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可进化硬件(Evolvable HardWare,EHW)是指硬件能够通过与环境的交互作用动态地和自适应地改变和调整自身的结构和行为,可进化硬件具备自适应、自组织、自修复的特点。作为可进化硬件研究的重要分支,电路进化设计是研究和实现“具有自修复、自复制能力的机器”所需要的基本前提,其有望实现复杂电路的自动设计并可以获得优于常规设计的设计结果,因而成为国际性的研究热点。但是,现今电路进化设计还面临着巨大的难度,如何提高电路进化设计所涉及的电路规模、进化速度和复杂程度,以及所能达到设计效率和优化程度等,都是不可回避的、极具挑战性的开放性问题。
本论文系统地论述了电路进化设计的工作原理、研究现状及存在的问题,从研究电路进化设计方法的基本理论出发,针对电路进化设计中的进化速度问题,有针对性地改进已有的进化算法和发展更加适用的新型进化算法。针对进化算法及电路进化设计的编码方案及适应度评估等方面,进行了较为全面和深入的研究,主要概括如下:
首先,讨论分析了现有普遍适用于电路进化设计的遗传算法所存在的不足,在分析博弈理论与进化算法特点的基础上,针对组合逻辑电路进化设计的特点,将博弈理论分析与动态进化过程相结合,提出了一种基于遗传算法的进化博弈决策机制,利用遗传算法来指导博弈者策略选择的改进进化算法-博弈遗传算法。针对组合逻辑电路门级进化问题,通过采用一种树型编码方案和可以充分兼顾电路功能符合率及资源利用率等的多目标评估方法,通过仿真实验验证了博弈遗传算法的有效性。
其次,在分析讨论生物免疫系统和遗传算法的特点的基础上,从生物免疫系统中选择了一些机制进行分析研究,并将其引入到遗传算法中。另外针对遗传算法算子参数对算法的影响,引入自适应机制,使遗传参数跟随遗传进程做自适应的调整。结合以上内容建立相应模型、提出算法,并在组合逻辑电路门级进化设计和模拟电路进化设计中进行了仿真实验。
接着,针对模拟电路进化设计中电路结构的不确定性及元件参数的离散化特点,通过引入正交试验产生初始种群来保证初始种群的多样性和均匀性,以加快算法运算速度。结合支持结构自动生成和参数规格化的高效编码方案,借鉴常规设计方法的“先定结构,后定参数”的设计经验,形成算法的基本结构。首先通过两次正交试验分别确定电路的结构和元件参数,最终确定初始种群。其次基于所提出的自适应免疫遗传算法进行分阶段、自适应的进化设计。最后针对有源滤波电路进行了仿真实验。
最后,对全文研究内容进行了总结,指出研究工作中存在的不足,明确了下一步的研究方向。