粒子加速器控制系統(tǒng)課件1-概述

1、1粒子加速器控制系統(tǒng)粒子加速器控制系統(tǒng)劉劉 功功 發(fā)發(fā)2022-4-292022-4-29辦公室：辦公室：2 2# #-212-212TelTel：6360208063602080EmailEmail：第一章第一章 概述概述2內(nèi)容提要課程簡介課程簡介粒子加速器控制系統(tǒng)概述粒子加速器控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念3基于基于EPICS的控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖的控制系統(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(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 第六章 上層物理應(yīng)用軟件5主要參考文獻(xiàn)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

2、，北京：科劉松強(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，學(xué)出版社，2007.趙籍九，尹兆生，粒子加速器技術(shù)，北京：高等教趙籍九，尹兆生，粒子加速器技術(shù)，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內(nèi)容提要課程簡介課程簡介粒子加速器控制系統(tǒng)概述粒子加速器控制系統(tǒng)概述控制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)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鳥瞰圖鳥瞰圖直線加速器直線加速器儲(chǔ)存環(huán)大廳儲(chǔ)存環(huán)大廳速調(diào)管走廊速調(diào)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粒子加速器的特點(diǎn)粒子加速器的特點(diǎn)（從控制角度）（從控制角度） 分布

5、范圍廣分布范圍廣 設(shè)備數(shù)量大、種類多設(shè)備數(shù)量大、種類多離子源、磁鐵、電源、真空、微波高頻、束流注離子源、磁鐵、電源、真空、微波高頻、束流注入引出、束流測量、輻射防護(hù)、水系統(tǒng)入引出、束流測量、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)重環(huán)境復(fù)雜、部分區(qū)域電磁干擾嚴(yán)重13粒子加速器控制系統(tǒng)的任務(wù)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、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)。平臺(tái)。 其任務(wù)為：其任務(wù)為： 監(jiān)控各種設(shè)備。監(jiān)控各種設(shè)備。 調(diào)節(jié)束流以實(shí)現(xiàn)物理目標(biāo)。調(diào)節(jié)束流以實(shí)現(xiàn)物理目標(biāo)。14粒子

6、加速器控制系統(tǒng)的功能粒子加速器控制系統(tǒng)的功能 設(shè)備的監(jiān)測控制功能。在中央控制室或本地設(shè)備的監(jiān)測控制功能。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)測設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)。制室監(jiān)測設(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。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、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。故障報(bào)警和故障診斷等功能。 報(bào)警和聯(lián)

7、鎖保護(hù)功能，確保設(shè)備和人員的安報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)功能，確保設(shè)備和人員的安全。全。 時(shí)間系統(tǒng)，提供定時(shí)信號(hào)和時(shí)間同步信號(hào)。時(shí)間系統(tǒng)，提供定時(shí)信號(hào)和時(shí)間同步信號(hào)。15粒子加速器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)粒子加速器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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粒子加速器控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)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)基于網(wǎng)絡(luò)的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)規(guī)模龐大規(guī)模龐大控制對(duì)象數(shù)量大，種類繁多控制對(duì)象數(shù)量大，種類繁多部分區(qū)域電磁干擾強(qiáng)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)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)。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)容粒子加速器控制系統(tǒng)

9、的研究內(nèi)容 以以ICALEPCS2013國際會(huì)議所涉及內(nèi)容為例國際會(huì)議所涉及內(nèi)容為例18粒子加速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求粒子加速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 可用性（可用性（Availability）高）高A=MTBF/（MTBF+MTTR）*100% 標(biāo)準(zhǔn)化（標(biāo)準(zhǔn)化（standardization）高）高節(jié)約開發(fā)和維護(hù)成本節(jié)約開發(fā)和維護(hù)成本 擴(kuò)展性（擴(kuò)展性（flexibility）好）好 便于升級(jí)和擴(kuò)展便于升級(jí)和擴(kuò)展 開放性（開放性（openness）好）好便于交流便于交流19粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)過程粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)過程初步初步設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)預(yù)預(yù)研制研制工程工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)建設(shè)（1）用戶需

10、求調(diào)查：控制功能、穩(wěn)定度、響應(yīng)速度、）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、操作模式、控制流程、連鎖邏輯、人機(jī)界面、接口信接口信號(hào)表、命名規(guī)則號(hào)表、命名規(guī)則（2）國內(nèi)外同類系統(tǒng)及市場調(diào)研）國內(nèi)外同類系統(tǒng)及市場調(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)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。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)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

11、界面、調(diào)束軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)離線測試、聯(lián)機(jī)調(diào)試、系統(tǒng)安裝、在線調(diào)試離線測試、聯(lián)機(jī)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)工具選擇開發(fā)工具 EPICS（Experimental Physics and Industrial Control System） TANGO（TAco Next Generation Objects ） DOOCS（The Distributed Object Oriented Control System） 購置購置Unix/Linux服務(wù)器服務(wù)器 建立編譯

12、建立編譯/交叉編譯環(huán)境交叉編譯環(huán)境 安裝遠(yuǎn)程登錄軟件（安裝遠(yuǎn)程登錄軟件（Exceed、Xmanager、ssh客戶端等）客戶端等） 安裝版本管理軟件安裝版本管理軟件cvs、svn21粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)工具粒子加速器控制系統(tǒng)的開發(fā)工具 EPICS 主頁：主頁：/epics/ 用戶：非常廣泛用戶：非常廣泛 TANGO 主頁：主頁：/ 主要用戶：主要用戶：ESRF - European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, FranceSOLEIL -

13、 Soleil Synchrotron, Paris, FranceELETTRA - Elettra Synchrotron, Trieste, ItalyALBA - Alba Synchrotron, Barcelona, SpainDESY - Petra III Synchrotron, Hamburg, Germany DOOCS 主頁：主頁：http:/tesla.desy.de/doocs/doocs.html 主要用戶：主要用戶： DESY FLASH/European XFEL22EPICS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 23TANGO控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Andy G

14、tz etc， “THE TANGO CONTROL SYSTEM” Beam Dynamics Newsletter，No. 47，December 200824DOOCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖http:/tesla.desy.de/doocs/doocs.html25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, “Control System Architecture: The Standard and Non-Standard Models”，PAC1993_108626內(nèi)容提要課程簡介課程簡介粒子加速器控制系統(tǒng)概述粒子加速器控制系統(tǒng)概述控

15、制系統(tǒng)的基本概念控制系統(tǒng)的基本概念27控制系統(tǒng)的定義及基本功能控制系統(tǒng)的定義及基本功能 定義：定義：用來管理、控制和監(jiān)測其它設(shè)備或裝置運(yùn)用來管理、控制和監(jiān)測其它設(shè)備或裝置運(yùn)行的系統(tǒng)行的系統(tǒng) 基本功能：基本功能：過程控制過程控制狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集設(shè)定值控制設(shè)定值控制閉環(huán)控制閉環(huán)控制28控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史 電磁繼電器：電磁繼電器：邏輯控制邏輯控制 電子邏輯電路（開關(guān)電路）：電子邏輯電路（開關(guān)電路）：邏輯控制邏輯控制 組合儀表（由模擬電路組成）：組合儀表（由模擬電路組成）：過程控制過程控制 計(jì)算機(jī)控制計(jì)算機(jī)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

16、 SNS 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 term

17、inal 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計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成 輸入輸入/輸出模塊，提供輸入輸出模塊，提供輸入/輸出通道輸出通道 以微處理器（

18、以微處理器（Microprocessor）為核心的處理機(jī)）為核心的處理機(jī) 人機(jī)界面（人機(jī)界面（Human-Machine Interface， 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）33控制系統(tǒng)的分類控制系統(tǒng)的分類按工作方式按工作方式 開環(huán)控制開環(huán)控制 閉環(huán)控制閉環(huán)控制按規(guī)模按規(guī)模 嵌入式控制系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng) 機(jī)箱式控制系統(tǒng)機(jī)箱式控制系統(tǒng) 分布式控制系統(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：

19、機(jī)械、電氣、機(jī)電、液壓、生物按元件類型：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 開環(huán)控制：不將控制的結(jié)果反饋回來影響當(dāng)前控制。開環(huán)控制：不將控制的結(jié)果反饋回來影響當(dāng)前控制。 邏輯控制邏輯控制p順序控制順序控制p條件控制條件控制p定時(shí)控制定時(shí)控制 設(shè)定值控制設(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，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。但抗干擾能力差?？刂破鞅豢貙?duì)象命令/設(shè)定值輸出響應(yīng)回讀（監(jiān)控用）35閉環(huán)控制閉環(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

20、正，控閉環(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)。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。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)定性特點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高，但存在穩(wěn)定性問題。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)36自動(dòng)控制理論自動(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)容研究內(nèi)容p系統(tǒng)建模系統(tǒng)建模p信號(hào)濾波信號(hào)濾波p系統(tǒng)穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性分析分類分類p經(jīng)典控制

21、理論：研究單輸入單輸出的線性系經(jīng)典控制理論：研究單輸入單輸出的線性系統(tǒng)，統(tǒng)，PID算法算法p現(xiàn)代控制理論：包括非線性控制、分布參數(shù)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、人工智能等控制、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制、人工智能等。37PID控制控制 比例控制：比例控制：c(t) = Pe(t) 缺點(diǎn)缺點(diǎn)1：靜態(tài)特性不好，穩(wěn)態(tài)誤差：靜態(tài)特性不好，穩(wěn)態(tài)誤差 比例積分控制：比例積分控制： c(t) = Pe(t) + Ie(t)dt 積分項(xiàng)作用：時(shí)間積累效應(yīng)，消除穩(wěn)態(tài)誤差積分項(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38PID控制（續(xù)）控制

22、（續(xù)） 比例控制：比例控制：c(t) = Pe(t) 缺點(diǎn)缺點(diǎn)2：動(dòng)態(tài)特性不好，有過沖、抗外界干擾差：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39PID控制（續(xù)二）控制（續(xù)二） 比例微分控制：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)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)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dttdeDtPetc)()()(40PID控制（續(xù)三）控制（續(xù)三） 比例積分微分控制，比例積分微分控制，PID 控制控制dttdeDdtteItPetc)()()()( PID 算法研

23、究：針對(duì)特點(diǎn)對(duì)象，選擇算法研究：針對(duì)特點(diǎn)對(duì)象，選擇P、I、D的系數(shù)的系數(shù)41嵌入式控制系統(tǒng)嵌入式控制系統(tǒng) “嵌嵌”在被控設(shè)備中的控制系統(tǒng)，處理能力在被控設(shè)備中的控制系統(tǒng)，處理能力和和I/O數(shù)據(jù)吞吐量都較小。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（一個(gè)芯片中（System-on-Chip,SoC）pCPUp存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器：RAM+ROMpIO通道：通道：ADC+DAC+DI+DOpFPGA/ASICp診斷端口診斷端口p輔助系統(tǒng)：電源和風(fēng)扇輔助系統(tǒng)：電源和風(fēng)扇42嵌入式控制系統(tǒng)（續(xù)）嵌入式控制系統(tǒng)（續(xù)） 軟件結(jié)構(gòu)：軟件結(jié)構(gòu)：“超循環(huán)超循環(huán)”方法處理多任務(wù)，或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)方法處理多任務(wù)，或?qū)崟r(shí)系統(tǒng) 人機(jī)界面：小顯示屏人機(jī)界面：小顯示屏/指示燈指示燈+按鍵按鍵/旋鈕旋鈕 應(yīng)用范圍：單個(gè)設(shè)備，如家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品等應(yīng)用范圍：單個(gè)設(shè)備，如家用電器、數(shù)碼產(chǎn)品等43機(jī)箱式控制系統(tǒng)機(jī)箱式控制系統(tǒng)