Повышение стабильности ВЧ поля в LLRF системе за счёт добавления интегральной составляющей второго порядка в передаточную функцию ПИД-регулятора
Ключевые слова:
стабилизация ВЧ поля, LLRF система, ВЧ тракт, ПЛИС, подавление низкочастотных искажений, ВЧ система циклотронаАннотация
В работе рассматривается задача повышения точности стабилизации амплитуды и фазы высокочастотного поля в системе низкоуровневого радиочастотного управления (LLRF), применяемой в ускорителях заряженных частиц. Показано, что основным источником деградации стабильности являются низкочастотные возмущения, обусловленные пульсациями источников питания, температурными дрейфами и изменением параметров нагрузки. Продемонстрировано, что классическая структура ПИД-регулятора принципиально ограничена в подавлении таких возмущений вследствие компромисса между усилением на низких частотах и запасами устойчивости. Предложена модифицированная структура регулятора с интегральной составляющей второго порядка. Показано, что предложенный подход приводит к увеличению порядка астатизма системы и формированию наклона амплитудной характеристики -40 дБ/декаду в области низких частот, что обеспечивает существенно более эффективное подавление квазистационарных и медленно изменяющихся возмущений. Разработана математическая модель системы управления, отражающая основные динамические свойства ВЧ тракта. Дополнительно предложена нелинейная стратегия управления, основанная на отложенной активации интегральной составляющей второго порядка, которая предотвращает увеличение длительности переходного процесса при сохранении эффективности подавления возмущений. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований показывают, что предложенный регулятор обеспечивает увеличение динамического диапазона и стабильности амплитуды более чем на 20 дБ по сравнению с типичными современными системами, а также снижение среднеквадратичного отклонения фазы не менее чем на порядок. Полученные результаты подтверждают, что введение интегральной составляющей второго порядка в структуру регулятора является эффективным способом повышения точности стабилизации ВЧ сигнала при сохранении устойчивости и робастности системы управления.
Литература
2. Simrock S., et al. Low-Level Radio Frequency Systems // Cham: Springer, 2022. 382 p.
3. Liepe M., et al. A New Digital Control System for CESR-C and the Cornell ERL // Proceedings of the Particle Accelerator Conference. IEEE. 2003. pp. 3347–3349.
4. Shen Y.-B., et al. Impact of feedback loop parameter settings on the stability margin in a double radio-frequency system // Nuclear Science and Techniques. 2025. vol. 36. no. 109. pp. 1–14. DOI: 10.1007/s41365-025-01674-8.
5. Lee Y.-S., et al. Preliminary design study of prototype LLRF system for Korean-4GSR // Journal of the Korean Physical Society. 2023. vol. 83. pp. 640–646. DOI: 10.1007/s40042-023-00849-z.
6. Wang Q., et al. Low-level RF control system for BEPCII upgrade project // Radiation Detection Technology and Methods. 2026. DOI: 10.1007/s41605-026-00658-5.
7. Chen G., et al. Research and development of RF system for SC200 cyclotron // Journal of Physics: Conference Series. 2018. vol. 1067. 082003 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1067/8/082003.
8. Lao C., et al. Fabrication and performance of the digital low-level RF control system for the 1.3 GHz buncher cavity // Proceedings of the International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT). IEEE. 2018. pp. 1–3.
9. Tu X., et al. The analysis of beam stability and improvement of RF system at HUST THz-FEL by digital LLRF // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2021. vol. 1011. 165588 p. DOI: 10.1016/j.nima.2021.165588.
10. Schilcher T. RF applications in digital signal processing // CERN Accelerator School. 2008. pp. 249–257.
11. Duckitt W. A digital low-level radio frequency control system for the particle accelerators at iThemba LABS // Stellenbosch University. PhD dissertation. 2018.
12. Bortolato D., et al. New LLRF control system at LNL. Proceedings of the IEEE-NPSS Real Time Conference (RT). IEEE. 2016. pp. 1–8.
13. Tamura F., et al. Commissioning of the next-generation LLRF control system for the Rapid Cycling Synchrotron of the Japan Proton Accelerator Research Complex // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2021. vol. 999. 165211 p. DOI: 10.1016/j.nima.2021.165211.
14. Fu X., et al. LLRF controller for high current cyclotron-based BNCT system // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2021. vol. 68. no. 10. pp. 2452–2458.
15. Xiong Z., et al. The design of LLRF system for STCF storage ring. Modern Physics Letters A. 2024. vol. 39. no. 40. 2440001 p. DOI: 10.1142/S0217732324400017.
16. Wegmann C.J., et al. FAIR SIS100 accelerating RF system – Modeling and analysis of the coupled LLRF control loops // Journal of Physics: Conference Series. 2024. vol. 2687. 072034 p. DOI: 10.1088/1742-6596/2687/7/072034.
17. Zhang J., et al. A precision LLRF control system for UED // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2021. vol. 1012. 165587 p.
18. Zenker K., et al. MicroTCA.4-based low-level RF for continuous wave mode operation at the ELBE accelerator // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2021. vol. 68. no. 9. pp. 2326–2333. DOI: 10.1109/TNS.2021.3096757.
19. Chao C., et al. Design and performance of the digital LLRF control system for isotope production cyclotron // Journal of the Korean Physical Society. 2022. vol. 82. pp. 139–146. DOI: 10.1007/s40042-022-00641-5.
20. Li X., et al. CSNS-II multi-harmonic LLRF upgrade and commissioning // Journal of Instrumentation. 2024. vol. 19. T10006 p.
21. Li S., et al. Adaptive Feedforward Control Design Based on Simulink for J-PARC Linac LLRF System // Proceedings of the 9th International Particle Accelerator Conference (IPAC). JACoW Publishing. 2018. pp. 2187–2189. DOI: 10.18429/JACoW-IPAC2018-WEPAL017.
22. Vybornov A.S. PIID-controller-SystemVerilog // GitHub. URL: https://github.com/happydispatch/PIID-controller-SystemVerilog-
Опубликован
Как цитировать
Раздел
Copyright (c) Александр Сергеевич Выборнов
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).