Способ диагностики параметров пучка циклического ускорителя заряженных частиц Советский патент 1988 года по МПК H05H7/00 

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано при разработке систем контро- |ЛЯ параметров пучка как в процессе проведения экспериментов, так и при работах по наладке циклических ускорителей.

Целью изобретения является повышение точности и расширение функцио- нальных возможностей способа.

На фиг. 1 изображена функциональная блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - графические результаты об- работки согласно предлагаемому способу изменения по времени коэффициента X заполнения орбиты микросгустками заряженных частиц при нестабиль ном протекании от цикла к циклу ус- корения процесса захвата пучка в режим синхронного ускорения.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит измерительный контур 1, включающий, например, магнитоиндукционный датчик пучка, экспоненциально сглаживающий ведущий фильтр-усреднитель 2 с адаптивно регулируемым параметром сглаживания ot; 1/п, блок 3 вычисления при заранее выбранном для данного ускорителя фиксированном параметре сглаживания 1/Пд экспоненциально взвешенной ошибки сигнала прогноза по пучку, блок 4 вычисления скользящей оценки среднеквадратического отклонения экспоненциально взвешенной при фиксированном параметре l/Hj, ошибки сигнала краткосрочного прюгноза по пучку, блок 5 деления, блок 6 сравнения модулей входных сигналов, соединенный информационным выходом с синхровходом ведущего экспоненциально сглаживающего фильтра-усреднителя 2, программируемый блок 7 постоянной памяти, соединенный адресными входами с разрядными выходами счетчика 8, блок 9 формирования управляющего воздействия для подстройки параметров измерительного контура 1, исполнительный элемент 10 цепи настройки измерительного контура 1, блок 11 синхронизации, соеди- неиньй командным входом с входной управляющей шиной 12 таймерных импульсов ускорителя, а информационным выходом 13 со счетным входом 14 счетчика 8, соединенного разрядньми выходами с управляющим входом адаптив

Q

0

5 5

0

5

0

5

0

ного регулирования параметром сглаживания (т.е. объемом скользящей выборки) oi, 1/П; ведущего экспоненциально сглаживающего фильтра-ускорителя 2, выходную информационную шину 15 экспоненциально взвешенного скользящего среднего значения сигнала прогноза для подстройки по пучку параметров соответствующей системы ускорителя и информационный выход 16 сглаженных оценок контролируемого параметра пучка.

После каждого получения на информационном выходе 16 измерительного контура 1 сглаженного (за М последних циклов ускорения) отсчета измеренного параметра пучка формируют (на выходной информационной шине 15) сигнал краткосрочного прогноза по пучку, по которому перестраивают измерительный контур 1 на ожидаемую (для последующих М циклов ускорения) величину контролируемого параметра пучка. Указанную перестройку настройки измерительного контура 1 производят в паузах между циклами ускорения с помощью цепи обратной связи, образуемой блоками 9 и элементом 10. При этом управляющий сигнал обратной связи для подстройки по пучку самого измерительного контура 1 получают с помощью фильтра-усреднителя 2 в виде экспоненциально взвешенного скользящего среднего значения для N. последних сглаженных отсчетов измеренного параметра пучка.

В частности, для рассматриваемого примера одномерной реализации способа, предусматривающего использование инерционности свойств циклического ускорителя как объекта управления, в большинстве практических случаев, т.е. в условиях малой априорной информированности о характере дрейфа режима работы соответствующей подсистемы ускорителя, достаточным оказьшается формирование сигнала точечного прогноза по пучку, на один шаг вперед непосредственно в виде экспоненциальной средней первого порядка согласно рекуррентному соотношению

(;, Т, -ь (Т -Н сч;;)Е;.,к(0

где UJ - сглаженный i-й отсчет контролируемого параметра пучка (i 1,2,...), полученньй

в контуре 1 в результате усреднения непосредственно измеренных (или/и аппроксимированных после соответствующего цензурирования выборки) оценок контролируемого параметра пучка за М последних ускорения. Величины Е,,, ч. и , имеющие ту же размерность, что и измеряемый параметр ic , представляют собой рекуррентные точечные оценки ожидаемых значений контролируемого параметра пучка 1C дпя М последних и соответственно для М последующих циклов ускорения, а варьируемый параметр Di-, 1/п; экспоненциального сглаживания представляет собой варьируемую постоянную времени Г-Тр Мп; интегратора, где Т - продолжительность времени одного полного цикла ускорения на данной машине.

Заранее выбираемый параметр Т М представляет собой дискретный временной масштаб получения равноотстоящих во времени (благодаря цериодичнос- ти работы циклического ускорителя) сглаженных отсчетов ic контролируемого параметра пучка, по адаптивно варьируемому числу N- 2п; - 1 последних сглаженных отсчетов которого экстраполируют на один Т М шаг вперед ход неизвестной кривой регрессии для низкочастотной составляющей дрейфа в настройке соответствующей системы ускорителя. В результа- те подчиняющаяся статическому разбросу кривая 1 на фиг. 2 преобразуется в кривую 2, характеризующую изменение коэффициента заполнения орбит во времени. Точки 3 на фиг.2 отображают отклонения реакции сигнала прогноза по пучку по сглаженной кривой 2 при изначальном принятии более высокого значения уровня значимости Q г Аоп « того же измерительного контура контролируемого параметра пучка.

Экстраполяцию кривой регрессии на один шаг вперед каждый раз производят с заранее выбранной для данного измерительного контура 1 доверительной вероятностью Р„ 100(1 - - 2Q.gj, ) % согласно исходному для предлагаемого способа условию

Q , ,

0

5

Д,оп

где Q - максимально допустимьй для i-й перестройки измерительного контура 1 уровень значимости при классифика- ции Ыд последних ошибок сигнала прогноза по пучку по тесту стационарности: Q Поп априорная оценка минимально допустимого (Рдоп Q)

дпя данного измерительного контура уровня значимости для классификации контролируемого параметра пучка по двустороннему тесту стационарности.

Таким образом определяют тенденцию изменения или расстройки соответствующей системы ускорителя, влияющих Q на контролируемый параметр. Соответственно, при усилении выявляемой на участке наблюдения из N последних сглаженных отсчетов измеренного параметра пучка тенденции к дальнейше- 5 му отклонению низкочастотной (кривая 2 на фиг. 2) составляющей дрейфа в настройке соответствующей подсистемы ускорителя от принятой для нее, в частности, по соотношению (1) пос- Q тоянной модели, в еще большей степени ослабляют память формируемого сигнала Е; х краткосрочного прогноза по пучку к предыстории контролируемого процесса.

Это выражается в том, что при формировании очередной оценки учитывают меньшее число последних сглаженных отсчетов измеренного параметра пучка (N ; N-,, ) путем соответствующего адаптивного увеличения параметра экспоненциального сглаживания oi; 1/п;, имея при этом в виду, что экспоненциальная средняя первого порядка по соотношению (1) дает величину, близкую по глубине своей памяти к равномерно взвешенной скользящей средней на объеме выборки из N- 2п; - 1 последних членов полученного временного ряда X; ,%,-.,, ic-, ... для 0 сглаженных отсчетов измеренного параметра пучка.

Аппаратурно процедура предложен- ной самонастройки измерительного контура контролируемого параметра 5 пучка в условиях нестационарного режима работы циклического ускорителя заряженных чистиц реализуется следующим образом.

0

После каждых М циклов ускорения блоком 3 (фиг. 1) в соответствии с рекуррентным алгоритмом .(1) при заранее выбранном фиксированном значении параметра сглаживания oij, 1/п, где п, 0,5(NO + 1), вычисляется обновленное значение EJ i K. экспоненциальной средней первого порядка Е; ь к:1 о6оДХ;+ (1 -«Lo)Ei, й-к; Для последовательности ошибок сигнала прогноза по пучку АХ; , определенным соотношением

Alt; % - Е;., ч. .

(2)

Затем в блоке 4 производится прежде всего приведение вычисленной по соотношению (2) текущей i-й ошибки &%; сигнала прогноза к нулевому сред нему значению, т.е. определяется модуль центрированной ошибки прогноза ПО пучку согласно соотношению S, 1 АТС; - Е., дтсЗ/ . где величина E;,uit3 представляет собой хранимое в блоке 3 в течение последних М циклов ускорения значение экспоненциально сглаженной ошибки сигнала прогноза по пучку, вычисленное к моменту (i - 1)-й перестройки измерительного контура 1.

После этого полученный модуль центрированной ошибки , прогноза по пучку подвергается в блоке 4 экспоненциальному сглаживанию снова при фиксированном значении параметра сглаживания ос, 1/По согласно рекуррентному алгоритму Е,5 oio-Si + + (1 -oio)Eu, 5 , где Е ,-, представляет собой хранимое уже в блоке А в течение М последних циклов ускорения значение экспоненциально сглаженной центрированной абсолютной ошибки сигнала прогноза по пучку, вычисленное к моменту (i - 1)-и перестройки измерительного контура 1. При этом предусматривают, что вычисленная в блоке 4 экспоненциальная

средняя Е; 5 с точностью до наст- рпечного множителя - Jlf7T

ью до

лПГ7Г.

HNg/(Ng - 1) характеризует по сред- немодульному критерию чисто случайную среднеквадратическую ошибку G; прогноза по пучку на скользящей выборке из NO последних сглаженных отсчетов ТС; измеренного параметра пучка, т.е. Е; 8 «СГ;, причем ° априорная оценка минимальной среднеквадратической ошиб

ки измерения контуром 1 контролируемого параметра пучка при стационарном режиме работы ускорителя, которая, в свою очередь, предопределяет выбор надлежащего значения N.

Таким образом, после каждых М циклов ускорения на информационном выходе блока 5 деления модулей входных сигналов формируется скользящая оценка S; I Е; Е; 5 / . Соответственно, классификация по тесту стационарности полученной скользящей оценки S; производится с помощью блока 6 сравнения по двустороннему критерию Стьюдента с (N - 1) степенями свободы:

.5-

Е,йх1 I t(Qi. (N,- о

Ё,U

где , (NO - 1)j - заранее записанные в блок 7 постоянной памяти значения Q- - процентных критических точек t-распределения Стьюдента с фиксированным числом N - 1 степеней свободы при варьируемых по индексу j различных уровнях значимости Q-, причем дпя всех j 1, 2, ...,R величина Qj Q доп Здесь R - число адресов у блока 7, поскольку согласно проводимому тесту стационарности после каждых М циклов ускорения из заранее выбранной последовательности различных значений , (Np - Oj каждый раз ищется та наименьшая

t; Q;. (м„ - 1) UUU IОкриАЛИН J

тическая точка доверительного интервала, для которой условие (3) все еще выполняется.

Как только после каждых М циклов ускорения блоком 6 фиксируется выполнение условия (3), производится блокировка дальнейшей выработки блоком 11 тактовых импульсов, под- считьюавшихся адресным счетчиком 8. Сформированньй к этому моменту времени двоичньй код с разрядных выхо-- дов адресного счетчика 8 поступает на управляющий вход адаптивного регулирования параметра сглаживания oi; 1/п, сглаживающего фильтра усреднителя 2. В результате на информационном выходе 15 формируется на основе учета N ; последних сглаженных отсчетов Ч; - К + 1 (где К 1,2,... N;) очередной i-й сигнал краткосрочного прогноза по пучку, значение

которого дает точечную оценку ожидаемой для последующих М циклов ускорения величины контролируемого параметра пучка с максимально допустимой для данного измерительного контура 1 доверительной вероятностью Р (1 - 2рд„п). При этом оптимальную глубину памяти к предыстории режима работы соответствующей подсистемы ускорителя, т.е. искомое значение N ; 2п , - 1, выбирают как

вания резонансных свойств магнито- индукционных с обратной связью датчиков амплитуды или формы ускоряемого пучка путем оптимизации после каждых М циклов ускорения глубины заводимой на датчик отрицательной обратной связи для повышения точности и помехозащищенности измерений,

Формула изобретения

Изобре ение относится к ускорительной технике. Способ диагностики параметров пучка (П) циклического ускорителя заряженных частиц включает измерение параметров П с помощью измерительного контура (ИК), получение сглаженных отсчетов измеренного параметра за выбранное для данного ускорителя число последних циклов ускорения, при этом после получения каждого сглаженного отсчета в паузах между циклами перестраивают ИК на ожидаемую величину контролируемого параметра П, которую находят в виде экспоненциально взвешенного скользящего среднего значения последних сглаженных отсчетов,, число которых при последующей перестройке ИК на ожидаемую величину уменьшают при усилении сложившейся к этому моменту времени тенденции отклонения (ТО) сглаженных отсчетов измеренного параметра от ожидййше- горя значения для каждого из них и увеличивают при ослаблении этого отклонения, а контроль ТО осуществляют по двухстороннему тесту стационарности для выбранного фиксированного объема скользящей выборки из ошибок прогноза для последних сглаженных отсчетов измеренного параметра П. Повышается точность измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил. с « (Л САЗ СО СО

то наибольшее значение Njj „акс из наперед заданных Р дискретных значений NJ, для которого N; N:, дддкс все еще может соответствовать условиям

N, N

(2п

мин

. . (N, - 1)

,, (No - о

- -N«, .

(4)

20

ляет собой Q дд„-процентный предел доверительного интервала по распределению Стьюдента с N; - 1 степенями свободы, подбираемыми для выполнения указанных условий, а величина мич (2п - 1) - априорная оценка минимально допустимой для данного измерительного контура величины безразмерного дискретного временного масщтаба для сглаживания неконтролируемой высокочастотной составляющей дрейфа (измеряемого) параметра

30

35

перестраивают измерительный контур на ожидаемую величину контролируемо- го параметра пучка, которую находят в виде экспоненциально взвешенного скользящего среднего значения последних сглаженных отсчетов, число которых при последующей перестройке измерительного контура на ожидаемую величину уменьшают при усилении сложившейся к этому моменту времени тенденции отклонения сглаженных отсчетов измеренного параметра от ожидавшегося значения для каждого из них и увеличивают при ослаблении тенденции этого отклонения, а контроль тенденции отклонения осуществляют по двустороннему тесту стационарности для выбранного на данном ускорителе фиксированного объема скользящей выборки из ошибок прогноза дпя последних сглаженных отсчетов измеренного параметра пучка, при выполнении следующих условий:

где ai

макс

1/п

мин

- максимально допустимая величина параметра экспоненциального сглаживания для формирования сигнала прогноза Е,- тс в условиях невозможности полного удовлетворения условий (4).

Окончательно полученный таким образом сигнал . краткосрочного прогноза по пучку преобразуется блоком 9 по соответствующему для данного измерительного контура 1 закону в управляющий сигнал настройки, по которому с помощью исполнительного элемента 10 в течение последующих М циклов ускорения режим настройки измерительного контура 1 поддерживают соответственно ожидаемой величине контролируемого параметра пучка. Например, при такой самонастройке измерительного контура 1 на ожидаемую величину it;, обеспечивается возможность регулиро 5ав- 25

(4)

20

0

5

0

5

перестраивают измерительный контур на ожидаемую величину контролируемо- го параметра пучка, которую находят в виде экспоненциально взвешенного скользящего среднего значения последних сглаженных отсчетов, число которых при последующей перестройке измерительного контура на ожидаемую величину уменьшают при усилении сложившейся к этому моменту времени тенденции отклонения сглаженных отсчетов измеренного параметра от ожидавшегося значения для каждого из них и увеличивают при ослаблении тенденции этого отклонения, а контроль тенденции отклонения осуществляют по двустороннему тесту стационарности для выбранного на данном ускорителе фиксированного объема скользящей выборки из ошибок прогноза дпя последних сглаженных отсчетов измеренного параметра пучка, при выполнении следующих условий:

0

Q;

N N

QAO.

ЛЛ ИИ - 1

i N

мин

NO

Make ) 0 5N VOIKC

где i - порядковый номер перестройки измерительного контура (i 1, 2, 3 ...), N; - ЧИСЛО сглаженных отсчетов, по которым получают ожидавN Q, on

мую величину контролируемого параметра пучка , заранее выбранное фиксированное (для данного ускорителя число последних сглаженных отсчетов, ошибки прогноза которых подвергают тесту стационарности,

максимально допустимый для данного измерительного контура уровень значимости при классификации ошибок прогноза последних сглаженных отсчетов измеренного параметра пучка по тесту стационарности

априорная оценка минимально допустимого для данного измерительного контура уровня значимости для классификации контролируемого параметра пучка по тесту стационарности;

о наи39990410

«oiKc априорная оценка максимальной для данного ускорителя величины интервала корреляции контролируемого параметра пучка в дискретном временном масштабе получения его сглаженных отсчетов;

априорная оценка минимально 10допустимой для данного измерительного контура величины дискретного временного масштаба для сглаживания неконтролируемой высокочастотной 15составляющей дрейфа контролируемого параметр пучка,

Фи8.1

Фи2.2