（核技术及应用专业论文）基于matlab的合肥光源轨道校正系统的开发及相关物理应用的研究.pdf

甲国科学技术大学砸二匕论文 摘要 摘要 同一些传统的程序设计语言相比，m a t l a b 在矩阵运算方面有着明显的优 势，良好的商业化和通用性使得m a t l a b 能不断吸取最优秀的软件设计思想， 其功能的更新和发展速度是有目共睹的，特别是灵活的数据可视化功能以及用户 图形操作界面设计使得该软件表现出强大的生命力。由于m a t l a b 在上述几个 方面的优势，国外很多加速器已经开展了将m a t l a b 应用习j j j h 速器控制及相关 物理应用研究中。本论文也选择m a t l a b 作为系统开发工具。 合肥光源( h l s ) 是一个专用的同步辐射光源，其电子储存环的能量为 8 0 0m e v 。在储存环中存在多种非理想因素，如磁铁元件的制造误差和安装误差、 高频腔r f 频率的变化等，这些因素使得束流的实际轨道与原来设计的理想轨之 问存在偏差，即所谓闭轨畸变。闭轨畸变通常会引起诸多负面效应，对于同步辐 射光源而言，这些负面效应是极为不利的。因此，必须对束流闭轨畸变进行校正。 本论文在束流闭轨校正的理论基础上开发了基于m a t l a b 的柬流闭轨校正系 统，并改进了响应矩阵的测量方法，以获得比较精确的响应矩阵，而精确的响应 矩阵是进行轨道校正和其它相关物理应用工作的基础。 论文中进行的其它相关物理应用研究如下：( 1 ) 色散函数的测量。色散函 数是表征束流品质的重要参数之一，论文中开发了一个色散函数测量程序，其测 量结果与理论值符合较好。( 2 ) l o c o 的初步应用。l o c o ( l i n e a ro p t i c sf r o m c l o s e do r b i t s ) 是一种拟合储存环光学参数的算法，它根据实测的数据来标定束 流的l a t t i c e 参数和其它参数。合肥光源的储存环在插入w i g g l e r 后束流品质下降， 论文中描述了使用l o c o 进行了l a t t i c e 参数补偿的过程，并给出实际补偿结果。 关键词：加速器、储存环、e p i c s 、控制系统、m a t l a b 、束流轨道、响应矩 阵、闭轨校正、局部凸轨、色散函数、a t 、l o c o 、w i g g l e r 甲国科学技术大学砸二匕论文 摘要 a b s t r a c t a sg e n e r a ls o f t w a r ef o re n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n ，m a t l a bh a sm o r ep o w e r f h ip e r f o r m a n c e i nm a t r i xa l g e b r a ，m a t h e m a t i c a lf l m c t i o nt h a no t h e rp r o g r a m m i n gl a n g u a g e si to f t e n e x t r a c t st h ee x c e l l e n ti d e a so fs o f t w a r ed e s i g nf o r t h eg o o dc o m m e r c i a l i t ya n d g e n e r a l i t yt h eu p d a t es p e e do fm a t l a b i sf a s ta n di ts h o w sp a r t i c u l a r l yv i r t u ew i t h t h ef l e x i b i l i t yo fv i s u a l i t ya n dt h eg u id e s i g n a sa l ls u p e r i o r i t ya b o v e ，i nf o r e i g n a c c e l e r a t o rl a b ，m a t l a bw a su s e di nt h ef i e l ds u c ha sa c c e l e r a t o rc o n t r o la n dh i g h l e v e la p p l i c a t i o n s f o rt h es a m er e a s o n ，m a t l a bi sc h o s e na st h ed e v e l o p m e n tt o o l i nt h i st h e s i s h e f e il i g h ts o u r c e ( h l s ) i sad e d i c a t e ds y n c h r o t r o nr a d i a t i o ns o u r c e ，i th a sa n 8 0 0m e ve l e c t r o ns t o r a g er i n gi nt h es t o r a g er i n g ，t h ea c t u a lb e a mo r b i ti sd i f f e r e n t f r o mt h ed e s i g nb e a mo r b i t ，w h i c hi sc a l l e dt h ed i s t o r t i o no fc l o s e do r b i t ，d u et om a n y n o n i d e a lf a c t o r ss u c ha si n a c c u r a c i e so fm a g n e t sm a n u f a c t u r ea n dm i s a l i g n m e n t ， i n s t a b i l i t yo fr f , a n ds oo n t h ed i s t o r t i o nu s u a l l yc a u s e sm u c hb a de f f e c tw h i c hi s v e r yb a dt os y n c h r o t r o nr a d i a t i o ns o u r c e ，s ow em u s tc o r r e c tt h ed i s t o r t i o no fc l o s e d o r b i t i nt h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i s ，w ed e v e l o pt h ec l o s e do r b i tc o r r e c t i o ns y s t e m b a s e do nm a t l a ba f t e rt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yi s i n t r o d u c e d ，s i m u l t a n e o u s l y i m p r o v i n gt h em e t h o do fm e a s u r i n gr e s p o n s em a t r i xt og e tm o r ep r e c i s er e s p o n s e m a t r i x ，a st h ep r e c i s er e s p o n s em a t r i xi st h eb a s eo fo r b i tc o r r e c t i o na n do t h e rh i g h l e v e la p p l i c a t i o n s i n t h i st h e s i s ，t h eo t h e rh i g hl e v e la p p l i c a t i o n sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w ：( 1 ) d i s p e r s i o nm e a s n r e m e n td i s p e r s i o ni s as i g n i f i c a n tp a r a m e t e rw h i c ha t t r i b u t e st h e b e a mq u a l i t y t h ep r o g r a mf o rm e a s u r i n gt h ed i s p e r s i o ni sd e v e l o p e d ，a n dt h e t h e o r e t i cv a l u eo fd i s p e r s i o ni sc a l c u l a t e du s i n ga t ( a c c e l e r a t o rt o o l b o x ) t h e m e a s u r e m e n tr e s u l tm a t c h e st h et h e o r e t i cv a l u ev e r yw e l l ( 2 ) t h ee l e m e n t a r y a p p l i c a t i o no fl o c o ( l i n e a ro p t i c sf r o mc l o s e do r b i t s ) l o c oi sa na l g o r i t h mf o r d e b u g g i n gt h eo p t i c so fs t o r a g er i n g s l o c oc a nb eu s e dt oc a l i b r a t et h en o r m a la n d s k e wg r a d i e n t si ne a c hq u a d n l p o l ei nas t o r a g er i n g ，a sw e l la st oc a l i b r a t eo t h e r l a t t i c ep a r a m e t e r sa n db e a mp a r a m e t e r sa th l s ，t h eb e a mq u a l i t yg e t sb a dw h e nt h e t i t 甲国科学技术大学砸二匕论文摘要 w i g g l e ri so p e r a t e d ，a n dt h ep r o c e s so fa p p l y i n gl o c ot oc o m p e n s a t et h e l a t t i c e p a r a m e t e ri sd e s c f i b e di nt h et h e s i s i nt h ee n d ，t h er e s u l to fc o m p e n s a t i o nw a sg i v e n k e yw o r d ：a c c e l e r a t o r 、s t o r a g er i n g 、e p i c s 、c o n t r o ls y s t e m 、m a t l a b 、 b e a mo r b i t 、r e s p o n s em a t r i x 、c l o s e do r b i tc o r r e c t i o n 、l o c a lb u m p 、d i s p e r s i o n 、 a t 、l o c o 、 w i g g l e r 第章绪论 第一章绪论 1 1 合肥光源的历史和现状 台肥光源( h e f e il i g h ts o u r c e ，h l s ) 于1 9 8 9 年建成，是我国第一台以真空紫外 线和软x 射线为主的专用同步辐射光源。合肥光源作为专用的第二代同步辐射光源， 整个装置由2 0 0 m e v 电子直线加速器、输运线和8 0 0 m e v 电子储存环组成。从电子枪 发射的8 0 k e v 的电子经过行波加速管加速后能量达至t 2 0 0 m e v ，经过输运线到达储存 环的注入口，注入系统将电子注进储存环，电子在储存环中得到进一步的加速，其 能量达至j j 8 0 0 m e v ，然后储存。电子在储存环中回旋产生同步辐射，其损失的能量 由高频系统进行补偿。束流电子在弯铁和插入元件处发射的辐射光由光束线引出到 实验站，供同步辐射用户研究用【1 1 0 为了进一步提供合肥光源的性能，1 9 9 7 年开始了合肥光源的二期改造工程，其 目标是完善各个子系统，增设光束线站。二期改造工程已于2 0 0 4 年1 2 月完成并通过 验收，机器性能较之过去有了较大的提升，达到了长期、稳定、可靠运行的目标。 通用光源运行模式下，年运行时间6 0 0 0 d 、时，年供光时间不低于4 0 0 0 d , 时，年积分 流强6 0 0 安培小时( 2 1 。 目前在合肥光源中，直线加速器及输运线主要由微波功率源及波导传输系统、 磁铁系统、电源系统、真空系统、控制系统、束流测量系统组成，其布局见图1 1 。 储存环主要包括磁铁系统、电源系统、真空系统、高频系统、控制系统、束流测量 系统等子系统，其布局见图1 - 2 。 中吲科学技术大学硕士论文 第章绪论 图1 - 1 合肥光源直线加速器及输运线布局简图9 图1 - 2 合肥光源储存环布局简图3 2 中国科学技术大学硕士论文 第一章绪论 1 2 基于m a t l a b 韵物理应用程序的提出及意义 加速器控制系统不仅要完成对加速器各子系统设备的控制，而且要满足机器调 柬和机器研究的需要。后者一般称为控制系统中的h i g hl e v e la p p l i c a t i o n ，目u 物理应 用程序，一般由加速器物理组和控制组合作完成。物理应用程序涉及的内容很多， 最基本的如储存环轨道校正、储存环插入元件的l a t t i c e 补偿等，而且物理应用程序的 更新和新程序的开发是不断进行的，以满足机器运行和机器研究不断提出的新要求。 同一些传统的程序设计语言相比，m a t l a b 在矩阵运算方面有着明显的优势， 良好的商业化和通用性使得m a t l a b 不断能吸取最优秀的软件设计思想，其功能的 更新和发展速度是有目共睹的，特别是灵活的数据可视化功能以及用户图形操作界 面设计使得该软件表现出强大的生命力。鉴于m a t l a b 在上述几个方面的优势，在 国外很多加速器中已经开展了j 每m a t l a b 应用到加速器控制及相关物理性能研究 中。 鉴于上述原因，在合肥光源开展基于m a t l a b 的物理应用程序的开发及相关物 理性能研究。 1 3 本论文的内容及本人所做的工作 第二章述说了加速器控制系统的组成及物理应用，简单介绍了e p i c s 系统，比较 详细的描述t m a t l a b 这一程序设计语言的优势，给出了选用m a t l a b 作为开发工 具的理由。最后介绍了，二期工程完成后的合肥光源控制系统现状，及基于控制系 统的物理应用。 第三章描述了基 f m a t l a b 所开发的响应矩阵测量系统，对测量过程和用户界 面做了介绍，列出了测量的结果，并给出了一般的响应矩阵分析方法。 第四章介绍了束流畸变的危害和对束流畸变进行校正的基本方法，描述了在 m a t l a b 环境中开发束流轨道校正系统( 包括全环闭轨校正和局部凸轨校正) 的方 法和具体过程，对用户昴面做了简明的描述。并给出了使用改系统进行轨道校正的 结果。 第五章介绍了色散函数的测量和基于a t 的理论计算，详细介绍t l o c o 的算法、 使用方法以及使用l o c o 在合肥光源储存环进行w 追g l e r 的1 a t t i c e 参数补偿的两种方 ! 型型堂丝查查兰婴兰堡奎 一兰二兰主! 兰一 法，并进行了相应的数值模拟。 综上所述作为基于m a t l b 的合肥光源物理应用程序的一部分，本文基于 m a t l a b 建立了响应矩阵测量系统、束流轨道在线监测系统和束流轨道校正系统， 以及色散测量和分析。并对基于m a t l a b 环境，使用a t 和l o c o 开展进一步的物理 应用做了初步的研究。 本人完成了储存环响应矩阵的测量、储存环轨道校正、色散函数的测量等程序 的开发，并运用a t ( a c c e l e r a t o r t o o l b o x ) 和l o c o ( l i n e a r o p t i c s f r o m c l o s e d o r b i t s ) 完成了在h l s 中进行储存环插入元件的l a 【t i c e 补偿的理论分析、数值模拟和具体实 现。 第二章加速器控制系统及物理应用程序 第二章加速器控制系统及物理应用程序 2 1 加速器控制系统 大型加速器是一个庞大而复杂的系统，它由很多分系统组成，如导向场系统、 加速系统、真空系统、束流测量系统、注入和引出系统等。控制系统的功能就是对 这些分系统实行控制。 由于组成各系统设各的复杂多样，这就决定了控制系统必须有多种硬件接口才 能对它们进行有效的控制。通常这些硬件接口根据机器运行的实际需要，由以下9 类组成：( 1 ) 模拟量的设定，大多采用数模转换器( d a c ) 。需要进行模拟量设定 的设备或控制量有各种磁铁电源输出、高频幅控、冷却水温等；( 2 ) 模拟量的采样， 模拟量的采样一般采用模数转换器( a d c ) 。需要进行模拟量采样的设备或系统有： 各种磁铁电源的输出、束流流强等；( 3 ) 开关量的设置，主要针对各子系统中的一 些控制量，其多为两种或有限的几种状态；( 4 ) 状态量的监测，控制系统中需要实 时监测的一些状态量，如电源的开关状态及各种故障报警等；( 5 ) 电机控制；( 6 ) 视频信号；( 7 ) 时序。时序是加速器的重要系统，它为某些系统的同步或顺序运作 提供依据。如注入过程中电子枪、直线加速器、输运线设备和注入系统的同步或以 一定时间间隔顺序运作，以及r a m p i n g 过程中各磁铁强度的同步增减等。般通过 调整时序信号的脉宽和延迟，来控制时序的特性；( 8 ) 现场总线；( 9 ) 通信网络。 为了对加速器各系统的设备进行控制，控制系统除了需要上述硬件接口，同时 还需要众多的软件支持。控制系统的软件必须具备如下两种功能：基本功能和高级 功能。基本功能是控制系统的基础，也是必要条件。高级功能则是在基本功能的基 础上进行复杂的数据处理和过程控制。基本功能应该完成的任务是：读、写硬件； 对当前数据和状态的保存以及恢复；保存历史数据。高级功能则应该为控制系统提 供如下服务：阈值监测及连锁保护，能够不停地对读取的数据进行监测，将其与闽 值( l i m i t s ) 或模式( p a t t e r n s ) 进行比较，并进行相应的操作；自动控制，利用特 定的控制方法针对某个过程进行自动控制；直观的图形显示；复杂的数据处理功能。 为了能够取得良好的控制效果，大型加速器的控制系统，一般都会充分的引八 中国科学控术大学硕士论文 第二章加速器控制系统及物理应用程序 先进的控制方式和控制规律。包括比较基础的控制规律，如程序控制、顺序控制、 反馈控制、前馈控制，以及比较复杂的控制规律，如最优控制、自适应控制、自学 习控制等。能够实现开环、闭环、在线、离线、实时等多种控制方式。 加速器的各分系统通常分布在一个较大的区域内，这就决定了控制系统的分布 式特点。将控制设备的多台计算机和其他控制器连接起来，则必须通过通信网络。 随着p c 机和工作站的发展，以及以太网技术和互联网技术的成熟，目前大型加速器 的控制系统大都采用“标准模型”，即上层控制系统( 也称为操作员接口) 、控制局 域网和控制器三级结构，在这种“标准模型”里，通信协议大都采用互联网通用的 t c p ( 或u d p ) i p 协议。采用“标准模型”的控制系统是开放的分布式控制系统， 其升级和扩展都比较容易。 2 2 控制系统中的物理应用程序 加速器控制系统不仅要完成对加速器各子系统设备的控制，而且要满足机器调 柬和机器研究的需要。后者一般称为控制系统中的h i g hl e v e la p p l i c a t i o n ，即物理应 用程序，一般由加速器物理组和控制组合作完成。物理应用程序涉及的内容很多， 常见的如下： ( 1 ) 输运线束流轨迹的反馈校正。通过输运线的b p m 测量束流的位置( 有时也 测量轨迹的角度即束流运动的方向) ，然后通过校正线圈校正或调整束流轨迹。 ( 2 ) 储存环束流轨道校正。由于各种非理想因素，造成轨道畸变( 即偏离理想轨 道，或相对于某一轨道振荡) 。通常是利用b p m 测量轨道位置，然后利用校正 铁进行反馈校正，从而消除轨道偏差或振荡。储存环束流闭轨的校正分为局部 校正和全环校正。束流测量系统往往还利用光位置探测器测量x 光的方向，从 而得到束流运动的方向，并在轨道校正时被采用。 ( 3 ) 根据测量的响应矩阵进行储存环线性l a t t i c e 的标定。 ( 4 ) 储存环插入元件的l a t t i c e 补偿。储存环在插入w i g g l e r 或u n d u l a t o r 后柬流 品质下降，应用l o c o ( l i n e a ro p t i c sf r o mc l o s e do r b i t s ) 可以进行l a t t i c e 补偿， 提高束流的品质。 ( 5 ) 在直线加速器的末端利用能谱仪测量束流的能量，然后通过调整r e 加速系 中国科学技术大学砺1 = j t 仑文 第二章加述器控制系统及物理应用程序 统的相位或振幅来校正直线加速器的能量。 ( 6 ) 测量储存环中束流的横同运动的频率u ，然后通过调整四极铁的强度，进行 工作点的校正。 ( 7 ) r a m p i n g 的控制。有一些储存环采用非满能量注入，因此需要进行慢加速。 馒加速的过程就是根据特定随时间变化的曲线| 办同调节各磁铁电源的设值，在 工作点尽可能不变的情况下将束流能量加速到工作能量。 ( 8 )b e a mb a s e d a l i g n m e n t 。在四极铁中心处通过的束流不会因四极铁强度的变 化而改变轨道位置，因此就可以利用局部凸轨的办法移动四极铁处的束流位置， 轨道受四极铁强度变化影响最小时的位置便是四极铁的中心 2 3 e p i c s 简介 e p i c s fe x p e r i m e n t a lp h y s i c sa n di n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m ) 是一种分布式控制系 统开发平台，它最初是由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室( l a n l ) 年【i 阿贡国家实验室 ( a n l ) 等几家实验室为加速器等大型实验装置联合开发的。e p i c s 采用当今世界上 所谓的“标准模式”，在总体上为分布式结构，并在上层操作员接口和下层设备接口 都具有很强的可塑性( f l e x i b l e ) 干o 扩展性( e x t e n s i b l e ) 。由于e p i c s 具有这些特点， 并且其软件是源代码开放的，所以它现在不仅为世界上众多的实验室所采用，广泛 用于加速器、探测器以及天文台等大型实验装置的控制，而且也为一些公司所采用 ( 如波音公司等) 。其合作开发成员不断增加，现己近百家。 其结构上分为三层，即操作员接口( o p e r a t o ri n t e r f a c e 或o p i ) 、局域网( l a n ) 和输入输出控制器( i n p u “0 u t p u tc o n t r o l l e r 或i o c ) 。基于e p i c s 的控制系统的硬件 组成如图2 1 所示： o p i 可以是s u n 、h p 、d e c a l p h a 、s i l i c o ng r a p h i c 等工作站和p c ，支持多种 操作平台，如s o l a r i s 、d e c 、h p u x 、l i n u x 等。i o c 可以是基于v m e 、v x i 、p c i i s a 的控制器，其操作系统可以是v x w o r k s 、u n i x 、w i n d o w s 、r t e m s 、l i n u x ，等。f i e l d l y o 支持c a n b u s 、i n d u s t r yp a c k 、v m e 、v x i 、p c i 、i s a 、c a m a c 、g p i b 、p r o f i b u s 、 b i t b u s 和s e r i a l ( r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 ) 、a l l e n b r a d l e y 、m o d b u s 等。 中国科学技术大学硕二卜论文 第二章加速器拄制系统及物理应用程序 e p i c s 的软件结构也是由三层组成，分别为：c a ( c a c l i e n t ) 、c a 服务器 ( c a s e r v e r ) 和过程数据库( p r o c e s sd a t a b a s e ) ，如图2 - 2 所示。 r 8 1 1 1 0 ea n dl u c a li 0b u s e s ： c o n t r o l n e t ，c a n b u s ，t n d u a r yp a c k ，v m e ，v x ，p c i ， s a c a m a c o p l b ，p r o f i b u s ，b i t b u s ，s i n a i ，a l l e n - b r a d l e y ，m o d b u s ，y o k o g a w a ，0 - 3 e 出e m e d i p 图2 - 1 基于e p i c s 的控制系统的硬件组成 u s e rt o o i s p r o g r a mi n 【e r f a c e s d m m e d m d m 2 1 4 e d m 刖d m a r c h i v ea c c e s s c c + + f o r tr a n j a v a a j ar mh a n d i e t s t r i n t 0 0 1 1 d l m a t l a b m a t h e m a t i c a k n o b m a n a g e r a r c h i v i n g a c l i v e x ，o d e v i s b a s i c s d d s s a d c l p e r l p y t h o n 。“叫channel a c c p s sc l i e n te c a c ) 1 s t a t en o t a t i o nl a n 口，f s q t c o s e c b n s ，【h c o n n e c b o n d a t at r a n s f e r s c o n n e c t l o nd a t at r a n s f e r s i ( c o n n e c t i o n d a t at r a n s f e r s c h a n n e la c c e s ss e r v e rf c a s ) lp or t a b l ec h a n n e la c c e s ss e r v e r ( c a s ) l d be n g i n et y p e sg e n e n cd a t ao e s c l i p t o r a c c a s sl l b a c “v ex d e v i c es u p p o r t a n vd e t a d r i v e rs u p p o r tc h a l 7 1 7 e ia c c e s sc ：i l e n s t e r e la b v i e w ，e x c e l 图2 - 2 e p i c s 软件分布图 8 中国科学技术大学硕士论文第二章加速嚣控制系统及物理应用程序 e p i c s 的o p i 和i o c 是通过c a 防议来进行通信的，c a 采用客户朋务器模式， 为e p i c s 的数据访问提供网络透明的服务。每个i o c 内都有一个c a 服务器，原则 上可以和任意多个c a 客户端程序建立联系。在i o c 和o p i 内都有客户端程序，一 个客户端程序也可以和多个服务器程序建立通信。 c a 客户端程序是通过过程变量( p r o c e s s v a r i a b l e ) 的名字来和相应的i o c 记录 的域建立联系的。每一个客户程序都具有如下几种基本功能：根据过程变量名查找 相应的i o c 并与之建立联系、获取过程变量的值及其相关信息、改变过程变量的值 等。此外客户程序还提供状态变化回调( s t a t ec h a n g ec a l l b a c k ) 的功能，当相应过 程变量的状态发生变化时，系统将回调相应的c a l l b a c k 例程完成相应的处理。 c a 服务器由三部分组成：查找服务器、连接请求服务器和连接管理服务器。 查找服务器主要用于应答c a 客户的查找请求。当查找服务器连接到查找请求时， 它就在本i o c 内查找请求信息中的过程变量，如果找到就做出应答。连接请求服务 器主要接收客户的连接请求并与之建立连接。同时，这些连接又被映像到数据库访 问例程( d a t a b a s e a c c e s s 或d a ) ，从而使得客户获得对应于某过程变量的信息。连 接管理服务器的功能是：当c a 服务器或客户出现故障时，它将告知c a 客户或服 务器。当c a 客户出现故障时，服务器将断开与之的连接。当服务器出现故障时， 客户将在服务器恢复后重新建立连接。 2 4m a t l a b 及其在加速器中应用 2 4 1 m a t l a b 简介1 m a t l a b 的名字由m a t r i x 并h l a b o r a t o r y 两词的前3 个字母组成。它是2 0 世纪7 0 年代后期，时任美国新墨西哥大学计算机系主任的c l e v em o l e r 教授出于减轻学生编 程负担的动机，为学生设计的一组调用l i n p a c k ； r l e i s p a c k 库程序的“通俗易懂”的 接口。经过校际的交流，m a t l a b 很快表现出很大的生命力，并于1 9 8 4 年由几位创 始者成立了m a t h w o r k s 公司，将m a t l a b 正式推向市场。从这时起，m a t l a b 的内 核采用c 语言编写，并且在原有的数值计算功能的基础上增加了数据图视功能。 m a t l a b 以商品形式出现后的短短几年，就以其良好的开发性和运行的可靠性在控 中国科学技术大学硕士硷又 第二章加速器控制系统及物理应用程序 制等领域占据了重要的地位，不断的快速发展使- 得m a t l a b 自2 0 世纪9 0 年代开始已 经成为国际控制界公认的标准计算软件。目前m a t l a b 已经推出了7 1 版本，其速度 能和c 程序的运算速度相比肩，同时提供了融科学计算分析、数据图形可视化、文 字处理等功能为一体的开发环境。尤其是具备强大功能的t o o l b o x 更是为m a t l a b 在多个领域的使用均提供的专业而强大的工具，同时也为自主开发- 与m a t l a b 兼容 的程序提供的友好的接口。 通常情况下m 盯l a b 的典型应用包括以下几个方面：典型的使用包括： 数学和计算： 算术发展模型： 模拟和原型； 数据分析、开发和可视化： 科学和工程图学： 应用发展包括图形用户界面设计。 m a t l a b 系统由五个主要的部分构成： 1 ) m a t l a b 吾言。 这是高阶的矩阵数组语言，带控制流动陈述，函数，数据 结构，输入输出，而且面向目标的编程特点。 o p s 操作符和特殊字符。 l a n g 程序设计语言作。 s t r 舒u n 字符串。 i o f u n 输入输出。 t i m e f u n 时期和标有日期。 d a t a t y p e s 数据类型和结构。 2 ) m a t l a b t 作环境。这是作j 9 m a t l a b n 户或程序编制员的一套工具和设 施。 3 ) 制图这是m a t l a b 制图系统。它为二维上，而且三维的数据可视化，图象处 理，动画片制作和表示图形包括高阶的指令在内。它也为包括低阶的指令在内，允许 你建造完整的图形用户界面( g u i s ) ，m a t l a b 应用。制图法功能在m a t l a b 2 箱中被组织成五文件夹： 中国科学技术大学砸_ _ i = 论文 第二章加速器控制系统及物理应用程序 g r a p h 2 d2 - 的维数上的图表。 g r a p h 3 d 三维的图表。 s p e c g r a p h 专业化图表。 g r a p h i c s 制图法。 u i t o o l s 图形用户界面工具。 4 ) m a t l a b 的数学的函数库。 数学和分析的功能在m a t l a b s i 具箱中被组织 成八文件夹。 e l m a t 初步矩阵，和矩阵操作。 e l f u n 初步的数学函数。 s p e c f u n 专门的数学函数。 m a t f u n 矩阵函数用数字表示的线性的代数。 d a t a f u n 数据分析和傅立叶变换。 p o l y f u n 插入物，并且多项式。 f u n f u n 功能函数。 s p a r f u n 稀少矩阵。 5 ) m a t l a b 应用程序接口( a p i ) 。这是允许写c 、f o r t r a n 语言与m a t l a b 交 互。 2 4 2 m a t l a b 在加速器中应用 同一些传统的程序设计语言相比，m a t l a b 在矩阵运算方面有着明显的优势， 良好的商业化和通用性使得m a t l a b 不断能吸取最优秀的软件设计思想，其功能的 更新和发展速度是有目共睹的，特别是灵活的数据可视化功能以及用户图形操作界 面设计使得该软件表现出强大的生命力。e p i c s 也提供了与m a t l a b 的接v i m c a 。 借助m c a ，m a t l a b 程序可以将过程变量( p r o c e s sv a r i a b l e ) 的名字与相应的i o c 记录的域建立联系，进而实现对设备的控制，这是所有工作的起点。 鉴于m a t l a b 在上述几个方面的优势，在国外很多加速器中已经开展了将 m a t l a b 应用到加速器控制及相关物理性能研究中。如美国的s l a c ( s t a n f o r dl i n e a r a c c e l e r a t o rc e n t e r ) 已经运用m a t l a b 开发了系列的工具，建立了一个比较完整的 中国科学技术式学硕二e 沦卫第二章加速器控制系统及物理应用程序 体系，如图2 3 所示。a c c e l e r a t o rt o o l b o x ( a t ) 是s l a c 的加速器物理小组为模拟 m a t l a b 环境下的粒子加速器和束流输运线而设计的，其目标是s p e a r 3 当前和未 来设计的需要。应该说，当前加速器物理的计算已经发展的比较成熟了，多数为此 开发的软件将注意力往往集中在精练物理细节和提高计算速度，a t 贝j 注重以下两 点：( i ) 提高使用者解决与加速器关联问题的效率， h i g hl e v e lm a t l a ba p p l i c a t i o n s ( s c r i p t sa n df u n c t i o n s ) l m a t l a bm i d d l el a y e r ，ii ， m a t l a bt oe p i c s a c c e l e r a t o rt o o l b o x ( a t ) ( m c a ，l a b c a ，s c a i i i ) ( m o d e l ) _ ， c h a n n e ia c c e s st o 螺s e r v e r a c c e l e r a t o rh a r d w a r e ( s i m u l a t o r ) 图2 3s l a c 实验室软件体系示意图 ( i i ) 简化新的工具的开发( 物理学工作者往往是这些工具的使用者和开发者) 。 a t 大约包含了几十个函数，这些函数可以直接完成对加速器中众多信息的直接读 取、处理和分析，能够完成在线监测、轨道校正等基本的控制任务，以及其他多种 物理性能的研究。从使用的情况来看，m a t l a b 的使用在一定程度上提高了工作效 率，使得某些分析和数学运算变得更加的快捷方便。此外在s l a c ，还为轨道校正 开发了友好的用户界面( 图2 4 ) 。同时l o c o ( l i n e a ro p t i c sf r o mc l o s e do r b i t s ) 的 研究对于加速器性能的进一步挺高有着很重要的意义，s l a c 也m a t l a b 的基础上 开展了这方面的研究( 图2 5 ) 。 中国科学技术大学硕士论r 第二审加迷器控制系统及物理应用程序 图2 4s l a c 实验室轨道校正系统用户界面 图2 5s l a c 基于m a t l a b 进行l o c o 分析的界面 不仅在s l a c ，国外多数加速器实验室都已经积极的结合自身特点开展了相关的 研究，图2 6 、图2 7 分别是日本的k e k ( h i g he n e r g ya c c e l e r a t o rr e s e a r c h 中国科学技术大学硕：忙论文第二：章托迹器控制系统及物理应用程序 o r g a n i z a t i o n ) 和韩国的p a l ( p o h a n ga c c e l e r a t o rl a b o r a t o r y ) 基于m a t l a b 开发 的用户界面。 图2 6 日本k e k 实验室基于m a t l a b 开发的用户界面 图2 7 韩国p a l 实验室开发的用户界面 4 中国科学技术大学硕丁论文 第二肯加罐嚣控制系统及物理应用程序 2 5 合肥光源的控制系统现状 2 5 1 系统硬件 经过二期工程改造，合肥光源的控制系统采用国际加速器控制界流行的软件开 发工具e p i c s 对原有系统进行全面升级和改造。改造后的控制系统由以下9 个子系 统组成： ( 1 ) 电源系统：环主电源、环校正铁电源、环八极铁环斜四极铁电源、w i g g l e r 电源、输运线电源、直线电源、开关铁电源、分析铁电源、速调管聚焦电源、注入 系统脉冲电源、直线调制器脉冲电源 ( 2 ) 真空：环真空、直线输运线真空 ( 3 ) 高频系统 ( 4 ) 高频剔除系统( r f k o ) ( 5 ) 束流测量系统：b p m 系统、环f l a g 、直线f l a g ( 6 ) 联锁保护系统：环联锁保护、直线输运线联锁保护 ( 7 ) 直线微波系统 ( 8 ) 电子枪 ( 9 ) 公用设施：冷却水系统、环境温度监测、供电电压监测等 图2 - 8 是合肥光源控制系统的硬件结构图。采用两台s u n 工作站( 操作系统为 s o l a r i s ) 和若干台p c ( 操作系统为l i n u x ) 作为o p i 。一台p c ( 操作系统为l i n u x ) 提供网页服务。 i o c 以工业p c ( i n d u s t r i a lp c ，i p c ) 为主，个别系统如束流测量系统，采用v m e 系统。i o c 与设备控制器之间采用光电隔离的r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 通讯，在电磁干扰较 强的地方，如速调管走廊，采用光缆传输。使用m o x a 的c 1 6 8 p 串口扩展卡来扩 展i o c 的串口，并开发相应的驱动软件。对有些简单的系统( 如八极铁电源控制系 统) ，i o c 直接控制电源。设备控制器大多采用工业p c 和欧姆龙系列的可编程控制 嚣( p l c ) 。工业p c 系统采用研华系列工控模块，实现各种数字量和模拟量的输入 输出控制。选用的工控模块都带有光电隔离，以避免被控设备对设备控制器的干扰。 控制局域网是一个独立的l o o m 以太网，以保证数据传输的高速和安全。 中国科学技术犬学硕工论文 第二章加速器控制系统及物理应用程序 图2 8 台月e 光源控制系统硬件结构图 2 5 2 系统软件 台肥光源控制系统软件分三个层次：设备控制器部分、i o c 部分、o p i 部分。 2 5 2 1 设备控制器部分 设备控制器有三种：工业p c 、p l c 、单片机。采用梯形图( 1 a d d e rs o f t w a r e p a c k a g e ， l s s ) 对p l c 编程，采用汇编语言对单片机编程。对于用得较多的工业p c ，其软 中国科学技术大学硕! 论文第二章加速嚣控制系统及物理应用程序 件基于实时多任务操作系统v x w o r k s , 由三部分组成：通讯模块、主循环模块和输 入输出驱动模块。图2 - 9 是基于工业p c 的设备控制嚣的软件功能框图。 【0 c1 0 c 通1 盲模块 数据发送模块数据接收梗块 j ， 辩猢p h o 墟 主循环梗块 + 读设备写设备 设备b e 动模块 l j 图2 - 9 设备控制嚣软件功能框图 通讯模块的主要功能是接收