粒子加速器控制系統(tǒng)課件1-概述

1、粒子加速器控制系統(tǒng),,劉 功 發(fā)2024/3/28辦公室：2#-212Tel：63602080Email：gfliu@ustc.edu.cn,第一章 概述,2,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,3,基于EPICS的控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖,4,課程內(nèi)容,第一章 概述第二章 前端控制器第三章 網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)通信第四章 EPICS簡介第五章 時間信息的獲取與傳輸?shù)诹?上層物理應用軟件,5,主要參

2、考文獻,劉松強，計算機控制系統(tǒng)的原理與方法，北京：科學出版社，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.Proceedings of ICALEPCS, PAC, IPAC, EPAC, etc. http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/EPICS home page，http://www.aps.anl.gov/epics/,6,內(nèi)容提要,課程簡介粒子加速器

3、控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)的基本概念,7,LHC （Large Hadron Collider）,8,ILC （International Linear Collider）,E: 500Gev(e-) + 500Gev(e+)Expense:4.79 Billion(2007$)When ? Where?,9,SPring-8 (Super Photon ring-8 GeV),C:1436mE: 8GeVOpen: from 19

4、97,10,HLS (Hefei Light Source),,C: 66mE: 0.8GeV,11,History of HLS,Phase I 1984-1991 200MeV/800MeV 5 beam lines/end stations,Phase II 1998-2004 200MeV/800MeV 15 beam lines/end stations,,More reliable/availabl

5、eMore beam lines/end stations,Upgrade Project 2009-2013 800MeV/800MeV 11 beam lines/end stations,,Full energy injectionLower emittanceMore insertion devices,12,粒子加速器的特點（從控制角度）,分布范圍廣設備數(shù)量大、種類多離子源、磁鐵、電源、真空、微波高頻、束

6、流注入引出、束流測量、輻射防護、水系統(tǒng) …環(huán)境復雜、部分區(qū)域電磁干擾嚴重,13,粒子加速器控制系統(tǒng)的任務,控制系統(tǒng)是將加速器各個子系統(tǒng)的聯(lián)系起來、協(xié)調(diào)工作的紐帶，也是加速器調(diào)試和運行的平臺。 其任務為：監(jiān)控各種設備。調(diào)節(jié)束流以實現(xiàn)物理目標。,14,粒子加速器控制系統(tǒng)的功能,設備的監(jiān)測控制功能。在中央控制室或本地對各類設備實施開關(guān)、參數(shù)調(diào)整，在中央控制室監(jiān)測設備狀態(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、

7、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)，提供機器參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)等的查詢、機器性能分析、故障報警和故障診斷等功能。報警和聯(lián)鎖保護功能，確保設備和人員的安全。時間系統(tǒng)，提供定時信號和時間同步信號。,15,粒子加速器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),,,,,,,Power Supply,Beam Position Monitor,Vacuum Gauge,Computer Interface,Computer Interface,Compute

8、r Interface,,,,,,Process Variables:,Channel Access Server,S1A:H1:CurrentAOS1:P1:xS1:P1:yS1:G1:vacuum,,,Channel Access Client,,Server & storage,,LAN,IOC,16,粒子加速器控制系統(tǒng)的技術(shù)特點,基于網(wǎng)絡的分布式計算機控制系統(tǒng)規(guī)模龐大控制對象數(shù)量大，種類繁多部分區(qū)域電磁干

9、擾強多種技術(shù)的集成，涉及到電子學、數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理、計算機、自動控制、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡以及抗干擾和容錯等技術(shù)，并與加速器物理密切相關(guān)。,17,粒子加速器控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容,以ICALEPCS2013國際會議所涉及內(nèi)容為例,18,粒子加速器控制系統(tǒng)的設計要求,可用性（Availability）高A=MTBF/（MTBF+MTTR）*100%標準化（standardization）高節(jié)約開發(fā)和維護成本擴展性（flexibilit

10、y）好 便于升級和擴展開放性（openness）好便于交流,19,粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)過程,初步設計,預研制,工程設計,系統(tǒng)建設,,,,（1）用戶需求調(diào)查：控制功能、穩(wěn)定度、響應速度、操作模式、控制流程、連鎖邏輯、人機界面、接口信號表、命名規(guī)則（2）國內(nèi)外同類系統(tǒng)及市場調(diào)研,針對技術(shù)難點或新型非標設備的控制開展預研和樣機試制以及同類產(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

11、、線纜連接圖、實時數(shù)據(jù)庫、設備監(jiān)控界面、調(diào)束軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設計,離線測試、聯(lián)機調(diào)試、系統(tǒng)安裝、在線調(diào)試,20,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（Experimental Physics and Industrial Control System）TANGO（TAco Next Generation Objects ）DOOCS（The Distributed Object Oriented Contr

12、ol System）購置Unix/Linux服務器建立編譯/交叉編譯環(huán)境安裝遠程登錄軟件（Exceed、Xmanager、ssh客戶端等）安裝版本管理軟件cvs、svn,21,粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)工具,EPICS主頁：http://www.aps.anl.gov/epics/ 用戶：非常廣泛TANGO主頁：http://www.tango-controls.org/ 主要用戶：ESRF - European Sy

13、nchrotron Radiation Facility, Grenoble, FranceSOLEIL - Soleil Synchrotron, Paris, FranceELETTRA - Elettra Synchrotron, Trieste, ItalyALBA - Alba Synchrotron, Barcelona, SpainDESY - Petra III Synchrotron, Hamburg, Ger

14、manyDOOCS主頁：http://tesla.desy.de/doocs/doocs.html 主要用戶： DESY FLASH/European XFEL,22,EPICS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,23,TANGO控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,Andy Götz etc， “THE TANGO CONTROL SYSTEM” Beam Dynamics Newsletter，No. 47，December 2008,24,DO

15、OCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,http://tesla.desy.de/doocs/doocs.html,25,粒子加速器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標準模型,M. E. Thuot, L. R. Dalesio, “Control System Architecture: The Standard and Non-Standard Models”，PAC1993_1086,26,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,27,控制系

16、統(tǒng)的定義及基本功能,定義：用來管理、控制和監(jiān)測其它設備或裝置運行的系統(tǒng)基本功能：過程控制狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設定值控制閉環(huán)控制,28,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）：過程控制計算機控制,29,早期的粒子加速器控制室,30,The SNS Control Room,,31,,David Gurd, SNS controls group leader，r

17、etired 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

18、control. Indeed when the first terminal 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 sou

19、venir until it was destroyed in the Los Alamos fire.),32,計算機控制系統(tǒng)的組成,輸入/輸出模塊，提供輸入/輸出通道以微處理器（Microprocessor）為核心的處理機人機界面（Human-Machine Interface， HMI）,33,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)

20、和離散、定常和時變按設定值變化規(guī)律：恒值控制、隨動控制和程序控制按元件類型：機械、電氣、機電、液壓、生物按系統(tǒng)功用：溫度控制、壓力控制、位置控制…… …,34,開環(huán)控制,開環(huán)控制：不將控制的結(jié)果反饋回來影響當前控制。邏輯控制順序控制條件控制定時控制設定值控制特點：結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整、容易實現(xiàn)、無穩(wěn)定性問題，但抗干擾能力差。,35,閉環(huán)控制,閉環(huán)控制：根據(jù)被控對象輸出反饋來進行校正，控制器根據(jù)偏差信號通過某種算法來調(diào)節(jié)

21、輸出響應。也稱反饋控制，自動控制通常為閉環(huán)控制。特點：抗干擾能力強，控制精度高，但存在穩(wěn)定性問題。,36,自動控制理論,自動控制理論：用數(shù)學的方法研究動態(tài)的控制過程研究內(nèi)容系統(tǒng)建模信號濾波系統(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、隨機控制、自適應控制、人工智能等。,37,PID控制,比例控制：c(t) = Pe(t)缺點1：靜態(tài)特性不好，穩(wěn)態(tài)誤差

22、比例積分控制： c(t) = Pe(t) + I∫e(t)dt積分項作用：時間積累效應，消除穩(wěn)態(tài)誤差,（a）比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差 （b）用積分項克服穩(wěn)態(tài)誤差,38,PID控制（續(xù)）,比例控制：c(t) = Pe(t)缺點2：動態(tài)特性不好，有過沖、抗外界干擾差,（a）比例控制的過沖 （b）比例控制的擾動影響,39,PID控制（續(xù)二）,比例微分控制：微分項作用：針對輸入偏

23、差的變化速率，以克服動態(tài)非線性效應,（a）對比例控制的過沖抑制 （b）對比例控制擾動的抑制,,40,PID控制（續(xù)三）,比例積分微分控制，PID 控制,,PID 算法研究：針對特點對象，選擇P、I、D的系數(shù),41,嵌入式控制系統(tǒng),“嵌”在被控設備中的控制系統(tǒng)，處理能力和I/O數(shù)據(jù)吞吐量都較小。硬件結(jié)構(gòu)：主體包含在一個電路模塊中甚至一個芯片中（System-on-Chip,SoC）CPU存儲器：RAM+ROMIO通道：A

24、DC+DAC+DI+DOFPGA/ASIC診斷端口輔助系統(tǒng)：電源和風扇,42,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，或?qū)崟r系統(tǒng)人機界面：小顯示屏/指示燈+按鍵/旋鈕應用范圍：單個設備，如家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品等,43,機箱式控制系統(tǒng),系統(tǒng)安裝在機箱內(nèi)，包括的若干模塊通過機箱背板總線構(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