粒子加速器控制系统课件1-概述课件

1、1粒子加速器控制系统粒子加速器控制系统刘刘 功功 发发2022-4-302022-4-30办公室：办公室：2 2# #-212-212TelTel：6360208063602080EmailEmail：第一章第一章 概述概述2内容提要课程简介课程简介粒子加速器控制系统概述粒子加速器控制系统概述控制系统的基本概念控制系统的基本概念3基于基于EPICS的控制系统基本结构图的控制系统基本结构图 4课程内容 第一章 概述 第二章 前端控制器 第三章 网络与数据通信 第四章 EPICS简介 第五章 时间信息的获取与传输 第六章 上层物理应用软件5主要参考文献主要参考文献刘松强，计算机控制系统的原理与方法

2、，北京：科刘松强，计算机控制系统的原理与方法，北京：科学出版社，学出版社，2007.赵籍九，尹兆生，粒子加速器技术，北京：高等教赵籍九，尹兆生，粒子加速器技术，北京：高等教育出版社，育出版社，2006.Proceedings of ICALEPCS, PAC, IPAC, EPAC, etc. http:/accelconf.web.cern.ch/AccelConf/EPICS home page，/epics/6内容提要课程简介课程简介粒子加速器控制系统概述粒子加速器控制系统概述控制系统的基本概念控制系统的基本概念7LHC （Large Hadro

3、n Collider）8ILC （International Linear Collider）E: 500Gev(e-) + 500Gev(e+)Expense:4.79 Billion(2007$)When ? Where?9SPring-8 (Super Photon ring-8 GeV)C:1436mE: 8GeVOpen: from 199710HLS (Hefei Light Source)NSRL鸟瞰图鸟瞰图直线加速器直线加速器储存环大厅储存环大厅速调管走廊速调管走廊C: 66mE: 0.8GeV11History of HLSPhase I 1984-1991 200MeV/8

4、00MeV 5 beam lines/end stationsPhase II 1998-2004 200MeV/800MeV 15 beam lines/end stationsMore reliable/availableMore beam lines/end stationsUpgrade Project 2009-2013 800MeV/800MeV 11 beam lines/end stationsFull energy injectionLower emittanceMore insertion devices12粒子加速器的特点粒子加速器的特点（从控制角度）（从控制角度） 分布

5、范围广分布范围广 设备数量大、种类多设备数量大、种类多离子源、磁铁、电源、真空、微波高频、束流注离子源、磁铁、电源、真空、微波高频、束流注入引出、束流测量、辐射防护、水系统入引出、束流测量、辐射防护、水系统 环境复杂、部分区域电磁干扰严重环境复杂、部分区域电磁干扰严重13粒子加速器控制系统的任务粒子加速器控制系统的任务 控制系统是将加速器各个子系统的联系起来、控制系统是将加速器各个子系统的联系起来、协调工作的纽带，也是加速器调试和运行的协调工作的纽带，也是加速器调试和运行的平台。平台。 其任务为：其任务为： 监控各种设备。监控各种设备。 调节束流以实现物理目标。调节束流以实现物理目标。14粒子

6、加速器控制系统的功能粒子加速器控制系统的功能 设备的监测控制功能。在中央控制室或本地设备的监测控制功能。在中央控制室或本地对各类设备实施开关、参数调整，在中央控对各类设备实施开关、参数调整，在中央控制室监测设备状态及参数。制室监测设备状态及参数。 束流调节的手段，即调束软件，如束流闭轨束流调节的手段，即调束软件，如束流闭轨全环校正、局部调整和慢反馈等。全环校正、局部调整和慢反馈等。 以数据库为核心的信息管理系统，提供机器以数据库为核心的信息管理系统，提供机器参数、历史数据等的查询、机器性能分析、参数、历史数据等的查询、机器性能分析、故障报警和故障诊断等功能。故障报警和故障诊断等功能。 报警和联

7、锁保护功能，确保设备和人员的安报警和联锁保护功能，确保设备和人员的安全。全。 时间系统，提供定时信号和时间同步信号。时间系统，提供定时信号和时间同步信号。15粒子加速器控制系统的结构粒子加速器控制系统的结构Power SupplyBeam Position MonitorVacuum GaugeComputer InterfaceComputer InterfaceComputer InterfaceProcess Variables:Channel Access ServerS1A:H1:CurrentAOS1:P1:xS1:P1:yS1:G1:vacuumChannel Access Cl

8、ientServer & storageLANIOC16粒子加速器控制系统的技术特点粒子加速器控制系统的技术特点 基于网络的分布式计算机控制系统基于网络的分布式计算机控制系统规模庞大规模庞大控制对象数量大，种类繁多控制对象数量大，种类繁多部分区域电磁干扰强部分区域电磁干扰强 多种技术的集成，涉及到电子学、数据采集多种技术的集成，涉及到电子学、数据采集和数字信号处理、计算机、自动控制、数据和数字信号处理、计算机、自动控制、数据库、网络以及抗干扰和容错等技术，并与加库、网络以及抗干扰和容错等技术，并与加速器物理密切相关。速器物理密切相关。 17粒子加速器控制系统的研究内容粒子加速器控制系统的研究内

9、容 以以ICALEPCS2013国际会议所涉及内容为例国际会议所涉及内容为例18粒子加速器控制系统的设计要求粒子加速器控制系统的设计要求 可用性（可用性（Availability）高）高A=MTBF/（MTBF+MTTR）*100% 标准化（标准化（standardization）高）高节约开发和维护成本节约开发和维护成本 扩展性（扩展性（flexibility）好）好 便于升级和扩展便于升级和扩展 开放性（开放性（openness）好）好便于交流便于交流19粒子加速器控制系统的开发过程粒子加速器控制系统的开发过程初步初步设计设计预预研制研制工程工程设计设计系统系统建设建设（1）用户需求调查：

10、控制功能、稳定度、响应速度、）用户需求调查：控制功能、稳定度、响应速度、操作模式、控制流程、连锁逻辑、人机界面、操作模式、控制流程、连锁逻辑、人机界面、接口信接口信号表、命名规则号表、命名规则（2）国内外同类系统及市场调研）国内外同类系统及市场调研针对技术难点或新型非标设备的控制开展预研和样机针对技术难点或新型非标设备的控制开展预研和样机试制以及同类产品的性能比较。试制以及同类产品的性能比较。确定系统开发工具和技术路线、软硬件结构、硬件选确定系统开发工具和技术路线、软硬件结构、硬件选型和批量采购、硬件布局图、线缆连接图、实时数据型和批量采购、硬件布局图、线缆连接图、实时数据库、设备监控界面、调

11、束软件、数据库管理系统设计库、设备监控界面、调束软件、数据库管理系统设计离线测试、联机调试、系统安装、在线调试离线测试、联机调试、系统安装、在线调试20粒子加速器控制系统开发环境的建立粒子加速器控制系统开发环境的建立 选择开发工具选择开发工具 EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System） TANGO（TAco Next Generation Objects ） DOOCS（The Distributed Object Oriented Control System） 购置购置Unix/Linux服务器服务器 建立编译建立编译

12、/交叉编译环境交叉编译环境 安装远程登录软件（安装远程登录软件（Exceed、Xmanager、ssh客户端等）客户端等） 安装版本管理软件安装版本管理软件cvs、svn21粒子加速器控制系统的开发工具粒子加速器控制系统的开发工具 EPICS 主页：主页：/epics/ 用户：非常广泛用户：非常广泛 TANGO 主页：主页：/ 主要用户：主要用户：ESRF - European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, FranceSOLEIL - Sol

13、eil Synchrotron, Paris, FranceELETTRA - Elettra Synchrotron, Trieste, ItalyALBA - Alba Synchrotron, Barcelona, SpainDESY - Petra III Synchrotron, Hamburg, Germany DOOCS 主页：主页：http:/tesla.desy.de/doocs/doocs.html 主要用户：主要用户： DESY FLASH/European XFEL22EPICS控制系统结构图控制系统结构图 23TANGO控制系统结构图控制系统结构图Andy Gtz e

14、tc， “THE TANGO CONTROL SYSTEM” Beam Dynamics Newsletter，No. 47，December 200824DOOCS控制系统结构图控制系统结构图http:/tesla.desy.de/doocs/doocs.html25粒子加速器控制系统结构的标准模型M. E. Thuot, L. R. Dalesio, “Control System Architecture: The Standard and Non-Standard Models”，PAC1993_108626内容提要课程简介课程简介粒子加速器控制系统概述粒子加速器控制系统概述控制系统的

15、基本概念控制系统的基本概念27控制系统的定义及基本功能控制系统的定义及基本功能 定义：定义：用来管理、控制和监测其它设备或装置运用来管理、控制和监测其它设备或装置运行的系统行的系统 基本功能：基本功能：过程控制过程控制状态监测状态监测数据采集数据采集设定值控制设定值控制闭环控制闭环控制28控制系统的发展历史控制系统的发展历史 电磁继电器：电磁继电器：逻辑控制逻辑控制 电子逻辑电路（开关电路）：电子逻辑电路（开关电路）：逻辑控制逻辑控制 组合仪表（由模拟电路组成）：组合仪表（由模拟电路组成）：过程控制过程控制 计算机控制计算机控制29早期的粒子加速器控制室早期的粒子加速器控制室30The SNS

16、 Control Room31David Gurd, SNS controls group leader，retired now “Accelerator Control Systems A Personal Recollection” Beam Dynamics Newsletter，No. 47，December 2008When I joined the controls group at TRIUMF in 1970, the director did not want computers used for control. Indeed when the first terminal

17、 and keyboard was approved for programming purposes at TRIUMF (for$5000), he personally wrote on the order: “Not to be brought into the Control Room!” (I kept that document as a souvenir until it was destroyed in the Los Alamos fire.)32计算机控制系统的组成计算机控制系统的组成 输入输入/输出模块，提供输入输出模块，提供输入/输出通道输出通道 以微处理器（以微处理

18、器（Microprocessor）为核心的处理机）为核心的处理机 人机界面（人机界面（Human-Machine Interface， HMI）人机界面处理机输入通道输出通道传感器动作器被控对象（设备）33控制系统的分类控制系统的分类按工作方式按工作方式 开环控制开环控制 闭环控制闭环控制按规模按规模 嵌入式控制系统嵌入式控制系统 机箱式控制系统机箱式控制系统 分布式控制系统分布式控制系统按系统性能：线性和非线性、连续和离散、定常和时变按系统性能：线性和非线性、连续和离散、定常和时变按设定值变化规律：恒值控制、随动控制和程序控制按设定值变化规律：恒值控制、随动控制和程序控制按元件类型：机械、电

19、气、机电、液压、生物按元件类型：机械、电气、机电、液压、生物按系统功用：温度控制、压力控制、位置控制按系统功用：温度控制、压力控制、位置控制 34开环控制开环控制 开环控制：不将控制的结果反馈回来影响当前控制。开环控制：不将控制的结果反馈回来影响当前控制。 逻辑控制逻辑控制p顺序控制顺序控制p条件控制条件控制p定时控制定时控制 设定值控制设定值控制 特点：结构简单、易于调整、容易实现、无稳定性问题，特点：结构简单、易于调整、容易实现、无稳定性问题，但抗干扰能力差。但抗干扰能力差。控制器被控对象命令/设定值输出响应回读（监控用）35闭环控制闭环控制 闭环控制：根据被控对象输出反馈来进行校正，控闭

20、环控制：根据被控对象输出反馈来进行校正，控制器根据偏差信号通过某种算法来调节输出响应。制器根据偏差信号通过某种算法来调节输出响应。 也称反馈控制，自动控制通常为闭环控制。也称反馈控制，自动控制通常为闭环控制。 特点：抗干扰能力强，控制精度高，但存在稳定性特点：抗干扰能力强，控制精度高，但存在稳定性问题。问题。控制器被控对象设定值输出响应偏差信号e(t)c(t)+-反馈信号36自动控制理论自动控制理论 自动控制理论：用数学的方法研究动态的控制过程自动控制理论：用数学的方法研究动态的控制过程研究内容研究内容p系统建模系统建模p信号滤波信号滤波p系统稳定性分析系统稳定性分析分类分类p经典控制理论：研

21、究单输入单输出的线性系经典控制理论：研究单输入单输出的线性系统，统，PID算法算法p现代控制理论：包括非线性控制、分布参数现代控制理论：包括非线性控制、分布参数控制、随机控制、自适应控制、人工智能等控制、随机控制、自适应控制、人工智能等。37PID控制控制 比例控制：比例控制：c(t) = Pe(t) 缺点缺点1：静态特性不好，稳态误差：静态特性不好，稳态误差 比例积分控制：比例积分控制： c(t) = Pe(t) + Ie(t)dt 积分项作用：时间积累效应，消除稳态误差积分项作用：时间积累效应，消除稳态误差（a）比例控制的稳态误差 （b）用积分项克服稳态误差38PID控制（续）控制（续）

22、比例控制：比例控制：c(t) = Pe(t) 缺点缺点2：动态特性不好，有过冲、抗外界干扰差：动态特性不好，有过冲、抗外界干扰差（a）比例控制的过冲 （b）比例控制的扰动影响39PID控制（续二）控制（续二） 比例微分控制：比例微分控制： 微分项作用：针对输入偏差的变化速率，以克服动态微分项作用：针对输入偏差的变化速率，以克服动态非线性效应非线性效应（a）对比例控制的过冲抑制 （b）对比例控制扰动的抑制dttdeDtPetc)()()(40PID控制（续三）控制（续三） 比例积分微分控制，比例积分微分控制，PID 控制控制dttdeDdtteItPetc)()()()( PID 算法研究：针对

23、特点对象，选择算法研究：针对特点对象，选择P、I、D的系数的系数41嵌入式控制系统嵌入式控制系统 “嵌嵌”在被控设备中的控制系统，处理能力在被控设备中的控制系统，处理能力和和I/O数据吞吐量都较小。数据吞吐量都较小。硬件结构：主体包含在一个电路模块中甚至硬件结构：主体包含在一个电路模块中甚至一个芯片中（一个芯片中（System-on-Chip,SoC）pCPUp存储器：存储器：RAM+ROMpIO通道：通道：ADC+DAC+DI+DOpFPGA/ASICp诊断端口诊断端口p辅助系统：电源和风扇辅助系统：电源和风扇42嵌入式控制系统（续）嵌入式控制系统（续） 软件结构：软件结构：“超循环超循环”方法处理多任务，或实时系统方法处理多任务，或实时系统 人机界面：小显示屏人机界面：小显示屏/指示灯指示灯+按键按键/旋钮旋钮 应用范围：单个设备，如家用电器、数码产品等应用范围：单个设备，如家用电器、数码产品等43机箱式控制系统机箱式控制系统