粒子加速器控制系統(tǒng)課件1-概述

粒子加速器控制系統(tǒng)劉功發(fā)

3/14/2024

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Email：gfliu@第一章概述1內(nèi)容提要課程簡介粒子加速器控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)的基本概念2基于EPICS的控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

3課程內(nèi)容第一章概述第二章前端控制器第三章網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)通信第四章EPICS簡介第五章時(shí)間信息的獲取與傳輸?shù)诹律蠈游锢響?yīng)用軟件4主要參考文獻(xiàn)劉松強(qiáng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的原理與方法，北京：科學(xué)出版社，2007.趙籍九，尹兆生，粒子加速器技術(shù)，北京：高等教育出版社，2006.ProceedingsofICALEPCS,PAC,IPAC,EPAC,etc.http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/EPICShomepage，/epics/5內(nèi)容提要課程簡介粒子加速器控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)的基本概念6LHC

（LargeHadron

Collider）7ILC（InternationalLinearCollider）E:500Gev(e-)+500Gev(e+)Expense:4.79Billion(2007$)When?Where?8SPring-8(SuperPhotonring-8GeV)C:1436mE:8GeVOpen:from19979HLS(HefeiLightSource)NSRL鳥瞰圖直線加速器儲(chǔ)存環(huán)大廳速調(diào)管走廊C:66mE:0.8GeV10HistoryofHLSPhaseI

1984-1991200MeV/800MeV5beamlines/endstationsPhaseII1998-2004

200MeV/800MeV15beamlines/endstationsMorereliable/availableMorebeamlines/endstationsUpgradeProject2009-2013800MeV/800MeV11beamlines/endstationsFullenergyinjectionLoweremittanceMoreinsertiondevices11粒子加速器的特點(diǎn)（從控制角度）分布范圍廣設(shè)備數(shù)量大、種類多離子源、磁鐵、電源、真空、微波高頻、束流注入引出、束流測(cè)量、輻射防護(hù)、水系統(tǒng)…環(huán)境復(fù)雜、部分區(qū)域電磁干擾嚴(yán)重12粒子加速器控制系統(tǒng)的任務(wù)控制系統(tǒng)是將加速器各個(gè)子系統(tǒng)的聯(lián)系起來、協(xié)調(diào)工作的紐帶，也是加速器調(diào)試和運(yùn)行的平臺(tái)。其任務(wù)為：監(jiān)控各種設(shè)備。調(diào)節(jié)束流以實(shí)現(xiàn)物理目標(biāo)。13粒子加速器控制系統(tǒng)的功能設(shè)備的監(jiān)測(cè)控制功能。在中央控制室或本地對(duì)各類設(shè)備實(shí)施開關(guān)、參數(shù)調(diào)整，在中央控制室監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)。束流調(diào)節(jié)的手段，即調(diào)束軟件，如束流閉軌全環(huán)校正、局部調(diào)整和慢反饋等。以數(shù)據(jù)庫為核心的信息管理系統(tǒng)，提供機(jī)器參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)等的查詢、機(jī)器性能分析、故障報(bào)警和故障診斷等功能。報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)功能，確保設(shè)備和人員的安全。時(shí)間系統(tǒng)，提供定時(shí)信號(hào)和時(shí)間同步信號(hào)。14粒子加速器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)PowerSupplyBeamPositionMonitorVacuumGaugeComputerInterfaceComputerInterfaceComputerInterfaceProcessVariables:ChannelAccessServerS1A:H1:CurrentAOS1:P1:xS1:P1:yS1:G1:vacuumChannelAccessClientServer&storageLANIOC15粒子加速器控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)規(guī)模龐大控制對(duì)象數(shù)量大，種類繁多部分區(qū)域電磁干擾強(qiáng)多種技術(shù)的集成，涉及到電子學(xué)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)以及抗干擾和容錯(cuò)等技術(shù)，并與加速器物理密切相關(guān)。

16粒子加速器控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容以ICALEPCS2013國際會(huì)議所涉及內(nèi)容為例17粒子加速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求可用性（Availability）高A=MTBF/（MTBF+MTTR）*100%標(biāo)準(zhǔn)化（standardization）高節(jié)約開發(fā)和維護(hù)成本擴(kuò)展性（flexibility）好

便于升級(jí)和擴(kuò)展開放性（openness）好便于交流18粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)過程初步設(shè)計(jì)預(yù)研制工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)（1）用戶需求調(diào)查：控制功能、穩(wěn)定度、響應(yīng)速度、操作模式、控制流程、連鎖邏輯、人機(jī)界面、接口信號(hào)表、命名規(guī)則（2）國內(nèi)外同類系統(tǒng)及市場(chǎng)調(diào)研針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)或新型非標(biāo)設(shè)備的控制開展預(yù)研和樣機(jī)試制以及同類產(chǎn)品的性能比較。確定系統(tǒng)開發(fā)工具和技術(shù)路線、軟硬件結(jié)構(gòu)、硬件選型和批量采購、硬件布局圖、線纜連接圖、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、設(shè)備監(jiān)控界面、調(diào)束軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)離線測(cè)試、聯(lián)機(jī)調(diào)試、系統(tǒng)安裝、在線調(diào)試19粒子加速器控制系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的建立選擇開發(fā)工具EPICS（ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSystem）TANGO（TAcoNextGenerationObjects）DOOCS（TheDistributedObjectOrientedControlSystem）購置Unix/Linux服務(wù)器建立編譯/交叉編譯環(huán)境安裝遠(yuǎn)程登錄軟件（Exceed、Xmanager、ssh客戶端等）安裝版本管理軟件cvs、svn20粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)工具EPICS主頁：/epics/

用戶：非常廣泛TANGO主頁：/

主要用戶：ESRF-EuropeanSynchrotronRadiationFacility,Grenoble,FranceSOLEIL-SoleilSynchrotron,Paris,FranceELETTRA-ElettraSynchrotron,Trieste,ItalyALBA-AlbaSynchrotron,Barcelona,SpainDESY-PetraIIISynchrotron,Hamburg,GermanyDOOCS主頁：http://tesla.desy.de/doocs/doocs.html

主要用戶：DESYFLASH/EuropeanXFEL21EPICS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

22TANGO控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖AndyG?tzetc，“THETANGOCONTROLSYSTEM”BeamDynamicsNewsletter，No.47，December200823DOOCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖http://tesla.desy.de/doocs/doocs.html24粒子加速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模型M.E.Thuot,L.R.Dalesio,“ControlSystemArchitecture:TheStandardandNon-StandardModels”，PAC1993_108625內(nèi)容提要課程簡介粒子加速器控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)的基本概念26控制系統(tǒng)的定義及基本功能定義：用來管理、控制和監(jiān)測(cè)其它設(shè)備或裝置運(yùn)行的系統(tǒng)基本功能：過程控制狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集設(shè)定值控制閉環(huán)控制27控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史電磁繼電器：邏輯控制電子邏輯電路（開關(guān)電路）：邏輯控制組合儀表（由模擬電路組成）：過程控制計(jì)算機(jī)控制28早期的粒子加速器控制室29TheSNSControlRoom30DavidGurd,SNScontrolsgroupleader，retirednow“AcceleratorControlSystems–APersonalRecollection”BeamDynamicsNewsletter，No.47，December2008WhenIjoinedthecontrolsgroupatTRIUMFin1970,thedirectordidnotwantcomputersusedforcontrol.IndeedwhenthefirstterminalandkeyboardwasapprovedforprogrammingpurposesatTRIUMF(for$5000),hepersonallywroteontheorder:“NottobebroughtintotheControlRoom!”(IkeptthatdocumentasasouveniruntilitwasdestroyedintheLosAlamosfire.)31計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成輸入/輸出模塊，提供輸入/輸出通道以微處理器（Microprocessor）為核心的處理機(jī)人機(jī)界面（Human-MachineInterface，HMI）人機(jī)界面處理機(jī)輸入通道輸出通道傳感器動(dòng)作器被控對(duì)象（設(shè)備）32控制系統(tǒng)的分類按工作方式開環(huán)控制閉環(huán)控制按規(guī)模嵌入式控制系統(tǒng)機(jī)箱式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)按系統(tǒng)性能：線性和非線性、連續(xù)和離散、定常和時(shí)變按設(shè)定值變化規(guī)律：恒值控制、隨動(dòng)控制和程序控制按元件類型：機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、生物按系統(tǒng)功用：溫度控制、壓力控制、位置控制………33開環(huán)控制開環(huán)控制：不將控制的結(jié)果反饋回來影響當(dāng)前控制。邏輯控制順序控制條件控制定時(shí)控制設(shè)定值控制特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整、容易實(shí)現(xiàn)、無穩(wěn)定性問題，但抗干擾能力差。控制器被控對(duì)象命令/設(shè)定值輸出響應(yīng)回讀（監(jiān)控用）34閉環(huán)控制閉環(huán)控制：根據(jù)被控對(duì)象輸出反饋來進(jìn)行校正，控制器根據(jù)偏差信號(hào)通過某種算法來調(diào)節(jié)輸出響應(yīng)。也稱反饋控制，自動(dòng)控制通常為閉環(huán)控制。特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高，但存在穩(wěn)定性問題?？刂破鞅豢貙?duì)象設(shè)定值輸出響應(yīng)偏差信號(hào)e(t)c(t)+-反饋信號(hào)35自動(dòng)控制理論自動(dòng)控制理論：用數(shù)學(xué)的方法研究動(dòng)態(tài)的控制過程研究內(nèi)容系統(tǒng)建模信號(hào)濾波系統(tǒng)穩(wěn)定性分析分類經(jīng)典控制理論：研究單輸入單輸出的線性系統(tǒng)，PID算法現(xiàn)代控制理論：包括非線性控制、分布參數(shù)控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制、人工智能等。36PID控制比例控制：c(t)=Pe(t)缺點(diǎn)1：靜態(tài)特性不好，穩(wěn)態(tài)誤差比例積分控制：c(t)=Pe(t)+I∫e(t)dt積分項(xiàng)作用：時(shí)間積累效應(yīng)，消除穩(wěn)態(tài)誤差（a）比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差（b）用積分項(xiàng)克服穩(wěn)態(tài)誤差37PID控制（續(xù)）比例控制：c(t)=Pe(t)缺點(diǎn)2：動(dòng)態(tài)特性不好，有過沖、抗外界干擾差（a）比例控制的過沖（b）比例控制的擾動(dòng)影響38PID控制（續(xù)二）比例微分控制：微分項(xiàng)作用：針對(duì)輸入偏差的變化速率，以克服動(dòng)態(tài)非線性效應(yīng)（a）對(duì)比例控制的過沖抑制（b）對(duì)比例控制擾動(dòng)的抑制39PID控制（續(xù)三）比例積分微分控制，PID控制PID算法研究：針對(duì)特點(diǎn)對(duì)象，選擇P、I、D的系數(shù)40嵌入式控制系統(tǒng)“嵌”在被控設(shè)備中的控制系統(tǒng)，處理能力和I/O數(shù)據(jù)吞吐量都較小。硬件結(jié)構(gòu)：主體包含在一個(gè)電路模塊中甚至一個(gè)芯片中（System-on-Chip,SoC）CPU存儲(chǔ)器：RAM+ROMIO通道：ADC+DAC+DI+DOFPGA/ASIC診斷端口輔助系統(tǒng)：電源和風(fēng)扇41嵌入式控制系統(tǒng)（續(xù)）軟件結(jié)構(gòu)：“超循環(huán)”方法處理多任務(wù)，或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)人機(jī)界面：小顯示屏/指示燈+按鍵/旋鈕應(yīng)用范圍：單個(gè)設(shè)備，如家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品等42機(jī)箱式控制系統(tǒng)系統(tǒng)安裝在機(jī)箱內(nèi)，包括的若干模塊通過機(jī)箱背板總線構(gòu)成緊耦合系統(tǒng)。背板總線：并行的、所有模塊共享數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)傳輸，如VME、ISA、PCI、cPCI、PXI等產(chǎn)品：PC、IPC、VME工控機(jī)、cPCI工控機(jī)等應(yīng)用范圍：各類小型系統(tǒng)，如工業(yè)控制、雷達(dá)、電信等43分布式控制系統(tǒng)多臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的基于網(wǎng)絡(luò)的中、大規(guī)模控制系統(tǒng)，如EPICS。44分布式控制系統(tǒng)（續(xù)）管理層：OPI、數(shù)據(jù)庫、文件服務(wù)器前端控制層：