CN109001980B - 高频谐振腔调谐方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频谐振腔调谐方法，属于粒子加速器低电平控制技术领域。该调谐方法包括：通过测量入射功率和反射功率求得归一化反射功率；通过滑膜控制算法控制电机的转速及方向，使归一化反射功率按照预先设定的反射功率变化曲线下降，从而调谐腔体。该发明采用归一化反射功率来控制腔体调谐，使得反射功率可以得到更准确的控制，并且运行的过程中不需要经常手动矫正相位设定值；此外，滑模控制算法代替现有的PID控制算法，系统的控制带宽得到了提升，响应速度更快，启动时即可投入闭环，不需要长时间拷机。

Description

高频谐振腔调谐方法

技术领域

本发明涉及粒子加速器低电平控制技术领域，特别涉及一种高频谐振腔调谐方法。

背景技术

粒子加速器(Particle Accelerator)技术是用人工的方法产生高速带电粒子的装置。是用于探索原子核及粒子性质、内部结构及相互作用的重要工具，在科学技术、工农业生产、卫生医疗等方面同样有着广泛而重要的实际应用。

高频谐振腔是粒子加速器的核心组成部分，其内部产生的高频电场是粒子得以加速的能量源泉。加速器正常工作时谐振腔处于谐振状态下，固有频率和高频参考频率基本一致，腔体阻抗与发射机基本匹配，发射机输出功率传输到谐振腔，在腔体中建立满足物理加速电压要求的加速电场，实现对带电粒子的加速。

高频频率稳定系统是整个加速器高频系统的重要组成部分，它用来保证加速器工作期间腔体的自谐振频率对准输入信号的工作频率，解决谐振腔温度漂移、因热变形、机械振动等因素引起的谐振频率的失谐问题，调整谐振腔和发射机的耦合匹配参数，使功放输出功率得到充分利用。

现有的频率稳定系统的工作原理是利用谐振腔体的单调谐滤波特性，在腔体自谐振频率与输入频率失谐时(简称：频率失谐)腔体的输入输出相移产生变化，利用频率检测单元检测出腔体的输入输出相移变化(相位误差)；频率控制单元根据得到的相位误差，通过PID算法控制腔体向相移变化减小的方向运动，最终消除谐振腔体的频率失谐。

现有的鉴相调谐方式采用经典PID控制方式来实现腔体的调谐。PID控制的带宽最多能达到腔体带宽的一半，控制带宽受到限制。腔体入射功率和腔体电场取样信号经过长电缆传输到相位差检测单元。长电缆的长期相位漂移会导致相位差超出系统可控范围。由于系统的温度漂移，经常需要手动矫正系统的工作状态。高频系统启动时频率稳定系统需要长时间处于开环状态，等系统达到温度稳定之后才能投入闭环。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高频谐振腔调谐方法，以解决上述现有技术中的不足。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种高频谐振腔调谐方法，包括：

通过测量谐振腔的反射功率和入射功率求得归一化反射功率；通过滑模控制算法控制腔体调谐器移动使滑模控制传递函数s(t)＝f(t)-g(t)趋近于0，以实现腔体的调谐，其中f(t)为归一化反射功率，g(t)为反射功率衰减轨迹。

在本发明的一些实施例中，所述反射功率衰减轨迹参考函数g(t)满足

其中ρ为反射功率下降的斜率。

在本发明的一些实施例中，所述的滑模控制算法控制电机的转速和方向从而使所述腔体调谐器移动。

在本发明的一些实施例中，所述控制律函数为

其中k，∈为控制设计参数。

在本发明的一些实施例中，所述的滑膜控制算法通过模数变化将所述入射功率和反射功率信号转化成数字信号，然后将所述数字信号送入FPGA进行处理。

在本发明的一些实施例中，所述的反射功率归一化在FPGA内部实现；所述滑模控制算法在FPGA或DSP器件内部实现。

(三)有益效果

1、本发明采用滑模控制算法代替现有的PID控制算法，系统的控制带宽得到了提升，响应速度更快。

2、本发明通过测量正向和反射功率来计算归一化反射功率作为最小化的控制参数，避开相位测量、没有温度依赖性，因此反射功率可以更准确。

3、本发明采用归一化反射功率来控制腔体调谐，避免了相位调谐方式各部件的温度漂移导致的误差；在运行的过程中不需要经常手动矫正相位设定值。

4、本发明采用滑模控制算法，控制模型随着高频系统启动阶段的温度变化而变化，所以在启动时即可投入闭环，不需要长时间拷机。

附图说明

图1是本发明实施例的功率调谐方法原理图。

图2是本发明实施例的滑模控制原理图。

图3是本发明实施例的滑模控制腔体调谐整体框图。

图4是本发明实施例的调谐控制器硬件结构。

图5是本发明实施例的滑模控制测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。滑动模态：人为设定一经过平衡点的相轨迹，通过适当设计，系统状态点沿着此相轨迹渐近稳定到平衡点，或形象地称为滑向平衡点的一种运动。

根据本发明的一个实施例，提供一种高频谐振腔调谐方法，该方法包括：

步骤A：通过测量谐振腔的反射功率和入射功率求得归一化反射功率。

假设腔体的输入激励信号为V_fCoS(ω_it)，根据腔体的并联等效电路模型可以得到腔体电压在完全匹配无反射条件下的微分方程：

其中，E为腔体电压；

ε为阻尼系数；

ω₀为腔体自谐振频率；

ω_i为腔体输入信号频率；

V_f为腔体输入信号幅度。

实际工作时，功率源的输出阻抗与腔体的输入阻抗不能完全匹配，一部分输入功率会被反射。反射功电压F(t)＝E(t)-V_fcos(ω_it)，并且引入控制输入u时，上式可以改写为：

上式的解包括瞬态解和稳态解两个部分：

其中，

为瞬态解，

为稳态解。

该式可以看做一个二阶系统，激励向量为：

用X来代表

由于u变化要比F慢得多，可以把它作为常量来处理。通过向量分析法解得F的频域表达式为：

将F(jω)变换到时间域就可以得到F稳态解：

其中，a(u)和

定义如下：

用

和

的和来代替F(t)，式(2)可以重写为：

由于

式(9)的左边可以写为：

合并cos(ω_it)和sin(ω_it)的同类项，结果如下：

因此，式(9)的右边与下式相等

-2V_fcos(ω_it)X，sign(X)＜0 (12)

式(12)和(13)用状态方程

的形式重写如下：

和

测量得到的反射功率η与腔体的反射信号F(t)是不相同的。η是经过滤波器之后得到的信号，与F(t)的关系如下：

η+τη＝F² (16)

其中，τ是滤波器的时间常数。

将F(t)的表达式引入(16)得到：

由于ω_i≥1/τ式(17)中的高频分量被滤除，得到反射功率的稳态值的数学表达式如下：

比较式(7)和式(18)得到：

α(u)＝2η (19)

如图1所示，当

时，反射功率最小。所以，期望的输入

可以表示为：

瞬态控制输入

定义为

它是系统的状态变量，当控制输入接近其期望值

时，反射功率收敛到零。

其中：k为调谐器移动距离与反射功率变化间的比例系数；

u为调谐器移动距离。

归一化反射功率作为最小化的控制参数，可以抵消入射功率和反射功率取样电缆损耗的温度漂移。因为没有温度依赖性，反射功率可以更准确。

步骤B：通过滑模控制算法控制腔体调谐器移动使滑模控制传递函数s＝F(t)-g(t)趋近于0，以实现腔体的调谐。

典型的反射功率测量表明，当输入信号频率ω_i和自谐振频率ω₀相等时，即在

时，腔体的反射功率最小，如图1所示。高频腔的调谐问题可以转化成一个极值控制问题，该控制的目的是找到一个合适的输入u，使反射功率最小。本控制方式是采用滑模控制原理来实现，其原理如图2所示，被控系统的控制律为

1/s表示积分环节；g(t)为外界输入信号，该信号决定了腔体反射功率的衰减轨迹；k为u的积分比例系数。通过移动u使得被控系统输出f(t)趋近于极小值，从而实现调谐。传统的PID控制算法需要较为准确的被控对象模型，不容易满足系统对高性能的要求；而滑模控制算法不需要精确的系统模型，通过改变控制结构使其趋于想要的目标。

如图3所示，为本发明实施例的滑模控制腔体调谐整体框图，本发明所用到的装置包括：功放、定向耦合器、调谐控制器和电机。功放将输入信号放大后通过定向耦合器将入射和反射功率信号分离，并分别进入调谐控制器进行处理。调谐控制器利用滑模控制算法控制电机的转速和方向，使腔体调谐器达到位置u。由于腔体反射功率是腔体调谐器位置u的函数，所以当u发生改变时，腔体反射功率也发生变化，而电机的转速及方向

由控制律函数得到。当通过移动u使s(t)接近0，此时完成腔体的调谐。

如图4所示，本控制方法通过模数变化(A/D)将入射和反射功率信号转化成数字信号之后送入FPGA进行处理。归一化、滑模控制算法等均在FPGA内部实现。滑模控制算法还可以在DSP器件内实现，能够充分发挥DSP的浮点运算的优势，提高数据处理能力。

滑模控制传递函数：

s(t)＝f(t)-g(t)

其中，f(t)为测量得到的归一化反射功率；

g(t)为预定的腔体反射功率的衰减轨迹。

参考函数(腔体反射功率的衰减轨迹)需要满足：

采用的控制律为(改变电机的转速和方向)：

其中ρ为反射功率下降的斜率，k和∈为比例控制设计参数，通过调整这三个参数来实现腔体的稳定调谐。腔体在加功率的过程(0～几百千瓦)中，随着腔体温度的升高，传统的PID算法在这个过程中需要经常改变参数设定，以适应腔体特性的变化；本方法由于是变结构控制法，在加功率之前设定好参数之后，无需再进行调整。

在本实施例中，如图5所示，在ρ＝5，

∈＝0.04时控制方式的测试结果。从测试结果看出在高频系统加功率的过程中，调谐系统在持续调谐腔体，系统的反射功率也在持续降低。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高频谐振腔调谐方法，其特征在于，包括：

通过测量谐振腔的反射功率和入射功率求得归一化反射功率；通过滑模控制算法控制腔体调谐器移动使滑模控制传递函数s(t)＝f(t)-g(t)趋近于0，以实现腔体的调谐，其中f(t)为归一化反射功率，g(t)为反射功率衰减轨迹；

其中，所述滑模控制算法控制腔体调谐器移动包括：调谐控制器利用滑模控制算法控制电机的转速和方向从而使所述腔体调谐器移动；

其中，所述电机的转速及方向

由控制律函数得到，所述控制律函数为

其中k，∈为控制设计参数。

2.根据权利要求1所述的高频谐振腔调谐方法，其特征在于，所述反射功率衰减轨迹参考函数g(t)满足

其中ρ为反射功率下降的斜率。

3.根据权利要求1所述的高频谐振腔调谐方法，其特征在于，将所述入射功率和反射功率信号转化成数字信号，然后将所述数字信号送入FPGA进行处理以执行所述滑膜控制算法。

4.根据权利要求1所述的高频谐振腔调谐方法，其特征在于，所述求得归一化反射功率在FPGA内部实现；所述滑模控制算法在FPGA或DSP器件内部实现。

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