LQR控制器在超导腔低电平系统中应用研究

Application of the superconducting cavities in the accelerator field is expanding rapidly. Stability requirements of the superconducting cavities is growing as the beam dynamics, beam quality and long-term stability of the facility demand. The Low-level Radio Frequency (LLRF) system is responsible for the stability of the amplitude and phase of the accelerating field and frequency of the accelerating cavities. At present, most of the LLRF systems on the accelerators around the world adopts PI controller which belongs to the classical control theory field. It is only used for single-input single-output (SISO) system and very dependent on personal experience, which suffers small stability margin and cannot fulfill optimal control. This project is intended to study the modern control theory and method to replace the traditional PI controller. Based on system identification of the high-Q superconducting cavities using the ‘black-box model’, the state-space function of the controlled system is obtained. The LQR (Linear Quadratic Regulator) controller is designed using Matlab/Simulink toolkit. This is the first study of the LQR controller applied to the LLRF control system of the superconducting cavities. The amplitude and phase stability and the reliability of the control system will be further improved compared with the traditional PI control method.

超导腔在加速器领域应用愈加广泛，加速器物理、束流品质和装置长期可靠性等指标对超导腔稳定运行要求越来越高。低电平系统负责维持加速电场幅度、相位和超导腔频率的稳定性。目前国内外加速器装置上低电平控制系统核心大多是属于经典控制理论的PI控制器，存在只用于单输入单输出系统、稳定区间较小、非常依赖经验和不能实现最优控制等不足。本项目拟研究用现代控制理论和方法代替传统PI控制器的方案，对高Q值超导腔系统进行基于“黑盒模型”的系统辨识获得状态空间方程，采用Matlab/Simulink软件设计相应的线性二次型（LQR）控制器，国际上首次应用LQR控制器到低电平控制系统当中实现超导腔稳定性控制，预期幅度和相位稳定度以及运行可靠性相较PI控制器均会进一步提高。

超导腔是影响加速器稳定运行和束流品质的重要因素，超导腔幅度、相位和频率的稳定性控制由低电平控制系统实现，传统的的低电平控制器都采用PI（比例积分）控制器，存在一定的局限性。为提高低电平控制的精度和可靠性，本项目研究采用现代控制方法中的LQR（线性二次型）控制器代替PI控制器，通过对被控超导腔系统进行建模，用高精度的硬件实现算法控制。项目首先建立了BEPCII直线加速器微波功率源系统（S波段、4us窄脉冲）、次谐波聚束器（UHF波段、50us长脉冲）以及连续波超导腔（L波段）等常见微波加速结构的数学模型和状态方程，采用PI控制器模拟低电平系统应用效果，在窄脉冲模型中，实现将微波相位±5°稳定性降低至±0.5°，与实际运行非常相近。其次研究了采用幅度调制和相位调制两种方式增加能量倍增器或高Q值超导腔加速段幅度和相位稳定区间的方法，通过模拟获得稳定结果，适用于多束团加速等应用。研究了LQR控制器调参方式、参数影响和应用于长脉冲。.研究了超导腔低电平控制的软硬件系统：开发了MicroTCA.4标准的机箱管理控制器、双冗余和电磁屏蔽机箱，软硬件全部实现国产化和自主可控，并应用于低电平控制系统中，基于此研制了射频前端上下变频板卡以及超导腔频率控制背板，用于幅度和相位测量精度可分别优于0.01%和0.01°。.研究结果促进低电平控制系统的自动化、智能化和可维护性，实现超导腔和常温加速腔的高精度控制，提高加速电场的幅度相位稳定性。此外高可靠性的MicroTCA.4低电平控制系统部分核心设备首次实现全国产化，这将推动国内产业链和在其他大科学工程和工业相关领域应用。