CN110705085B - 加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法及系统 - Google Patents

加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法及系统，其特征在于，包括以下内容：1)将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统；2)确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号；3)确定磁合金腔体+功率源的特性系数；4)根据确定的特性系数an，同时考虑静态非线性环节和动态线性环节，对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理，得到预失真后的输入激励信号；5)根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，确定数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制，本发明可广泛用于粒子加速器低电平控制技术领域中。

Description

加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法及系统
技术领域
本发明是关于一种加速器单正弦模式(Barrier Bucket)下高频数字低电平的控制方法及系统，属于粒子加速器低电平控制技术领域。
背景技术
为探索高能量密度物理、原子核存在极限和奇特结构、宇宙中从铁到铀元素的来源等重大前沿科学问题，科研工作者对重离子加速器提供的流强要求越来越高。以高能量密度物理为例，要制备状态均匀、尺度大、存在时间长、能量加载可操控性好的高能量密度物质需要的单束团238U92+的粒子数至少5×1011PPP。然而，传统的Bucket-to-Bucket(纵向接受度)的注入方式由于空间电荷效应所引起的工作点移动会造成束流的缓慢损失。这是强流质子或重离子同步加速器束流堆积所面临的主要问题之一。为得到实验所需的束流流强，移动式脉冲高频(Moving Barrier Bucket)堆积方案正在被研究并运用到加速器系统中。Moving Barrier Bucket电压波形与传统连续波电压波形的不同之处是去掉连续波电压中的若干个正弦波。这样，带电粒子在相空间里的分布就更趋于平坦从而增大了聚束因子，减小了束流的不稳定性，因此使得束流流强得到增加。同时，如果让一个单正弦或方波高频电压的相位在一个回旋周期内移动，还能够对束团进行绝热压缩，将多个束团聚合在一起。实现Moving BB(Barrier Bucket)堆积方案的核心是产生束流累积所需的幅度、相位、周期可变的单正弦或者半正弦电压；这种单正弦或者半正弦电压统称为BB电压。这需要数字低电平系统除能够产生周期、幅度、相位可调并稳定的BB激励电压外还要具备下述两方面功能：1)矫正由功率源和腔体导致的波形畸变，保证腔体产生标准的BB电场；2)强束流负载效应补偿功能，抵消束流感应电场对腔体电场的影响。
BB模式首先是在费米国家实验室(Fermilab)开始发展起来的，为解决束流从反质子散束器(Antiproton Debuncher)传输到累积环(Accumulator Ring)时由于两个环的周长不同而造成的束流损失的问题，研究人员提出采用单正弦电压形成Barrier Bucket的方法来解决。自此，Barrier Bucket在质子或重离子同步加速器中被用来累积带电粒子。费米国家实验室、布鲁海文国家实验室(BNL)和德国重离子研究中心(GSI)等，均开展了BB高频束流堆积实验，并均得到较好的束流堆积效果，验证了BB束流堆积的有效性。但是，以GSI的ESR(Experimental Storage Ring，实验储存环)为例，获得的堆积粒子最高只有5×108PPP，远小于1011甚至1012PPP的强流重离子束要求。在强流束堆积过程中，BB电压波形畸变会对纵向束流动力学产生极大影响，干扰束流堆积。如图1所示，给出了高频电压与Bucket(径向相稳定区)之间的关系，当波形尾部发生振荡时，Bucket发生畸变，在局部形成一个稳定区并俘获部分束流，阻碍束流的平滑散束，引起束流的纵向发射度增长。通过对比图1(a)、图1(c)和图1(b)、图1(d)两组图片发现，当振荡幅度减小时，Bucket的局部稳定区会随之减小。振荡幅度减小有利于束流平滑散束，仿真和实验测得当振荡电压/单正弦峰值电压等于2.2×10-3时，束流的损失约为1％。BB电压的畸变会导致束流的非平滑散束、发射度增长、不稳定性并最终导致束流损失。为保证束流在堆积过程中损失小于10％，正弦电压尾部振荡幅度需要小于
Figure GDA0003892749570000021
(
Figure GDA0003892749570000022
为单正弦峰值电压)，正半周和负半周幅度差小于
Figure GDA0003892749570000023
如图2所示。
然而，现有技术并没有非常成熟的该类数字低电平系统。以GSI的ESR的BB数字低电平系统为例，如图3所示，该系统主要采用四台信号源Tabor 3362来实现，然而，该系统存在下述问题：1)BB电压难以实现脉冲内的反馈控制，只能采用脉冲间的反馈或者前馈控制，控制精度不容易提高；2)BB高频系统(由磁合金谐振腔、宽带固态功率源和BB数字低电平系统组成)的束流负载效应补偿算法复杂；3)BB电压的周期、相位和幅度变化时，BB电压的频谱也会动态变化，系统设计难度大；4)高频系统的动态非线性，不同功率水平下系统具有不同的频率响应。这些难点导致沿用数字低电平领域常用的反馈、前馈控制方法是不能满足系统需求的，且常规的预失真控制方法也无法克服上述难点3)和4)。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种高精度的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法及系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，其特征在于，包括以下内容：1)采用Hammerstein模型，将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统，其中，静态非线性环节为功率源，动态线性环节为磁合金腔体；2)根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电压信号得到的频谱响应曲线，确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号；3)采用最小二乘法，根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号，确定磁合金腔体+功率源的特性系数；4)根据确定的特性系数an，同时考虑静态非线性环节和动态线性环节，对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理，得到预失真后的输入激励信号；5)根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，测量此时磁合金腔体的取样电压信号，并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信号，确定数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
进一步，所述步骤2)的具体过程为：2.1)通过波形发生器进行极慢速扫频，记录波形发生器的输出激励信号Uin(ω)和该输出激励信号Uin(ω)对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，得到BB高频系统的频率响应H(ω)曲线：
Figure GDA0003892749570000031
2.2)以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H(ω)曲线；2.3)根据该数据查找表，对波形发生器的输出激励信号Uin(ω)进行预失真处理，得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。
进一步，所述步骤2.3)中时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号的计算公式为：
Figure GDA0003892749570000032
其中，t为时域下时间自变量；n为傅里叶级数的n次谐波分量；bn，out为第n次谐波分量的系数；ωrep为单正弦信号重复频率；|H(nωrep)|和arg[H(nωrep)]分别为动态线性环节在nωrep处的频谱响应的幅值和相位。
进一步，所述步骤3)的具体过程为：3.1)根据BB高频系统的频率响应H(ω)和磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，计算频域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(ω)：
Unonlinear(ω)＝Uout(ω)·H-1(ω)
3.2)将频域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(ω)转换为时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)；3.3)对于M个采样点的时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)和具有N阶带宽的功率源，采用下述超定矩阵表示时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)之间的关系：
Figure GDA0003892749570000033
其中，
Figure GDA0003892749570000034
为Uin(t)信号的第M次取样值，N为取样值的N次幂，Unonlinear(ω)为Unonlinear(t)信号的第M次取样值；a1，a2，...，an，...，aN为磁合金腔体+功率源的特性参数；3.4)采用最小二乘法，求解上述超定矩阵，得到磁合金腔体+功率源的特性系数a1，a2，...，an，...，aN。
进一步，所述步骤4)的具体过程为：4.1)设置若干查找表，每一查找表的初始值均为y＝x的曲线，其中，y为输出，x为输入；4.2)根据得到的
Figure GDA0003892749570000041
Figure GDA0003892749570000042
的曲线，修改某一查找表的数值，将时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)作为查找表的输入，将时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)作为查找表的输出；4.3)在下一次波形到来时，重复步骤4.2)修改查找表的数值，直至所有查找表均完成赋值；4.4)原输入激励信号Uin(t)通过查找表得到预失真后的输入激励信号，并将其作为低电平控制系统的输出激励信号。
进一步，所述步骤5)的具体过程为：根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，并测量此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)；若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)满足预先设定的取样电压信号，则该输入激励信号即为数字低电平系统的实际控制量；若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)不满足预先设定的取样电压信号，则将该输入激励信号作为仅考虑动态线性环节的输入激励信号，进入步骤3)，直至该输入激励信号对应的取样电压信号满足预设的理想取样电压信号，该输入激励信号即为数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统，其特征在于，包括：BB高频系统简化模块，用于采用Hammerstein模型，将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统，其中，静态非线性环节为功率源，动态线性环节为磁合金腔体；输入激励信号确定模块，用于根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电压信号得到的频谱响应曲线，确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号；特性系数确定模块，用于采用最小二乘法，根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号，确定磁合金腔体+功率源的特性系数；预失真处理模块，用于根据确定的特性系数a1，a2，...，an，...，aN，同时考虑静态非线性环节和动态线性环节，对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理，得到预失真后的输入激励信号；实际控制量确定模块，用于根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，测量此时磁合金腔体的取样电压信号，并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信号，确定数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
进一步，所述输入激励信号确定模块包括：频率响应曲线确定单元，用于通过波形发生器进行极慢速扫频，记录波形发生器的输出激励信号Uin(ω)和该输出激励信号Uin(ω)对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，得到BB高频系统的频率响应H(ω)曲线；数据存储单元，用于以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H(ω)曲线；预失真处理单元，用于根据该数据查找表，对波形发生器的输出激励信号Uin(ω)进行预失真处理，得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。
一种计算机程序，其特征在于，包括计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现控制方法对应的步骤。
一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现控制方法对应的步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用Hammerstein模型，将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统，由于Hammerstein模型不需要统一的表达式，因此简化的BB高频系统的非线性分析能够避免固定的预失真算法导致的二次失真，且由于控制算法迭代进行，能够不断提高BB高频系统的控制精度。2、本发明由于采用Hammerstein模型与自适应迭代学习算法相结合的控制策略，使得控制系统能够适应具有宽带特性、频率响应动态变化和频率响应非线性的系统，可以广泛应用于可应用于生物(医疗)、航天和工业等领域中。
附图说明
图1是现有技术中高频电压与Bucket之间的关系示意图，其中，图1(a)和(b)为单正弦电压尾部振荡幅度不同的腔体加速间隙电压的示意图，图1(c)和(d)为图1(a)和(b)对应的高频Bucket的示意图；
图2是现有技术中Barrier Bucket的电压示意图；
图3是现有技术中GSI的ESR的BB数字低电平系统的结构示意图；
图4是本发明中Hammerstein模型的结构示意图；
图5是本发明方法的原理示意图，其中，UAWG为信号源输入信号；Zamp为放大器元件等效阻抗；Uamp,in为由信号源信号经过50Ω传输线到达匹配负载端的电压信号，该信号与放大器元件输入端耦合产生Uamp信号；Uamp为放大器元件的输入信号，由前者Uamp,in信号通过耦合产生；Zcav为高频腔体等效阻抗；Cgap为板级间电容；
图6是本发明中功率源的非线性实测结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
为提高高电压下BB电压的信号质量，必须考虑非线性效应。功率源被建模为非线性电压控制电压源，其输出阻抗是未知且变化的。由于磁合金腔体内的磁场强度很小，一般为磁合金环饱和磁感应强度的5％。为简化系统分析，认为磁合金腔体的动态效应是线性的。假设低电平系统和功率源输入之间理想匹配，就可以采用Hammerstein模型(哈默斯坦模型)来简化非线性高频系统。如图4所示，BB高频系统的Hammerstein模型分为静态非线性环节(主要是功率源)和动态线性环节(主要是磁合金腔体)两部分。根据Hammerstein模型，可以采用两步法非线性预测控制方法，先对Hammerstein模型的动态线性环节确定中间量预测控制，然后采用查找表求解数字低电平系统的实际控制量。
基于上述原理，如图5所示，本发明提供的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，包括以下步骤：
1)采用Hammerstein模型，将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统，其中，静态非线性环节为功率源，即非线性电压控制电压源，动态线性环节为磁合金腔体，Hammerstein模型是一种处理非线性系统控制的实验模型，其结构如图4所示。BB高频系统由磁合金腔体、功率源和BB数字低电平系统组成。
2)根据BB高频系统的低电平输出激励信号Uin(ω)和磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)得到的频谱响应曲线，确定时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)，具体为：
对于特别小的输入激励信号，多数系统均可以描述为一个在其工作点附近的线性系统，在线性范围内BB高频系统的低电平输出激励信号Uin(ω)、磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)与BB高频系统的频率响应H(ω)之间的关系如下：
Uout(ω)＝Uin(ω)·H(ω) (1)
因此：
2.1)通过任意波形发生器(AWG)进行极慢速扫频(10kHz～80MHz)，记录此时AWG的输出激励信号Uin(ω)和该激励信号Uin(ω)送入磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，通过下述公式(2)即可以得到BB高频系统的频率响应H(ω)，进而得到BB高频系统的频率响应H(ω)曲线：
Figure GDA0003892749570000061
2.2)以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H(ω)曲线。
2.3)根据数据查找表，对AWG的输出激励信号Uin(ω)进行预失真处理，可以认为这一部分仅为动态线性环节，采用下述公式(3)即可以计算得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)即BB高频系统的预测控制中间量：
Figure GDA0003892749570000062
Figure GDA0003892749570000071
其中，t为时域下时间自变量；n为傅里叶级数的n次谐波分量；bn,out为第n次谐波分量的系数；ωrep为单正弦信号重复频率；TBB为单正弦信号自身周期；Trep为单正弦信号的重复周期；
Figure GDA0003892749570000072
为单正弦信号的最大幅度；Sa为抽样信号即Sa＝sinx/x；|H(nωrep)|和arg[H(nωrep)]分别为动态线性环节在nωrep处的频谱响应的幅值和相位。
在不考虑放大器元件的情况下，Hammerstein模型可以看成由低电平控制系统的输出激励信号Uin(ω)送入高频腔体作为输入信号经过腔体的频域响应H(ω)得到取样电压信号Uout(ω)。Uin(t)和Uin(ω)是同一信号在时域和频域的不同表示，因此，该信号Uin(t)作为低电平控制系统的输出激励信号同时又是高频腔体的输入激励信号。
3)采用最小二乘法，根据时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)，确定磁合金腔体+功率源的特性系数an。
当激励电压持续增大时，BB高频系统的非线性会越来越明显，如图6所示。测量所有频率点在不同激励幅度下功率源的频率响应，工程上是不具备可操作性的，因此，采用最小二乘法，对Hammerstein模型的静态非线性环节进行辨识。
对于具有N阶带宽的功率源，时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与考虑静态非线性的动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)之间的关系可以采用下式(5)表示：
Figure GDA0003892749570000073
其中，放大器的非线性特性可以表示为非线性输出Unonlinear(t)是由输入激励信号Uin(t)的N阶幂级数多项式组成，因此，N的取值越大则逼近程度越高但运算速度越低；an为磁合金腔体+功率源的特性系数。由于动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)不能从外部测量，因此：
3.1)根据BB高频系统的频率响应H(ω)和磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，计算频域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(ω)：
Unonlinear(ω)＝Uout(ω)·H-1(ω)
(6)
3.2)将频域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(ω)转换为时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)。
3.3)在Hammerstein模型下，时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)经静态非线性环节得到对应的输出信号Unonlinear(t)，即时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)，时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)之间的关系可以采用公式(5)表示，对Uin(t)和Unonlinear(t)这一组波形，取M个采样点，得到超定矩阵，即下述公式(7)：
Figure GDA0003892749570000081
其中，Uin(t)是由低电平控制系统的输出激励信号送入Hammerstein模型中静态非线性环节的输入激励信号，Unonlinear(t)是该Hammerstein模型下静态非线性环节的输出信号也是动态线性环节的输入信号，由Uout(ω)反算得来。
Figure GDA0003892749570000082
为Uin(t)信号的第M次取样值，N为取样值的N次幂；Unonlinear，M为Unonlinear(t)信号的第M次取样值，取样时刻与
Figure GDA0003892749570000083
的时刻相同。
3.4)采用最小二乘法，求解上述超定矩阵(7)，得到磁合金腔体+功率源的特性系数a1，a2，...，an，...，aN。
由于通常M＞N，采用最小二乘法求解上述超定矩阵(7)，得到超定矩阵(7)的最小二乘法的解：
对于一个超定矩阵Ax＝b，A为m*n的矩阵，x为n*1的未知向量，b为m*1的已知向量，则：
①x*是Ax＝b最小二乘解的充要条件是：x*是ATAx＝ATb的解.
②ATAx＝ATb的解存在且唯一，例如求解下式最小二乘解x：
Figure GDA0003892749570000084
Figure GDA0003892749570000085
Figure GDA0003892749570000086
得到：
x1＝3.0403
x2＝1.2418
4)根据确定的特性系数a1，a2，...，an，...，aN，同时考虑静态非线性环节和动态线性环节，对时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)进行预失真处理，得到预失真后的输入激励信号，具体为：
4.1)在将2.3)中得到的时域下输入激励信号Uin(t)送入静态非线性环节前，加入若干查找表，每一查找表的初始值均为y＝x的曲线，其中，y为输出，x为输入。
4.2)根据公式(5)得到的
Figure GDA0003892749570000091
曲线，修改某一查找表的数值，将时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)作为查找表的输入，将时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)作为查找表的输出。
4.3)在下一次波形到来时，重复步骤4.2)修改查找表的数值，直至所有查找表均完成赋值。
4.4)原输入激励信号Uin(t)通过查找表得到预失真后的输入激励信号，并将其作为低电平控制系统的输出激励信号。
5)根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，测量此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，并根据测量的取样电压信号Uout(ω)和预先设定的取样电压信号，确定数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制，具体为：
根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，并测量此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)满足预先设定的取样电压信号，则该同时考虑静态非线性环节和动态线性环节的时域下输入激励信号Uin(t)即为数字低电平系统的实际控制量；若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)不满足预先设定的取样电压信号，则将该同时考虑静态非线性环节和动态线性环节的时域下输入激励信号Uin(t)作为时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)，进入步骤3)，直至得到的同时考虑静态非线性环节和动态线性环节的时域下输入激励信号Uin(t)对应的测量磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)满足预设的取样电压信号，该输入激励信号Uin(t)即为数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
基于上述加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，本发明还提供一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统，包括：
BB高频系统简化模块，用于采用Hammerstein模型，将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统，其中，静态非线性环节为功率源，动态线性环节为磁合金腔体；输入激励信号确定模块，用于根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电压信号得到的频谱响应曲线，确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号；特性系数确定模块，用于采用最小二乘法，根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号，确定磁合金腔体+功率源的特性系数；预失真处理模块，用于根据确定的特性系数an，同时考虑静态非线性环节和动态线性环节，对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理，得到预失真后的输入激励信号；实际控制量确定模块，用于根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，测量此时磁合金腔体的取样电压信号，并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信号，确定数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
在一个优选的实施例中，输入激励信号确定模块包括：频率响应曲线确定单元，用于通过波形发生器进行极慢速扫频，记录波形发生器的输出激励信号Uin(ω)和该输出激励信号Uin(ω)对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，得到BB高频系统的频率响应H(ω)曲线；数据存储单元，用于以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H(ω)曲线；预失真处理单元，用于根据该数据查找表，对波形发生器的输出激励信号Uin(ω)进行预失真处理，得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。
本发明还提供一种计算机程序，包括计算机程序指令，其中，该计算机程序指令被处理器执行时用于实现本发明实施例提供的控制方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，该计算机程序指令被处理器执行时用于实现本发明实施例提供的控制方法的步骤。
上述计算机程序和计算机可读存储介质用于实现前述实施例中相应的控制方法，并具有相应的实施例的有益效果，在此不再赘述。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换或改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，其特征在于，包括以下内容：
1)采用Hammerstein模型，将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统，其中，静态非线性环节为功率源，动态线性环节为磁合金腔体；
2)根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电压信号得到的频谱响应曲线，确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号；
3)采用最小二乘法，根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号，确定磁合金腔体+功率源的特性系数；
4)根据确定的特性系数an，同时考虑静态非线性环节和动态线性环节，对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理，得到预失真后的输入激励信号；
5)根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，测量此时磁合金腔体的取样电压信号，并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信号，确定数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
2.如权利要求1所述的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，其特征在于，所述步骤2)的具体过程为：
2.1)通过波形发生器进行极慢速扫频，记录波形发生器的输出激励信号Uin(ω)和该输出激励信号Uin(ω)对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，得到BB高频系统的频率响应H(ω)曲线：
Figure FDA0003892749560000011
2.2)以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H(ω)曲线；
2.3)根据该数据查找表，对波形发生器的输出激励信号Uin(ω)进行预失真处理，得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)，t为时域下时间自变量。
3.如权利要求2所述的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，其特征在于，所述步骤2.3)中时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号的计算公式为：
Figure FDA0003892749560000012
其中，t为时域下时间自变量；n为傅里叶级数的n次谐波分量；bn，out为第n次谐波分量的系数；ωrep为单正弦信号重复频率；|H(nωrep)|和arg[H(nωrep)]分别为动态线性环节在nωrep处的频谱响应的幅值和相位。
4.如权利要求2所述的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，其特征在于，所述步骤3)的具体过程为：
3.1)根据BB高频系统的频率响应H(ω)和磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，计算频域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(ω)：
Unonlinear(ω)＝Uout(ω)·H-1(ω)
3.2)将频域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(ω)转换为时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)；
3.3)对于M个采样点的时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)和具有N阶带宽的功率源，采用下述超定矩阵表示时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)之间的关系：
Figure FDA0003892749560000021
其中，
Figure FDA0003892749560000022
为Uin(t)信号的第M次取样值，N为取样值的N次幂，Unonlinear，M为Unonlinear(t)信号的第M次取样值；a1，a2，...，an，...，aN为磁合金腔体+功率源的特性参数；
3.4)采用最小二乘法，求解上述超定矩阵，得到磁合金腔体+功率源的特性系数a1，a2，...，an，...，aN。
5.如权利要求4所述的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，其特征在于，所述步骤4)的具体过程为：
4.1)设置若干查找表，每一查找表的初始值均为y＝x的曲线，其中，y为输出，x为输入；
4.2)根据得到的
Figure FDA0003892749560000023
的曲线，修改某一查找表的数值，将时域下动态线性环节的输入信号Unonlinear(t)作为查找表的输入，将时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)作为查找表的输出；
4.3)在下一次波形到来时，重复步骤4.2)修改查找表的数值，直至所有查找表均完成赋值；
4.4)原输入激励信号Uin(t)通过查找表得到预失真后的输入激励信号，并将其作为低电平控制系统的输出激励信号。
6.如权利要求5所述的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法，其特征在于，所述步骤5)的具体过程为：
根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，并测量此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)；
若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)满足预先设定的取样电压信号，则该输入激励信号即为数字低电平系统的实际控制量；
若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)不满足预先设定的取样电压信号，则将该输入激励信号作为仅考虑动态线性环节的输入激励信号，进入步骤3)，直至该输入激励信号对应的取样电压信号满足预设的理想取样电压信号，该输入激励信号即为数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
7.加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统，其特征在于，包括：
BB高频系统简化模块，用于采用Hammerstein模型，将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统，其中，静态非线性环节为功率源，动态线性环节为磁合金腔体；
输入激励信号确定模块，用于根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电压信号得到的频谱响应曲线，确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号；
特性系数确定模块，用于采用最小二乘法，根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号，确定磁合金腔体+功率源的特性系数；
预失真处理模块，用于根据确定的特性系数a1，a2，…，an，…，aN，同时考虑静态非线性环节和动态线性环节，对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理，得到预失真后的输入激励信号；
实际控制量确定模块，用于根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统，测量此时磁合金腔体的取样电压信号，并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信号，确定数字低电平系统的实际控制量，完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。
8.如权利要求7所述的加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统，其特征在于，所述输入激励信号确定模块包括：
频率响应曲线确定单元，用于通过波形发生器进行极慢速扫频，记录波形发生器的输出激励信号Uin(ω)和该输出激励信号Uin(ω)对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout(ω)，得到BB高频系统的频率响应H(ω)曲线；
数据存储单元，用于以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H(ω)曲线；
预失真处理单元，用于根据该数据查找表，对波形发生器的输出激励信号Uin(ω)进行预失真处理，得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)，t为时域下时间自变量。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现权利要求1至6任一项所述的控制方法对应的步骤。
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