空间、深海及核能等应用领域的机电装备,因其工作环境恶劣,其中的功能电路极易出现故障,且故障后人工维修极为困难甚至不可达,客观上要求其具有高可靠性和环境适应能力。相对于传统多模冗余容错方法,自修复硬件是一种以较小冗余粒度与资源消耗实现功能电路高可靠性和环境适应性的新技术途径,具有系统容错能力强、环境适应性好等特点。动态布局是自修复硬件实现结构调整、完成功能恢复的关键技术环节。针对目前动态布局方法存在容错资源利用率低、功能电路设计灵活性差、动态布线难度大、通信拥塞风险高等问题,本文提出了基于动力演化的自修复硬件动态布局方法,为有效改善自修复硬件性能提供了一种新的解决方案。论文主要研究内容包括:1、动态布局问题描述与分析。基于组合理论,建立动态布局问题的数学描述,开展了最优布局结果分析:针对电子细胞线性排列情形,设计了最优布局方案构造方法;针对电子细胞平面分布情形,借助多商品流模型,分析了功能模块错位量的理论最优值。考虑到直接采用组合优化算法存在颇多困难,本文引入动力系统理论,建立动态布局离散动力系统模型,刻画了无扰动情况下动力系统大范围性态,分析了扰动作用下系统拓扑结构稳定性问题;在此基础上,提出了基于动力演化的自修复硬件动态布局方法。2、动态布局计算系统研究。围绕自修复硬件计算能力不足问题,引入形式语言与自动机理论,定义了动态布局语言,建立了计算能力的客观评判标准;基于膜计算理论,描述了动态布局计算系统的典型特点,分析了Embryonics与e DNA系统计算能力的局限性;为提高系统计算能力,设计了交换规则及滑动规则,基于图论及Wilson定理分别证明了两种转运规则的语言产生能力;针对资源分配问题,分析了转运规则产生死锁现象的必要条件;在此基础上,提出了基于滑动规则的自修复硬件膜网络计算模型,满足动态布局计算要求。3、动力演化算法设计及验证。为设计动力演化规则,引入元胞自动机理论,基于“粒子-网格”模型开展了离散有势场动力学及离散弹性动力学研究;提出间隙粒子相变演化基本定律,分析了系统演化过程及系统终止状态;在此基础上,模仿粒子演化过程,提出了一种面向自修复硬件动态布局任务的动力演化算法,仿真实验结果表明:动力演化算法能够自行减少功能模块错位量,与行列移除方法及全局替换方法相比,具备容错资源利用率高、功能电路性能好、动态布线难度低、设计灵活性强等特点。4、自修复硬件结构设计与案例研究。为完成物理方法的设计与实现,采用了握手通信机制,建立了可靠数据传输通路;提出了一种同步移位方法,解决了跨细胞信息查询问题;设计了一种状态转换自动机,实现了阵列同步控制;定义了电子细胞指令集,确定了指令驱控时序;在此基础上,设计了基于动力演化的自修复硬件结构。以空间机械臂运动控制系统中多轴控制器为研究对象,开展了基于自修复硬件的多轴控制器案例研究,验证了基于动力演化的自修复硬件动态布局方法的可行性及有效性。