间和成本。目前,关于模拟电路演化容错的大部分研究工作都是针对已知的特定故障进行容错设计。针对特定故障设计得到的容错电路可能受到设计时没有考虑到的故障的影响,从而降低电路在实际使用环境中的容错能力。负相关模拟电路冗余演化容错设计方法是一种新颖的演化容错方法,对于提高不确定环境下模拟电路的容错泛化能力表现出了较大的潜力,能够实现不依赖特定环境的无差别电路容错。目前,负相关冗余演化容错系统只是一个原形,还存在着很大的改进空间,所以有必要对其进行深入探讨和研究。 本文的主要工作包含以下三个部分： 1.本文从约束优化的新视角来建立负相关异构模拟电路演化模型,将负相关冗余设计问题看成包含电路功能和相关系数这两个目标的约束优化问题。针对现有负相关冗余演化模型中存在的收敛性问题,在负相关演化模型中引入了随机排序方法,提高了负相关冗余演化模型的收敛效率同时,还观察了分别将电路功能和相关系数作为目标函数和约束条件时的负相关冗余演化模型的行为机制。 2.针对现有多种群负相关演化模型计算量大从而导致其规模可扩展能力有限的问题,建立了单种群负相关冗余可扩展演化模型。相对于多种群演化模型而言,单种群模型能够提供更多的负相关冗余电路,且具有更高的收敛效率和规模可扩展能力。 3.从电路输出信号的复频域特性合成的角度出发,设计了一种利用加权平均电路结合而成的负相关冗余方法。实验结果表明：利用加权平均电路结合负相关子电路在参数漂移故障情况下能够带来负相关电路一定程度稳定能力的提升。 总之,本文在现有负相关模拟电路演化容错设计研究的基础上,针对负相关模拟电路演化设计中存在的收敛性问题和可扩展性问题,进行了一些探索性的研究工作：建立了具有较高收敛效率和规模可扩展能力的负相关冗余演化设计模型,为负相关模拟电路演化容错方法迈向实际应用向前推进了一步。