粒子加速器控制系统课件1-概述

粒子加速器控制系统刘功发

3/14/2024

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Email：gfliu@第一章概述1内容提要课程简介粒子加速器控制系统概述控制系统的基本概念2基于EPICS的控制系统基本结构图

3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4主要参考文献刘松强，计算机控制系统的原理与方法，北京：科学出版社，2007.赵籍九，尹兆生，粒子加速器技术，北京：高等教育出版社，2006.ProceedingsofICALEPCS,PAC,IPAC,EPAC,etc.http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/EPICShomepage，/epics/5内容提要课程简介粒子加速器控制系统概述控制系统的基本概念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鸟瞰图直线加速器储存环大厅速调管走廊C:66mE:0.8GeV10HistoryofHLSPhaseI

1984-1991200MeV/800MeV5beamlines/endstationsPhaseII1998-2004

200MeV/800MeV15beamlines/endstationsMorereliable/availableMorebeamlines/endstationsUpgradeProject2009-2013800MeV/800MeV11beamlines/endstationsFullenergyinjectionLoweremittanceMoreinsertiondevices11粒子加速器的特点（从控制角度）分布范围广设备数量大、种类多离子源、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…环境复杂、部分区域电磁干扰严重12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、协调工作的纽带，也是加速器调试和运行的平台。其任务为：监控各种设备。调节束流以实现物理目标。13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。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。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、故障报警和故障诊断等功能。报警和联锁保护功能，确保设备和人员的安全。时间系统，提供定时信号和时间同步信号。14粒子加速器控制系统的结构PowerSupplyBeamPositionMonitorVacuumGaugeComputerInterfaceComputerInterfaceComputerInterfaceProcessVariables:ChannelAccessServerS1A:H1:CurrentAOS1:P1:xS1:P1:yS1:G1:vacuumChannelAccessClientServer&storageLANIOC15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规模庞大控制对象数量大，种类繁多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，并与加速器物理密切相关。

16粒子加速器控制系统的研究内容以ICALEPCS2013国际会议所涉及内容为例17粒子加速器控制系统的设计要求可用性（Availability）高A=MTBF/（MTBF+MTTR）*100%标准化（standardization）高节约开发和维护成本扩展性（flexibility）好

便于升级和扩展开放性（openness）好便于交流18粒子加速器控制系统的开发过程初步设计预研制工程设计系统建设（1）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、接口信号表、命名规则（2）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19粒子加速器控制系统开发环境的建立选择开发工具EPICS（ExperimentalPhysicsandIndustrialControlSystem）TANGO（TAcoNextGenerationObjects）DOOCS（TheDistributedObjectOrientedControlSystem）购置Unix/Linux服务器建立编译/交叉编译环境安装远程登录软件（Exceed、Xmanager、ssh客户端等）安装版本管理软件cvs、svn20粒子加速器控制系统的开发工具EPICS主页：/epics/

用户：非常广泛TANGO主页：/

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

主要用户：DESYFLASH/EuropeanXFEL21EPICS控制系统结构图

22TANGO控制系统结构图AndyGötzetc，“THETANGOCONTROLSYSTEM”BeamDynamicsNewsletter，No.47，December200823DOOCS控制系统结构图http://tesla.desy.de/doocs/doocs.html24粒子加速器控制系统结构的标准模型M.E.Thuot,L.R.Dalesio,“ControlSystemArchitecture:TheStandardandNon-StandardModels”，PAC1993_108625内容提要课程简介粒子加速器控制系统概述控制系统的基本概念26控制系统的定义及基本功能定义：用来管理、控制和监测其它设备或装置运行的系统基本功能：过程控制状态监测数据采集设定值控制闭环控制27控制系统的发展历史电磁继电器：逻辑控制电子逻辑电路（开关电路）：逻辑控制组合仪表（由模拟电路组成）：过程控制计算机控制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计算机控制系统的组成输入/输出模块，提供输入/输出通道以微处理器（Microprocessor）为核心的处理机人机界面（Human-MachineInterface，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）32控制系统的分类按工作方式开环控制闭环控制按规模嵌入式控制系统机箱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、电气、机电、液压、生物按系统功用：温度控制、压力控制、位置控制………33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。逻辑控制顺序控制条件控制定时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，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）34闭环控制闭环控制：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。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35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研究内容系统建模信号滤波系统稳定性分析分类经典控制理论：研究单输入单输出的线性系统，PID算法现代控制理论：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。36PID控制比例控制：c(t)=Pe(t)缺点1：静态特性不好，稳态误差比例积分控制：c(t)=Pe(t)+I∫e(t)dt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37PID控制（续）比例控制：c(t)=Pe(t)缺点2：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38PID控制（续二）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39PID控制（续三）比例积分微分控制，PID控制PID算法研究：针对特点对象，选择P、I、D的系数40嵌入式控制系统“嵌”在被控设备中的控制系统，处理能力和I/O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一个芯片中（System-on-Chip,SoC）CPU存储器：RAM+ROMIO通道：ADC+DAC+DI+DOFPGA/ASIC诊断端口辅助系统：电源和风扇41嵌入式控制系统（续）软件结构：“超循环”方法处理多任务，或实时系统人机界面：小显示屏/指示灯+按键/旋钮应用范围：单个设备，如家用电器、数码产品等42机箱式控制系统系统安装在机箱内，包括的若干模块通过机箱背板总线构成紧耦合系统。背板总线：并行的、所有模块共享数据通道的数据传输，如VME、ISA、PCI、cPCI、PXI等产品：PC、IPC、VME工控机、cPCI工控机等应用范围：各类小型系统，如工业控制、雷达、电信等43分布式控制系统多台计算机构成的基于网络的中、大规模控制系统，如EPICS。44分布式控制系统（续）管理层：OPI、数据库、文件服务器前端控制层：