1、1粒子加速器控制系統粒子加速器控制系統劉劉 功功 發發2022-4-302022-4-30辦公室：辦公室：2 2# #-212-212TelTel：6360208063602080EmailEmail：第一章第一章 概述概述2內容提要課程簡介課程簡介粒子加速器控制系統概述粒子加速器控制系統概述控制系統的基本概念控制系統的基本概念3基于基于EPICS的控制系統基本結構圖的控制系統基本結構圖 4課程內容 第一章 概述 第二章 前端控制器 第三章 網絡與數據通信 第四章 EPICS簡介 第五章 時間信息的獲取與傳輸 第六章 上層物理應用軟件5主要參考文獻主要參考文獻劉松強，計算機控制系統的原理與方法

2、，北京：科劉松強，計算機控制系統的原理與方法，北京：科學出版社，學出版社，2007.趙籍九，尹兆生，粒子加速器技術，北京：高等教趙籍九，尹兆生，粒子加速器技術，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內容提要課程簡介課程簡介粒子加速器控制系統概述粒子加速器控制系統概述控制系統的基本概念控制系統的基本概念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存環大廳儲存環大廳速調管走廊速調管走廊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粒子加速器的特點粒子加速器的特點（從控制角度）（從控制角度） 分布

5、范圍廣分布范圍廣 設備數量大、種類多設備數量大、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、水系統入引出、束流測量、輻射防護、水系統 環境復雜、部分區域電磁干擾嚴重環境復雜、部分區域電磁干擾嚴重13粒子加速器控制系統的任務粒子加速器控制系統的任務 控制系統是將加速器各個子系統的聯系起來、控制系統是將加速器各個子系統的聯系起來、協調工作的紐帶，也是加速器調試和運行的協調工作的紐帶，也是加速器調試和運行的平臺。平臺。 其任務為：其任務為： 監控各種設備。監控各種設備。 調節束流以實現物理目標。調節束流以實現物理目標。14粒子

6、加速器控制系統的功能粒子加速器控制系統的功能 設備的監測控制功能。在中央控制室或本地設備的監測控制功能。在中央控制室或本地對各類設備實施開關、參數調整，在中央控對各類設備實施開關、參數調整，在中央控制室監測設備狀態及參數。制室監測設備狀態及參數。 束流調節的手段，即調束軟件，如束流閉軌束流調節的手段，即調束軟件，如束流閉軌全環校正、局部調整和慢反饋等。全環校正、局部調整和慢反饋等。 以數據庫為核心的信息管理系統，提供機器以數據庫為核心的信息管理系統，提供機器參數、歷史數據等的查詢、機器性能分析、參數、歷史數據等的查詢、機器性能分析、故障報警和故障診斷等功能。故障報警和故障診斷等功能。 報警和聯

7、鎖保護功能，確保設備和人員的安報警和聯鎖保護功能，確保設備和人員的安全。全。 時間系統，提供定時信號和時間同步信號。時間系統，提供定時信號和時間同步信號。15粒子加速器控制系統的結構粒子加速器控制系統的結構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的技術特點粒子加速器控制系統的技術特點 基于網絡的分布式計算機控制系統基于網絡的分布式計算機控制系統規模龐大規模龐大控制對象數量大，種類繁多控制對象數量大，種類繁多部分區域電磁干擾強部分區域電磁干擾強 多種技術的集成，涉及到電子學、數據采集多種技術的集成，涉及到電子學、數據采集和數字信號處理、計算機、自動控制、數據和數字信號處理、計算機、自動控制、數據庫、網絡以及抗干擾和容錯等技術，并與加庫、網絡以及抗干擾和容錯等技術，并與加速器物理密切相關。速器物理密切相關。 17粒子加速器控制系統的研究內容粒子加速器控制系統的研究內

9、容 以以ICALEPCS2013國際會議所涉及內容為例國際會議所涉及內容為例18粒子加速器控制系統的設計要求粒子加速器控制系統的設計要求 可用性（可用性（Availability）高）高A=MTBF/（MTBF+MTTR）*100% 標準化（標準化（standardization）高）高節約開發和維護成本節約開發和維護成本 擴展性（擴展性（flexibility）好）好 便于升級和擴展便于升級和擴展 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的開發過程粒子加速器控制系統的開發過程初步初步設計設計預預研制研制工程工程設計設計系統系統建設建設（1）用戶需求調查：

10、控制功能、穩定度、響應速度、）用戶需求調查：控制功能、穩定度、響應速度、操作模式、控制流程、連鎖邏輯、人機界面、操作模式、控制流程、連鎖邏輯、人機界面、接口信接口信號表、命名規則號表、命名規則（2）國內外同類系統及市場調研）國內外同類系統及市場調研針對技術難點或新型非標設備的控制開展預研和樣機針對技術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品的性能比較。試制以及同類產品的性能比較。確定系統開發工具和技術路線、軟硬件結構、硬件選確定系統開發工具和技術路線、軟硬件結構、硬件選型和批量采購、硬件布局圖、線纜連接圖、實時數據型和批量采購、硬件布局圖、線纜連接圖、實時數據庫、設備監控界面、調

11、束軟件、數據庫管理系統設計庫、設備監控界面、調束軟件、數據庫管理系統設計離線測試、聯機調試、系統安裝、在線調試離線測試、聯機調試、系統安裝、在線調試20粒子加速器控制系統開發環境的建立粒子加速器控制系統開發環境的建立 選擇開發工具選擇開發工具 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服務器服務器 建立編譯建立編譯

12、/交叉編譯環境交叉編譯環境 安裝遠程登錄軟件（安裝遠程登錄軟件（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的開發工具粒子加速器控制系統的開發工具 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 - Sol

13、eil 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控制系統結構圖控制系統結構圖 23TANGO控制系統結構圖控制系統結構圖Andy Gtz e

14、tc， “THE TANGO CONTROL SYSTEM” Beam Dynamics Newsletter，No. 47，December 200824DOOCS控制系統結構圖控制系統結構圖http:/tesla.desy.de/doocs/doocs.html25粒子加速器控制系統結構的標準模型M. E. Thuot, L. R. Dalesio, “Control System Architecture: The Standard and Non-Standard Models”，PAC1993_108626內容提要課程簡介課程簡介粒子加速器控制系統概述粒子加速器控制系統概述控制系統的

15、基本概念控制系統的基本概念27控制系統的定義及基本功能控制系統的定義及基本功能 定義：定義：用來管理、控制和監測其它設備或裝置運用來管理、控制和監測其它設備或裝置運行的系統行的系統 基本功能：基本功能：過程控制過程控制狀態監測狀態監測數據采集數據采集設定值控制設定值控制閉環控制閉環控制28控制系統的發展歷史控制系統的發展歷史 電磁繼電器：電磁繼電器：邏輯控制邏輯控制 電子邏輯電路（開關電路）：電子邏輯電路（開關電路）：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 計算機控制計算機控制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計算機控制系統的組成計算機控制系統的組成 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（以微處理

18、器（Microprocessor）為核心的處理機）為核心的處理機 人機界面（人機界面（Human-Machine Interface， HMI）人機界面處理機輸入通道輸出通道傳感器動作器被控對象（設備）33控制系統的分類控制系統的分類按工作方式按工作方式 開環控制開環控制 閉環控制閉環控制按規模按規模 嵌入式控制系統嵌入式控制系統 機箱式控制系統機箱式控制系統 分布式控制系統分布式控制系統按系統性能：線性和非線性、連續和離散、定常和時變按系統性能：線性和非線性、連續和離散、定常和時變按設定值變化規律：恒值控制、隨動控制和程序控制按設定值變化規律：恒值控制、隨動控制和程序控制按元件類型：機械、電

19、氣、機電、液壓、生物按元件類型：機械、電氣、機電、液壓、生物按系統功用：溫度控制、壓力控制、位置控制按系統功用：溫度控制、壓力控制、位置控制 34開環控制開環控制 開環控制：不將控制的結果反饋回來影響當前控制。開環控制：不將控制的結果反饋回來影響當前控制。 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定時控制定時控制 設定值控制設定值控制 特點：結構簡單、易于調整、容易實現、無穩定性問題，特點：結構簡單、易于調整、容易實現、無穩定性問題，但抗干擾能力差。但抗干擾能力差。控制器被控對象命令/設定值輸出響應回讀（監控用）35閉環控制閉環控制 閉環控制：根據被控對象輸出反饋來進行校正，控閉

20、環控制：根據被控對象輸出反饋來進行校正，控制器根據偏差信號通過某種算法來調節輸出響應。制器根據偏差信號通過某種算法來調節輸出響應。 也稱反饋控制，自動控制通常為閉環控制。也稱反饋控制，自動控制通常為閉環控制。 特點：抗干擾能力強，控制精度高，但存在穩定性特點：抗干擾能力強，控制精度高，但存在穩定性問題。問題。控制器被控對象設定值輸出響應偏差信號e(t)c(t)+-反饋信號36自動控制理論自動控制理論 自動控制理論：用數學的方法研究動態的控制過程自動控制理論：用數學的方法研究動態的控制過程研究內容研究內容p系統建模系統建模p信號濾波信號濾波p系統穩定性分析系統穩定性分析分類分類p經典控制理論：研

21、究單輸入單輸出的線性系經典控制理論：研究單輸入單輸出的線性系統，統，PID算法算法p現代控制理論：包括非線性控制、分布參數現代控制理論：包括非線性控制、分布參數控制、隨機控制、自適應控制、人工智能等控制、隨機控制、自適應控制、人工智能等。37PID控制控制 比例控制：比例控制：c(t) = Pe(t) 缺點缺點1：靜態特性不好，穩態誤差：靜態特性不好，穩態誤差 比例積分控制：比例積分控制： c(t) = Pe(t) + Ie(t)dt 積分項作用：時間積累效應，消除穩態誤差積分項作用：時間積累效應，消除穩態誤差（a）比例控制的穩態誤差 （b）用積分項克服穩態誤差38PID控制（續）控制（續）

22、比例控制：比例控制：c(t) = Pe(t) 缺點缺點2：動態特性不好，有過沖、抗外界干擾差：動態特性不好，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39PID控制（續二）控制（續二） 比例微分控制：比例微分控制： 微分項作用：針對輸入偏差的變化速率，以克服動態微分項作用：針對輸入偏差的變化速率，以克服動態非線性效應非線性效應（a）對比例控制的過沖抑制 （b）對比例控制擾動的抑制dttdeDtPetc)()()(40PID控制（續三）控制（續三） 比例積分微分控制，比例積分微分控制，PID 控制控制dttdeDdtteItPetc)()()()( PID 算法研究：針對

23、特點對象，選擇算法研究：針對特點對象，選擇P、I、D的系數的系數41嵌入式控制系統嵌入式控制系統 “嵌嵌”在被控設備中的控制系統，處理能力在被控設備中的控制系統，處理能力和和I/O數據吞吐量都較小。數據吞吐量都較小。硬件結構：主體包含在一個電路模塊中甚至硬件結構：主體包含在一個電路模塊中甚至一個芯片中（一個芯片中（System-on-Chip,SoC）pCPUp存儲器：存儲器：RAM+ROMpIO通道：通道：ADC+DAC+DI+DOpFPGA/ASICp診斷端口診斷端口p輔助系統：電源和風扇輔助系統：電源和風扇42嵌入式控制系統（續）嵌入式控制系統（續） 軟件結構：軟件結構：“超循環超循環”方法處理多任務，或實時系統方法處理多任務，或實時系統 人機界面：小顯示屏人機界面：小顯示屏/指示燈指示燈+按鍵按鍵/旋鈕旋鈕 應用范圍：單個設備，如家用電器、數碼產品等應用范圍：單個設備，如家用電器、數碼產品等43機箱式控制系統機箱式控制系統