工科专业虚实结合实践教学方式应用研究

随着工科高等教育改革的推进和行业发展需求的变化,实践教学改革势在必行。针对工科专业实践教学现状,结合硬件在环和数字孪生两种实践教学手段,阐述虚实结合实践教学方式的优势。在此基础上对运动控制系统和可编程控制器两门课程的虚实结合实践教学应用进行分析讨论。实践表明,虚实结合实践教学方式对学生完成理论知识内化、提升实践能力和创新能力具有显著的促进作用。

面向边缘计算的可重构CNN协处理器研究与设计

随着深度学习技术的发展,卷积神经网络模型的参数量和计算量急剧增加,极大提高了卷积神经网络算法在边缘侧设备的部署成本。因此,为了降低卷积神经网络算法在边缘侧设备上的部署难度,减小推理时延和能耗开销,该文提出一种面向边缘计算的可重构CNN协处理器结构。基于按通道处理的数据流模式,提出的两级分布式存储方案解决了片上大规模的数据搬移和重构运算时PE单元间的大量数据移动导致的功耗开销和性能下降的问题;为了避免加速阵列中复杂的数据互联网络传播机制,降低控制的复杂度,该文提出一种灵活的本地访存机制和基于地址转换的填充机制,使得协处理器能够灵活实现任意规格的常规卷积、深度可分离卷积、池化和全连接运算,提升了硬件架构的灵活性。本文提出的协处理器包含256个PE运算单元和176 kB的片上私有存储器,在55 nm TT Corner(25°C,1.2 V)的CMOS工艺下进行逻辑综合和布局布线,最高时钟频率能够达到328 MHz,实现面积为4.41 mm^(2)。在320 MHz的工作频率下,该协处理器峰值运算性能为163.8 GOPs,面积效率为37.14GOPs/mm^(2),完成LeNet-5和MobileNet网络的能效分别为210.7 GOPs/W和340.08 GOPs/W,能够满足边缘智能计算场景下的能效和性能需求。

制导控制系统半实物仿真总体方案设计及集成联试

半实物仿真作为一个大型分布式仿真系统,其总体方案的设计优劣和集成联试的是否顺利,直接影响了系统性能指标的表现和建设目标的实现。归纳总结了总体方案设计的工作内容,分析了实时性、兼容性、扩展性和安全性的性能要求;给出了包括功能层次、运行机制和结构组成在内的典型半实物仿真系统总体方案;概括了仿真系统的集成联试内容,总结了典型系统的集成联试步骤,给出了系统验收测试的内容和系统可信度评估方法。

基于卷积神经网络的岩渣分类算法及其FPGA加速

全断面岩石掘进机在道路掘进过程中,刀盘挤压切削岩体容易产生刀盘磨损及损坏,从而造成经济损失,因此需要检测刀盘磨损的理论和技术来指导施工。岩渣是掘进过程的直接产物,携带丰富的信息,能够反映当前的施工状况,因此可以通过岩渣识别利用这些信息间接实现对刀盘的监测。提出了一种基于卷积神经网络的岩渣识别算法,在岩渣数据集上实现了96.5%的分类准确率。随后为了便于FPGA硬件部署,提出一种网络压缩方法,将网络规模压缩到原始网络的2.28%,同时分类准确率相比原网络仅下降了0.9%。最后使用OpenCL技术在Intel Arria 10 GX1150平台上实现了算法部署,达到了224.54 GOP/s的吞吐率以及11.23 GOP/s/W的能效比。

基于人工蜂群算法的温差发电阵列最优重构方法

在新能源发电技术快速发展的背景下,温差发电(TEG)技术能够很好地利用新能源发电中产生的废热.然而,温度分布的变化会使得TEG阵列的输出特性恶化、发电效率降低.提出基于人工蜂群(ABC)算法的TEG阵列重构方法,在3种不同温度分布情况下,利用ABC在对称9×9和不对称10×15两种TEG阵列进行动态重构.将所提算法与遗传算法、粒子群优化算法和秃鹰搜索优化算法3种启发式算法作对比,并给出由ABC重构后的TEG阵列温度分布图.结果表明:ABC能够提高TEG阵列的输出功率,输出功率-电压曲线均趋向呈现出单个峰值.此外,利用基于RTLAB平台上的硬件在环实验验证了硬件可行性.

玉米联合收获机清选控制系统设计与试验

玉米联合收获机清选系统工况复杂,存在收获质量差、效率不高等问题。基于此,设计一套清选损失率控制为主同时兼顾含杂率的自动控制系统。首先分析以风机转速、振动筛转速和喂入量为影响因素,损失率、含杂率为评价指标的正交试验数据,获取影响损失率和含杂率的主次因素,提出清选系统自动控制策略;其次,为开展控制策略和算法的研究,建立清选系统中的风机转速、振动筛转速调节装置以及收获机纵向运动的数学模型,设计离散化PID控制算法。最后,基于MATLAB/dSPACE软硬件环境,搭建清选控制系统的硬件在环仿真平台,并进行控制器在环测试。试验证明:本文设定的双目标联合控制策略和控制算法,能够有效降低清选损失率、含杂率,其中清选损失率降到2.7%左右,含杂率为2.8%左右。

通用信道编译码算法物理性能快速仿真系统

为实现信道编译码硬件算法物理性能的快速、准确验证,提出一种软硬件协同的通用化信道编译码算法物理性能快速仿真与性能评估系统。PC上位机软件主要实现模拟信源/噪声数据生成、仿真数据后分析、数据/控制指令传输以及与FPGA下位机交互等功能;FPGA下位机通过设计数据调度与系统控制、信道编译码算法架构、加噪信道以及数据统计等单元,构建通用编译码算法验证系统硬件系统架构,支持不同信道编译码算法物理性能的高效、准确验证。以系统当前支持的BCH码、LDPC码、删余卷积码、RS码及其串行级联码的性能仿真为例开展性能测试,性能恶化最大值低于0.4 dB,在10-7误码率统计量级下,仿真时间低于12 s,验证仿真评估系统的准确性、可靠性与有效性。系统采用的通用级联架构还可支持其他信道编译码算法的快速移植与部署,可为信道编译码算法物理性能快速验证提供一种有效的解决方案。

集成式电液制动系统自适应压力控制

针对集成式电液制动系统(integrated electro-hydraulic brake system,IEHB)存在的复杂液压非线性特性和时变摩擦干扰,提出一种自适应压力控制策略。外环压力控制器引入液压特性的动态线性化模型并基于滑模观测器对模型参数实时辨识实现对非线性液压特性的自适应。内环伺服控制器采用基于压力的连续摩擦补偿和反步动态面控制应对传动机构摩擦阻碍。硬件在环实验结果表明,与现有的先进级联压力控制相比,设计的压力控制策略在多种工况下均表现出更高的控制精度和鲁棒性,并显著提升了IEHB在不同液压回路结构下的压力控制效果。

面向五金行业智能制造成熟度评价研究——以浙江永康五金行业为例

如何科学评价具体行业智能制造发展水平已成为实体经济数字化改造提升亟须解决的问题.通过对近年来有关智能制造成熟度评价理论研究成果的梳理,分析评价了模型的要素、优缺点,结合智能制造能力成熟度模型和五金行业特性,构建了五金行业智能制造能力成熟度评价指标,在此基础上以永康五金行业为例,采用AHP、熵权法与TOPSIS法组合进行模型的验证与分析,结果表明研究提出的评价体系具有一定的可靠性和指导价值。

矢量网络分析仪硬件性能对测量精度的影响分析

文中通过深入分析矢量网络分析仪S参数测量过程中的误差来源,建立了误差项与硬件性能的对应关系,在此基础上,通过将原始测量值看作误差项的多元函数,在各误差项理想值附近保留泰勒级数线性项作为合理估计,分析了原始S参数测量结果偏差与误差模型中每个误差项之间的关联程度。对其解析式中除原始测量值以外的其他项使用增量法,求解了最终S参数测量结果偏差与各误差项之间的关联程度,由此确定了每个硬件性能引起的最终测量偏差的大小。最后使用Keysight N5227A和Ceyear 3671E两台矢量网络分析仪,在相同的校准条件下对参数已知的待测网络进行测量,通过对比最终测量结果,检验方法的正确性和有效性。

基于数据流架构的雷达信号调制方式识别加速

在雷达电子战中,快速并准确地识别敌方雷达信号调制技术对于获得战术优势至关重要,而传统依赖于图形处理单元(graphics processing unit,GPU)的识别方法难以满足此应用场景的低延迟要求。为此,该文设计了一种基于数据流架构(dataflow architecture,DF)的雷达信号调制方式识别加速系统。该系统通过对卷积神经网络权值进行二值化来减少模型参数,便于将算法部署到现场可编程门阵列(field-programmablegatearray,FPGA),同时采用数据流架构加快雷达信号调制方式的识别过程。实验结果表明,在确保整体识别准确率的前提下,该加速系统的推理速度相比i7-11800H CPU提升44.43倍,相比RTX 3050Ti GPU提升2.59倍,系统功耗仅为1.724 W。

基于硬件损伤的认知反向散射通信网络鲁棒安全资源分配算法

为了提高反向散射通信网络频谱效率、传输鲁棒性及信息安全性,该文提出一种基于硬件损伤的认知反向散射通信网络鲁棒安全资源分配算法。首先,考虑认知反向散射用户的最小安全速率、传输时间、能量收集和反射系数等约束,基于有界信道不确定性和频谱感知误差模型,建立一个多变量耦合的吞吐量最大化非凸资源分配问题。其次,利用最坏准则、连续凸近似和交替优化方法,将原问题转换为凸优化问题,并提出一种基于迭代的鲁棒资源分配算法。仿真结果表明,与现有算法对比,所提算法具有较好的鲁棒性。

能源动力类别研究生产教融合联合培养基地建设模式与实践

培养出满足新时代要求的具有创新精神和实践能力的高水平能源动力类别研究生是我国早日实现“双碳”目标的迫切需求。构建产教融合联合培养基地,是深化产教融合、实现能源动力类别研究生教育高质量发展的关键环节。该文总结长安大学在能源动力类别(动力工程及电气工程)研究生培养中基于产教融合建设联合培养基地的模式及实践工作,提出软-硬件协同构建产教融合联合培养实践基地的理念,具体阐述该理念在动力工程及电气工程等能源动力类别研究生培养中的具体实践与应用,以期为能源动力类别研究生实践创新能力的培养提供参考。

基于FPGA的CAN总线加密系统设计

CAN总线作为应用最为广泛的车载通信总线,其数据以明文传输的特性,提升了车内通信效率的同时,也增加了信息泄露并被篡改的风险。对此,文中提出了基于国密SM3算法的车载CAN总线数据加密方式,利用FPGA硬件设备实现车载信息的收集、处理、加密、通信和控制,以满足在不降低总线通信效率的前提下,提升车载通信的安全性。根据设计要求,采用软硬件结合的方式对该方案进行了验证,实验结果表明,以SM3算法加密时,在Quartus 13.0平台上最高时钟频率可达94.7 MHz,吞吐量约为757.6 Mbit/s,造成约0.67μs的时延,达到设计目的。

多泵切换对数字液压传动风力机工作特性影响的分析

多泵数字液压传动风力机可根据风速大小使相应排量液压泵参与工作,使液压风力机在整个工作风速范围内始终保持高效。但不同排量液压泵参与工作的切换会造成风力机液压传动系统流量发生突变并产生压力冲击,影响风力机工作特性和风轮对风能的吸收。在分析多泵数字液压传动风力机工作原理的基础上,对5 MW级多泵数字液压传动风力机的方案进行设计和AMESim仿真建模;进行恒定风速和变风速条件下液压泵工作切换的仿真研究,得到多泵切换时液压风力机的风能利用系数、液压系统流量、压力等工作特性的变化规律;搭建了5 kW风能能量多泵数字液压传递半实物仿真实验平台对仿真结果进行实验验证;研究结果为多泵数字液压传动风力机风能高效利用和稳定运行提供理论依据和技术参考。

一种基于FPGA的SVPWM硬件架构及其计算速度优化

为了提高七段式两电平SVPWM算法的调制速度并减少逻辑资源的使用量,提出了一种基于FPGA的SVPWM硬件架构。在该硬件架构输入参考电压后,首先,进行基于Clarke逆变换的坐标变换,通过一系列加法运算构建出含有三相占空比的3组中间变量,同时通过2个异或运算从上述硬件布线中得到简化后的2 bit扇区判断条件;然后,根据简化后的2 bit扇区判断条件从以上3组中间变量中筛选出三相占空比,并进行钳位保护,按照自然采样法输出PWM。以上过程形成一个整体,在FPGA中只需3次触发,便能在2个时钟周期内完成从参考电压输入到三相PWM输出的整个过程,有效提高了计算速度。此外,还给出了该硬件架构在不同的FPGA平台下的资源使用情况,与其他方法相比,LUT使用量由至少500个缩减至300个左右,逻辑资源使用量降低。通过仿真与实物试验,验证了所提硬件架构的有效性。

规则压缩模型和灵活架构的Transformer加速器设计

基于注意力机制的Transformer模型具有优越的性能,设计专用的Transformer加速器能大幅提高推理性能以及降低推理功耗。Transformer模型复杂性包括数量上和结构上的复杂性,其中结构上的复杂性导致不规则模型和规则硬件之间的失配,降低了模型映射到硬件的效率。目前的加速器研究主要聚焦在解决模型数量上的复杂性,但对如何解决模型结构上的复杂性研究得不多。该文首先提出规则压缩模型,降低模型的结构复杂度,提高模型和硬件的匹配度,提高模型映射到硬件的效率。接着提出一种硬件友好的模型压缩方法,采用规则的偏移对角权重剪枝方案和简化硬件量化推理逻辑。此外,提出一个高效灵活的硬件架构,包括一种以块为单元的权重固定脉动运算阵列,同时包括一种准分布的存储架构。该架构可以高效实现算法到运算阵列的映射,同时实现高效的数据存储效率和降低数据移动。实验结果表明,该文工作在性能损失极小的情况下实现93.75%的压缩率,在FPGA上实现的加速器可以高效处理压缩后的Transformer模型,相比于中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)能效分别提高了12.45倍和4.17倍。

考虑多维非线性扰动的电子助力制动系统自适应压力控制

针对电子助力制动系统(EBBS)面临的机-电-液多维非线性扰动问题,提出了一种自适应压力控制策略。外层液压控制器引入自适应径向基函数神经网络和鲁棒滑模理论克服液压时变不确定性,中间层位置控制器采用Karnopp摩擦前馈补偿和滑模控制应对传动机构非线性摩擦阻碍,内层电流控制器通过李雅普诺夫理论解决电机电磁特性耦合问题。仿真和硬件在环试验结果表明,设计的压力控制策略能够在多种工况中将EBBS主动制动稳态压力跟随误差维持在0.15MPa之内。

正负脉冲电压驱动的电磁螺纹插装阀动态特性分析

提出了一种基于PWM技术的正负脉冲电压控制策略,用于提高锥阀式电磁螺纹插装阀启闭动态响应速度,使其满足数字液压技术的要求。在分析电磁螺纹插装阀结构和工作原理基础上,建立了电磁螺纹插装阀的数学模型,并在AMESim软件中搭建电磁螺纹插装阀及其测试系统的多物理场耦合建模,研究不同正负脉冲电压持续时间条件下电磁螺纹插装阀线圈电流、阀芯位移、电磁力的变化规律,确定了电磁螺纹插装阀响应速度最快时正负脉冲电压控制策略的最优控制参数。利用半实物仿真系统搭建SCV硬件在环测试实验台,对所提正负脉冲控制策略进行验证。实验表明,与常规电压控制策略相比,当正负脉冲电压控制策略中正负脉冲电压持续时间都为10 ms时,电磁螺纹插装阀的开启时间由30 ms缩短到13.5 ms,其关闭时间由139 ms缩短到14 ms。研究结果为电磁螺纹插装阀的高响应化和数字液压技术的发展提供参考。

通过式脚踏封口装置的自动化升级改造

企业在塑封重型工件包装袋工艺流程中,存在着人工消耗量大、次品率高、返工率高等问题,为此对其采用的通过式脚踏封口装置进行了自动化升级改造。不仅提供了具体的软、硬件设计方案,而且还利用SolidWorks Electrical软件进行了本装置虚拟电气装配。此改造方案在保证实现塑封过程全自动化、次品率为零的同时,将整个改造设备费用控制在1000元以内,为小型企业在节约成本的同时也节省了劳动力。