分布式控制的束流路徑自動(dòng)校正方法研究

郭 鑫 蘇海軍 李德明 王勝利 郭洪雷

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

高頻高壓電子加速器作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用輻照源，在輻射加工中得到了大量實(shí)際應(yīng)用。加速器系統(tǒng)包括多個(gè)子系統(tǒng)，其中有高頻機(jī)、高壓硅堆、電子槍、加速管、掃描引出系統(tǒng)、六氟化硫氣體系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、主體機(jī)械裝置等?？刂葡到y(tǒng)就是將各個(gè)子系統(tǒng)相關(guān)的有用信號(hào)匯集在一起，進(jìn)行邏輯判斷，然后對(duì)相應(yīng)的子系統(tǒng)進(jìn)行合理操作，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定地運(yùn)行加速器的目的[1]。

本文中涉及的1.5MeV高頻高壓型電子輻照加速器主要用于核能科學(xué)的材料輻照效應(yīng)研究。在高頻高壓型加速器領(lǐng)域中，縱觀國(guó)內(nèi)幾家加速器廠商的產(chǎn)品，在提高控制系統(tǒng)的控制水平上，有了一些改進(jìn)。但是，針對(duì)其中的主要控制策略之一即束流控制，仍然沒(méi)有突破性的研究成果，依然停留在依靠常規(guī)PID (Proportional-Integral-Derivative)控制甚至手動(dòng)控制的階段，控制效果并不理想，現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)在高頻高壓型加速器束流控制領(lǐng)域的運(yùn)用亟待開(kāi)發(fā)研究。

為滿足性能要求更高的加速器設(shè)計(jì)和使用需求，對(duì)1.5MeV高頻高壓型電子輻照加速器的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。首先是控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，其次是設(shè)計(jì)束流路徑的自動(dòng)校正系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于程序控制的束流自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得加速器的操作和運(yùn)行更加安全可靠。本文中所提出的軟硬件設(shè)計(jì)方案可作為以后此類(lèi)加速器的通用方案。

1 系統(tǒng)描述和設(shè)計(jì)

分布式控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則的新一代儀表控制系統(tǒng)。加速器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式控制結(jié)構(gòu)后，信號(hào)就近處理，減少信號(hào)干擾，容易增加和擴(kuò)展系統(tǒng)功能[2]。

1.1 硬件選型

根據(jù)信號(hào)就近處理的原則設(shè)置各站功能，圖1為分布式控制系統(tǒng)的框圖。

圖1 分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematics of the distributed control system.

具體硬件選型方案如下[3]：

(1) 1#主站(PLC S7-300)

S7-300是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的中型可編程序控制器(Programmable Logic Controller, PLC)，具有模塊化結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置以及性?xún)r(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用在工業(yè)控制領(lǐng)域中。采用 PLC S7-300作為1#主站，實(shí)現(xiàn)加速器控制系統(tǒng)的分布式配置，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，可以與2#、3#子站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；通過(guò)以太網(wǎng)和PC機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。該控制器主要接收輻照廳的安全聯(lián)鎖信號(hào)，所有電源的聯(lián)鎖信號(hào)和控制信號(hào)，執(zhí)行束流開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)束流路徑的自動(dòng)校正程序。

(2) 2#分站(PLC S7-200)

S7-200 是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種小型的可編程序控制器，適用于各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化，具有極高的性?xún)r(jià)比。采用 PLC S7-200作為2#子站使用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，可以和1#主站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。該控制器可以對(duì)高頻機(jī)的相關(guān)信號(hào)做出邏輯判斷，對(duì)高頻機(jī)進(jìn)行高壓的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。

(3) 3#分站(ET200M)

ET200M 是德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)的分布式 I/O擴(kuò)展模塊。采用ET200M作為3#子站使用，該站主要接收加速器廳的安全聯(lián)鎖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)等。

(4) 上位機(jī)(PC機(jī))

位于控制室，作為監(jiān)控界面使用。可以對(duì)加速器進(jìn)行操作，可以顯示加速器運(yùn)行參數(shù)，保存加速器的運(yùn)行數(shù)據(jù)。通過(guò)網(wǎng)線與1#主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

分布式控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面主要包括硬件組態(tài)、通信組態(tài)及PLC程序的編寫(xiě)。硬件組態(tài)和通信組態(tài)在1#主站上通過(guò)西門(mén)子Step7完成，在上位機(jī)PC上通過(guò)Winccfexible設(shè)計(jì)完善的人機(jī)交互界面，PLC程序主要采用梯形圖( Ladder Logic Programming Language, LAD)語(yǔ)言和指令語(yǔ)句(statementlist, STL)，根據(jù)加速器的控制邏輯過(guò)程編寫(xiě)。1#、3#站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能包括加速器的自動(dòng)開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)、手動(dòng)開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)、束流調(diào)節(jié)及束流路徑的自動(dòng)校正、故障報(bào)警、站點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交互等，2#站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的功能包括能量控制、故障報(bào)警以及數(shù)據(jù)交互等。圖2為分布式控制系統(tǒng)主體程序執(zhí)行流程圖。

圖2 主體程序執(zhí)行流程圖Fig.2 Flow chart of the main program.

2 束流路徑自動(dòng)校正策略的研究

在加速器運(yùn)行過(guò)程中，如果束流路徑基本在中心位置，則系統(tǒng)能夠正常工作；如果束流路徑產(chǎn)生偏移，則系統(tǒng)的真空度會(huì)變得很差，這時(shí)就需要調(diào)節(jié)導(dǎo)向電流和聚焦電流的大小，對(duì)束流路徑進(jìn)行校正。研究能夠替代人工完成束流位置的穩(wěn)定控制的束流路徑自動(dòng)校正系統(tǒng)，能夠有效減小加速器出現(xiàn)故障的概率，大大提高加速器的工作效率。如果束流的自動(dòng)調(diào)節(jié)方法能實(shí)現(xiàn)，將使加速器操作更加容易，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)更加完善，加速器系統(tǒng)更加安全。

當(dāng)束流居中運(yùn)行時(shí)，電子束不會(huì)打在芯管的側(cè)壁上。如果束流運(yùn)行出現(xiàn)偏移，電子束可能會(huì)打到芯管的側(cè)壁上，該位置就會(huì)升溫，進(jìn)而引起該位置測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化。為了使束流運(yùn)行軌跡返回居中的位置，可以調(diào)整導(dǎo)向電流的大小，對(duì)束流進(jìn)行調(diào)節(jié)。芯管是加速器束流引出部分口徑最小的部位，也是束流發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)溫度變化最為明顯的部位，因此選擇對(duì)芯管四個(gè)位置的溫度進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)溫度變化異常后，對(duì)導(dǎo)向電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而將電子束的運(yùn)行軌跡調(diào)整到居中位置。

小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種表達(dá)非線性映射的表格系統(tǒng)，它的學(xué)習(xí)只存在線性映射部分，因此可采用簡(jiǎn)單的d算法，另外其收斂速度快，且不存在局部最小值問(wèn)題，因此采用小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制進(jìn)行束流路徑自動(dòng)校正方法的設(shè)計(jì)。

2.1 小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CMAC)

小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Cerebellar Model Articulation Controller，CMAC)是一種表達(dá)復(fù)雜非線性函數(shù)的表格查詢(xún)自適應(yīng)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)算法可通過(guò)學(xué)習(xí)算法改變表格的內(nèi)容，具有分類(lèi)存儲(chǔ)的能力[4]，設(shè)計(jì)方法一般如下：

(1) 量化（概念映射）：劃分輸入空間；

(2) 地址映射（實(shí)際映射）：將概念存儲(chǔ)器地址值映射到實(shí)際存儲(chǔ)器地址值；

(3) CMAC函數(shù)計(jì)算（CMAC輸出）：加權(quán)求和。

圖3為CMAC的原理圖。

圖3 小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.3 Principle scheme of CMAC.

2.2 CMAC-PID控制器

CMAC-PID控制器采用小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID的復(fù)合控制實(shí)現(xiàn)前饋反饋控制：小腦模型神經(jīng)控制器實(shí)現(xiàn)前饋控制，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的逆動(dòng)態(tài)模型；常規(guī)控制器實(shí)現(xiàn)反饋控制，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性且抑制擾動(dòng)[5]。

圖4為CMAC-PID控制器結(jié)構(gòu)圖。

圖4 CMAC-PID控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of the CMAC-PID controller.

該系統(tǒng)的控制算法為[6]：

式中，ai為二進(jìn)制選擇向量；c為CMAC網(wǎng)絡(luò)的泛化函數(shù)；un(k)為CMAC產(chǎn)生的輸出；up(k)為常規(guī)PID控制器產(chǎn)生的輸出。

控制器的總控制輸出由PID控制輸出和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出求和而成，開(kāi)始階段，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出為零，PID輸出即為總控制輸出，CMAC在每一個(gè)控制周期結(jié)束時(shí)計(jì)算相應(yīng)的輸出與總控制輸出進(jìn)行比較，修正權(quán)值，進(jìn)入學(xué)習(xí)過(guò)程。經(jīng)過(guò) CMAC的學(xué)習(xí)，CMAC的輸出控制量逐漸逼近總控制量，而PID控制量逐漸為零。

CMAC的調(diào)整指標(biāo)為：

式中，h為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率，為慣性常量

2.3 具體設(shè)計(jì)

圖5(a)為加速器芯管壁溫度隨導(dǎo)向電流變化的時(shí)間特性曲線，可看出芯管壁溫度隨導(dǎo)向電流的變化即束流路徑的變化是明顯的，可以根據(jù)溫度來(lái)判定束流路徑的相對(duì)位置。圖5(b)、(c)分別是芯管的橫截面圖和芯管橫截面的坐標(biāo)示意圖，測(cè)溫點(diǎn)一、二位于X軸方向，測(cè)溫點(diǎn)三、四位于Y軸方向，四個(gè)測(cè)溫元件貼在外壁上，用來(lái)測(cè)量芯管的溫度。溫度信號(hào)進(jìn)入控制室的溫度變送器模塊中，溫度變送器模塊可以輸出4–20mA的電流信號(hào)，將電流信號(hào)引入到1#主站的PLC中，溫度信號(hào)就進(jìn)入了控制系統(tǒng)。

圖5 芯管壁溫度隨導(dǎo)向電流變化的時(shí)間特性曲線(a)、芯管的橫截面圖(b)和芯管橫截面的坐標(biāo)示意圖(c)Fig.5 Time characteristic curve of the core wall temperature with the current change-oriented (a),layout of the core tube for temperature measurement (b) and schematic diagram of coordinate of the core tube (c).

束流路徑的自動(dòng)校正調(diào)節(jié)系統(tǒng)放在 1#主站中執(zhí)行。X、Y兩個(gè)方向分別使用一個(gè)CMAC-PID控制器進(jìn)行自動(dòng)控制。以X方向?yàn)槔?，采用將X方向一側(cè)的芯管壁的溫度作為 CMAC-PID控制器的輸入，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)向電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)X方向另一側(cè)芯管壁的溫度，使得兩側(cè)芯管壁的溫度在一個(gè)合理差值之內(nèi)，我們即認(rèn)為這個(gè)方向上束流的路徑居中。同時(shí)在兩個(gè)方向上使用 CMAC-PID控制器進(jìn)行控制即可將束流路徑調(diào)節(jié)到芯管中間位置。

圖6為束流路徑自動(dòng)校正程序執(zhí)行流程圖。

圖6 束流路徑自動(dòng)校正程序流程圖Fig.6 Flow chart of the automatic correction of the electron beam path.

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的搭建

在分布式控制系統(tǒng)的驗(yàn)證中，用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)和繼電器對(duì)實(shí)際加速器系統(tǒng)中的數(shù)字輸入輸出變量進(jìn)行仿真驗(yàn)證。另外，實(shí)驗(yàn)室中擁有一套完備的模擬量實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行模擬輸入輸出量方面的驗(yàn)證，可以對(duì)加速器系統(tǒng)中的能量、束流等模擬信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證，該分布式控制系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)加速器的控制。

而在束流路徑自動(dòng)校正系統(tǒng)的驗(yàn)證中，使用調(diào)壓模塊來(lái)調(diào)節(jié)燈泡亮度的用于模擬實(shí)際加速器中芯管四壁的溫度變化，調(diào)壓模塊的輸出電壓的高低對(duì)應(yīng)實(shí)際加速器中電子束流距離芯管壁距離的大小，同時(shí)在燈泡旁邊放置一個(gè)風(fēng)扇用于模擬實(shí)際系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)對(duì)芯管壁的降溫作用。實(shí)驗(yàn)中只需要使用兩個(gè)燈泡來(lái)模擬一組同方向上的芯管壁的溫度變化。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，PID 的參數(shù)選擇如下：P=0.05，I=0.00005，D=0.004，CMAC 的參數(shù)選擇如下：泛化函數(shù)c=5，學(xué)習(xí)速率h=0.1，慣性速率a=0.1，控制程序的執(zhí)行周期為1.5 s。實(shí)驗(yàn)中，每一組實(shí)驗(yàn)都做了常規(guī)PID控制器控制和使用CAMC-PID控制的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，用來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。

第一組實(shí)驗(yàn)為兩種控制方法對(duì)于設(shè)定溫度為固定溫度的溫度控制調(diào)節(jié)的曲線圖，圖7(a)為PID控制器和 CMAC-PID控制器分別控制燈泡表面溫度從26 oC上升至50 oC的調(diào)節(jié)曲線，(b)為PID控制器和 CMAC-PID控制器分別控制燈泡表面溫度從65 oC下降至50 oC的調(diào)節(jié)曲線，從曲線中可以看出幾個(gè)共同的特點(diǎn)：

(1) 常規(guī)PID控制和CMAC-PID控制在調(diào)節(jié)速率上并無(wú)明顯差距；

(2) CMAC-PID控制的超調(diào)量明顯要小于常規(guī)PID控制；

(3) CMAC-PID控制的曲線更加穩(wěn)定，振蕩小于常規(guī)PID控制器。

圖7 溫度上升至固定溫度(a)和溫度下降至固定溫度(b)的調(diào)節(jié)Fig.7 Temperature adjustment of controllers. (a) Rise to a fixed temperature, (b) Drop to a fixed temperature

第二組實(shí)驗(yàn)為兩種控制方法對(duì)于設(shè)定溫度為變化溫度的溫度控制調(diào)節(jié)曲線圖，在這組實(shí)驗(yàn)中，讓一個(gè)燈泡進(jìn)行升溫和降溫的過(guò)程，對(duì)另一個(gè)燈泡分別使用常規(guī)PID和CMAC-PID兩種控制方法進(jìn)行溫度追隨實(shí)驗(yàn)。圖8(a)為常規(guī)PID控制的溫度追隨設(shè)定溫度上升實(shí)驗(yàn)的曲線圖，(b)為 CMAC-PID控制器的溫度追隨設(shè)定溫度上升的曲線圖，(c)為常規(guī)PID控制的溫度追隨設(shè)定溫度下降實(shí)驗(yàn)的曲線圖，(d)為 CMAC-PID控制器的溫度追隨設(shè)定溫度下降的曲線圖。圖8中T2都是設(shè)定溫度，T1為追隨溫度。

圖8 控制器溫度追隨曲線 (a) 常規(guī)PID溫度上升追隨，(b) CMAC-PID溫度上升追隨，(c) 常規(guī)PID溫度下降追隨，(d) CMAC-PID溫度下降追隨Fig.8 Temperature follower of controllers. (a) PID controller following the rise of temperature, (b) CMAC-PID controller following the rise of temperature,(c) PID controller following the drop of temperature, (d) CMAC-PID controller following the drop of temperature

從圖8看出，不管是溫度追隨設(shè)定溫度上升或者是溫度追隨設(shè)定溫度下降，CMAC-PID控制器的兩條曲線貼合更加緊密，可以得出CMAC-PID控制器在變化溫度追隨控制上的性能同樣要優(yōu)于常規(guī)PID控制器。

第三組實(shí)驗(yàn)?zāi)M加速器在束流發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)PID控制器和 CMAC-PID控制器的對(duì)束流的進(jìn)行路徑調(diào)節(jié)的溫度曲線示意圖。在實(shí)驗(yàn)中，給調(diào)壓模塊的輸出電壓一個(gè)突變，模擬實(shí)際加速器芯管的束流位置的偏移。在實(shí)際中，束流路徑偏移時(shí)一側(cè)芯管壁溫度的上升必然伴隨著另一側(cè)芯管壁溫度的下降，設(shè)定兩個(gè)燈泡的調(diào)壓模塊輸出電壓總和為5.9V，即在一個(gè)燈泡的電壓上升時(shí)另一個(gè)燈泡的電壓隨之下降。圖9(a)為 PID控制的曲線示意圖，(b)為CMAC-PID控制的曲線示意圖。

圖9 溫度突變時(shí)控制器的響應(yīng)曲線 (a) 常規(guī)PID控制器，(b) CMAC-PID控制器Fig.9 Temperature curves of controller corresponding to mutation. (a) Conventional PID, (b) CMAC-PID

從圖9可以看出，在有調(diào)壓模塊調(diào)節(jié)電壓突變時(shí)，PID控制器產(chǎn)生波動(dòng)，而CMAC-PID控制器并未出現(xiàn)明顯波動(dòng)，兩側(cè)溫度基本保持在一個(gè)穩(wěn)定的溫度值，這是因?yàn)镃MAC-PID控制器中小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的前饋控制是一種預(yù)測(cè)控制方式，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)的了解，預(yù)測(cè)出下一階段系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。如果與參考值有偏差，那么就提前給出控制信號(hào)，使干擾獲得補(bǔ)償，穩(wěn)定輸出，消除誤差。這種控制方式可以在溫度出現(xiàn)變化時(shí)CMAC-PID控制器立即對(duì)溫度變化做出反應(yīng)，然后再通過(guò) PID的反饋控制來(lái)精確調(diào)節(jié)。可見(jiàn)CMAC-PID控制器可以使芯管壁溫度迅速地回到平衡狀態(tài)，從而有效避免故障的發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，加速器控制系統(tǒng)得到優(yōu)化，能夠滿足性能更高加速器的控制要求；束流路徑的自動(dòng)校正系統(tǒng)只要根據(jù)不同情況改變 CMAC-PID的參數(shù)設(shè)置即可以滿足不同高頻高壓型加速器的控制需要，該束流路徑自動(dòng)調(diào)節(jié)辦法比常規(guī)PID的調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定可靠，可以用于加速器的束流控制，完善加速器的束流引出系統(tǒng)。

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