在线全局优化射频低电平系统反馈控制参数的方法及装置

本发明是关于一种在线全局优化射频低电平系统反馈控制参数的方法、装置、设备及介质，涉及粒子加速器领域。

背景技术：

1、在粒子加速器中，射频腔体主要用于为粒子束流提供加速场，是加速器的核心部件。束流在射频腔的加速过程中容易受到各种因素的影响，尤其是在超导直线加速器中，偶发因素引起的高q值超导射频系统失稳极易导致束流品质变差甚至束流损失。低电平射频控制系统能够实现射频场的精确调控，是决定束流品质的关键因素。

2、随着微电子和数字芯片技术的飞速发展，新一代粒子加速器装置普遍采用数字化低电平系统（llrf）。其中，数字化比例积分（proportional and integral control，简称pi控制）控制器因具备结构简单、模型无关、适应性好及可靠性强等优点，被广泛应用于加速器数字化低电平系统。pi控制的一个应用难点是参数整定困难。传统的pi参数整定方法多强调动态指标，例如：阶跃响应的上升时间、峰值时间、环路超调等；或者根据传递函数数学模型计算环路参数（例如截止频率、增益裕度、阻尼比），进而结合工程师经验完成参数整定。然而，在射频低电平领域稳态下腔压信号的稳定性直接关系到束流的纵向指标（例如束流能散等），是粒子加速器的核心需求。传统整定方法并没有充分考虑这一因素。此外，射频环路通常包含多种非线性因素（例如：非线性的射频功率源系统、非线性的洛伦茨失谐等），基于传递函数的线性模型的整定方法也不再适用。

3、以德国电子同步辐射研究中心（desy）和日本高能加速器研究机构（kek）为代表的国外先进实验室通常采用二维参数扫描的方式实现pi参数的整定。其基本思路为：预先分别给出p参数和i参数的可调范围；然后固定p参数，依次逐点扫描i参数，记录每一组pi参数下腔压信号的稳定性；增加p参数，依次逐点扫描i参数，记录每一组pi参数下腔压信号的稳定性；如此重复，最终得到一个二维的等高线图，其横坐标和纵坐标分别为pi参数，其等高线上的数据为腔压信号的稳定性。然而，该方法在实际应用中存在一些问题，最关键的困难在于，在某些pi参数下，系统的极点可能会接近复平面的负半轴区域，导致扫描过程出现环路失稳现象。为了消除环路失稳，需要尽量保守的选取pi参数的可调范围，导致扫描出来的二维的等高线图中难以找出全局最优位置。

4、综上所述，pi参数的整定关系到射频场的稳定性以及粒子束流的纵向指标。由于加速器射频系统本身的特殊性，传统的参数整定方法不再适用。现有技术中提出的二维扫描方式在实际应用也面临一些问题，难以锁定最优参数位置，制约了其在粒子加速器领域的全面推广及应用。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，针对上述问题，本发明的目的是提供一种在线全局优化射频低电平系统反馈控制参数的方法、装置、设备及介质，能够有效对pi参数进行整定，不仅可以找到全局最优的pi参数，还能够避免环路失稳现象。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、第一方面，本发明提供一种在线全局优化射频低电平系统反馈控制参数的方法，包括：

4、生成参数和参数的参数扫描网格，其中，为比例增益，为积分增益；

5、使用“s”型路径扫描参数扫描网格获得若干pi参数组合；

6、采集射频腔在每组pi参数下的腔压信号；

7、基于每组pi参数的腔压信号，计算腔压的rms均值；

8、基于腔压的rms均值制作等高线图，基于等高线图获取最佳的pi参数组合。

9、一个可能的实施方式中，生成参数和参数的参数扫描网格，包括：

10、确定参数与参数的边界值；

11、基于确定的边界值，按照设定的原则产生个参数集和个参数集，得到参数扫描网格。

12、一个可能的实施方式中，参数扫描网格为：

13、。

14、一个可能的实施方式中，确定参数与参数的边界值的过程为：

15、参数的边界值的确定过程为：将参数设为0，逐渐增大直至反馈环路因增益过大而发生振荡，将此时的值记为则设置扫描网络的最大值为0.7~0.8倍；最小值应小于的1/50；

16、参数的边界值的确定过程为：参数的最大值设为腔体半带宽 ω0.5的100倍，即，参数 r的最小值 r1设为 ω0.5的1/10~1/2。

17、一个可能的实施方式中，使用“s”型路径扫描参数扫描网格获得若干pi参数组合，具体过程为：从参数扫描网络的左下角的最小参数对( kp1, r1)开始扫描，先保持比例增益 k p1不变，从小到大扫描参数 r；当参数 r扫描至最大值 rm时，此时的扫描参数对为( kp1, rm),下一个扫描参数对为( kp2, rm)，依次进行，完成“s”型扫描路，产生个pi参数组合，具体为：

18、。

19、一个可能的实施方式中，基于每组pi参数下的腔压信号，计算腔压的rms均值，具体过程为：

20、采集的腔压信号 vc采用复数表示为 vc=| vc| e j∠ vc，其中，| vc|为幅度，∠ vc为相位；

21、对于单次测量，幅度稳定性指标和相位稳定性指标的计算公式如下：

22、；

23、其中， n为采集的总数，为第 i次测量的腔压幅度，为第 i次测量的腔压相位，和分别代表幅度和相位的均值，和越小，表明腔压越稳定；

24、对于每组pi参数，进行多次测量并求取平均数获得腔压的rms均值。

25、一个可能的实施方式中，基于腔压的rms均值制作等高线图，基于等高线图获取最佳的pi参数组合，包括：

26、基于不同pi参数组合下的腔压的幅度和相位的rms均值得到一个二维的等高线图，其横坐标和纵坐标分别为参数和参数，等高线上的数据为腔压信号的rms半径；

27、在等高线图总寻找rms值最小的封闭曲线，其中心位置即为最优pi参数，当存在多个rms值相等的封闭曲线时，选取较小的封闭曲线。

28、第二方面，本发明还提供一种在线全局优化射频低电平系统反馈控制参数的装置，该装置包括：

29、参数生成单元，被配置为生成参数和参数的参数扫描网格，其中，为比例增益，为积分增益；

30、扫描单元，被配置为使用“s”型路径扫描参数扫描网格获得若干pi参数组合；

31、腔压采集单元，被配置为采集射频腔在每组pi参数下的腔压信号；

32、rms计算单元，被配置为基于每组pi参数下的腔压信号，计算腔压的rms均值；

33、控制参数获取单元，被配置为基于腔压的rms均值制作等高线图，基于等高线图获取最佳的pi参数组合。

34、第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括：

35、至少一个处理器；以及

36、与所述处理器通信连接的存储器；其中，

37、所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行任一项所述的方法。

38、第四方面，本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行任一项所述的方法。

39、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下特点：

40、1、本发明能够在更广泛的参数范围内进行扫描，从而有效地锁定全局最优的 pi参数组合；同时，通过优化扫描路径和扫描方式，避免了环路失稳现象，确保了系统的稳定运行。

41、2、本发明可以部署在现有数字化低电平系统内部，实现pi参数的在线优化。

42、综上，本发明可以广泛应用于粒子加速器llrf系统的反馈参数优化。