HIRFL-CSR分布式控制研究

本文的日的是研究和解决HIRFL-CSR工程的分布式控制问题。论文在对分布式控制系统关键技术进行研究的基础上，提出了由RFL-CSR分布式控制系统的控制结构，研究了分布式实时系统设计和分布式井行算法，讨沦了嵌入式系统在HIRFL-CSR尺分布式控制系统中的应用，并对当前分布式控制系统中的关键技术进行了研究，给出了HIRFL-CSR从分布式控制系统的一个局部应用实例。论文分为七章，第一章为引言，对HIRFL-CSR工程和分布式控制系统进行了介绍，司时对课题的背景和意义进行了说明。第二章首先介绍了分布式控制系统的雄本思想和基于以太网和Internet的分布式控制系统。第三章介绍了RFL-CS尺分布式实时系统的设计。第四章介绍了分布式并行算法，提出了几个分布式并行算法的模型，并进行了分析和沦证。第五章介绍了嵌入式系统的葵本概念，在分析比较了当前主流嵌入式操作系统的基础上，介绍了嵌入式软件系统在HIRFL-CSR分布式控制系统中的移植和应用。第六章首先介绍了HIRFL-CSR尺分布式控制系统的软件实现，包括系统的层次结构，主要功能模块，以及软件实现中的卞要技术。给出了HIRFL-CSR分布式控制系统的一个局部应用实例。第七章是结束语，首先对HIRFL-CSR分布式控制系统进行了总结，分析了论文的不足和需要进一步研究的问题。整个论文实现了对HIRFL-CSR分布式控制系统的理论研究和设计，对HIRFL-CSR工程的分布式控制和现代工业控制系统的设计具有一定的指导作用。

CSR纵向运动研究

论文对建造中的兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）主环（CsRm）和实验环（CsRe）中束流的纵向运动进行了有针对性的较为详细的研究。首先，作为纵向运动的基础，介绍了加速器物理中纵向运动相关的基础知识，接着推导出同步加速器中束流纵向运动方程，并对纵向运动作了全面的理论分析，在此基础上对CSR内束流的纵向运动进行了计算机模拟研究，得到了高频参数在各过程中变化规律，为高频设备的调试及运行时的参数预置奠定了理论基础。CSRm的主要功能是进行束流的累积加速，从而为实验物理提供高流强、高能量、高品质的重离子束流。由于高频腔频率的范围有限，当HIRFL注入的束流能量较低时，用一次谐波无法对粒子加速。因而针对这一问题，论文对CSRnl内束流的加速过程进行了模拟研究，采用变谐波加速的方式，解决了较低能量下的加速问题。CSRe的主要功能是开展内靶实验和高分辨质量测量。重离子束在CSR工n中加速至中高能引出后剥离成类氢类氦或全裸的重离子注入到CSRe中，此束流具有较高的能量。对于一些特殊的原子物理实验，需要既低能（小于IOMeV／tl）又高离化的重离子束,这就需要在CSSRe中将高离化态的高能重离子束减速到低能，以满足物理实验那要求为因正论文对CSRe内束流的减速过程进行了模拟研究，得到了满足需要的束流。无论对束流加速还是减速都包括连续军的俘获过程，它是影响效率的一个很关键的因素，因而论文还对束流的俘获进行了详细的研究，采用了绝热俘获的方法，提高了加速和减速的效率。论文最后介绍了CSR高频系统、铁氧体及高频腔体测试原理和测试方法，给出了测试结果并进行了分析和讨论。

CSR随机冷却研究

随机冷却是用一个宽带反馈系统对束流进行衰减，位于束流上游的探测器探测到与粒子偏差成正比的电子学信号，这一输出信号经过放大滤波系统后被加到下游的冲击器上，粒子在冲击器上得到正比于偏差的校正，从而达到冷却的目的。随机冷却可以用于粒子储存环任意能区的冷却，尤其是对大动量分散的次级束、高能束、稀有粒子束有其独特的作用，并与电子冷却互补。本论文首先对随机冷却的发展历史及贡献作了叙述，并对国外研究现状以及随机冷却同其它冷却的不同作了描述，继而提出了在HIRFL-CSR上建立随机冷却的重要性、必要性以及条件的成熟性。接着本论文对Schottky噪声信号理论、随机冷却理论（分别在时域和频域下）作了详细的推导和描述，并对-Schoftky噪声诊断和用于随机冷却系统测量和束流稳定性分析的束流传输函数作了一定的分析和讨论。由于探测器和冲击器在随机冷却中起着核心作用，因此也对探测器和冲击器作了一定的研究。最后，也是本论文的核心部分，根据CSR的实际情况，如环的Lattice参数，环上元件布置，现有Sdhottky诊断装置以及资金等，对CSR随机冷却做了初步的设计和优化，用冷却方程和Fokker-Planck方程对CSR随机冷却做了详细的数值模拟计算，得到了最佳带宽、冷却时间、频谱上束流谱密度分布函数随时间的变化，以及在冷却过程中的束流分布变化等值，并且对功率限定情况作了讨论研究表明随机冷却对CSR束流冷却速度很快，冷却效果很好。并对电子冷却和随机冷却做了比较，提出对CSR束流冷却用电子冷却和随机冷却相结合的办法，先用随机冷却粗冷，再用电子冷却精细冷却，这样可以得到更高流强更好品质的束流。本文对具体冷却系统的设计补优代；健滇码运行有重要意义为CSR随机冷却系统的建造做了充分的准备，也为实验数据的分析提供了理论依据。

CSR数字射频系统的同步算法研究与应用

本文要解决CSR控制系统中扮制信号同步传送问题。HIRFL_CSR(Heavy Ion Research Facility at LanKZhou-Cooling StorageRing兰州重离子冷却储存环）是国家九八爪大科学工程之一，它的控制是一个非常庞大而复杂的系统，它由多个子系统构成，各个子系统之间的协调同步是HIRFL-CSR运行的关键，也是HIRFL-CSR从控制系统的核心问题之一。。CSR工程的同步系统包括环内各设备之间的同步，环与门前端务器的同步等等。同步系统的实现应该在保证协调同步的雄础上，还要保证整个控制系统的稳定性，实时性，准确性和抗干扰性。本文的披个解决方案是建立在直按序列扩频通信技术上的。扩频通信系统可以增强控制信一号的抗干扰性，完成f言号的可靠传输。在信号发送端，进行恭带信号的载波调制，然后经过pN码的扩频调制，进入信道传输；在接收端，先进行四码的解扩一，然后进行载波信号的解调，还原为发送端的信号。在整个过程中保证CSI又控制信号的同步，包括载波同步，位同步和群同步。本文主要工作和研究内容是CSR系统中的载波同步传输算法的不开究，设计和实现。主要工作包括（1）不叶究控制洁号在通信算法中的性能，在算法分析的基础上，使用MATLAB实现模拟控制信号通信过程，同时进行传送信号分析和噪声功率分析，测试可行性:(2)在仿真可行的情况下，把整个通信过程全部或者部分写为可以执行的C或者汇编代码，在TMS323C6711DSK板进行程序调试；（3）把可执；行的释序下我到以TrAG为接口白如醚件协尔32C6713DSP模块，实现在CSR系统中控制信号的传送。本文目的是解决控制信号的同步通愉问题，对于该问题的传输分析和同步实现以及提出的下一步研究，在C双控制I具有很重要的意义，同时也对于类似问题的解决有重要价值。

COM组件技术在CSR控制系统中的应用

HIRFL-CSR（兰州重离子冷却储存环）是国家重点实验室之一。CSR控制系统是保证CSR正常运行的重要环节。这样一个大型的控制系统，是由多个子系统分别构成的。在CSR的控制方案中，允许用户通过访问web浏览器并利用COM技术来控制设备和获知设备的当前运行情况。本文描述了一个典型子系统中设备控制的实现。并介绍了COM更高层次的应用，即DCOM技术在分布式领域的应用。一本文首先介绍了Windows编程，Win32应用程序等一些基本的编程知识，并且简单介绍了开发COM组件的开发工具ATL和COM组件的基本概念。其次，介绍了一个具体子系统的软件结构和整体设计。最后详细介绍了DCOM技术的基本结构，和它所提供的一些系统服务。整个论文的工作介绍了CSR控制子系统中COM组件技术的选择理由，并完成了COM组件的程序设计和软件调试。还为以后开发和实现分布式控制系统的控制组件提供了理论基础知识。

总线控制器的设计及其在CSR控制系统中的应用

HIRFL-CSR(兰州重离子冷却储存环)是国家“九五”重大科学工程之一。CSR控制系统是保证CSR正常运行的重要环节。这是一个基于以太网的分布式控制系统，它由两部分组成：总体控制服务器系统和前端控制服务器系统。 本文介绍了应用于CSR前端控制系统中的嵌入式总线控制器。首先介绍了嵌入式总线控制器的硬件设计方案。系统以32位高速双以太网处理器JUPITER为核心。JUPITER是一款低成本、高性能、建立在以太网系统基础之上的处理器。该系统的外阴电路主要包括存储模块、接日模块、总线控制模块。接口模块有RS485、RS232和网络接口电路。其次论述了嵌入式操作系统uClinux的体系结构以及uClinux与标准Linux的不同之处。论文从uClinux的内核结构出发，讨论了源代码的组织结构，概括分析了uClinuxlj勺内存管理、进程管理。最后介绍了uClinujx统的移植方法和应用实现。uClinux移植主要包括引导装载程序、uClinux内核和文件系统三个部分。在引导装载程序的移植过程中，论文重点给出了一种固化引导装载程序的方法；在uClinux内核移植中，讨沦了交叉编译环境l为建立和uClinux内核配置方法，总结了uClinux内核移植的层次结构和具体的移植过程。沦文通过对嵌入式处理器的分析，以及对嵌入式操作系统移植的探讨，展示了嵌入式系统开发的核心技术，对眠入系统的开发应用具有一定的实际意义。

HIRFL-CSR真空测控系统

兰州重离子加速器冷却储存环（HIREL-CSR）真空系统是一个超大型超高真空系统，系统全长约500米，系统由1000多个非标加工工件、真空获得设备、真空计和阀门构成，与各类磁铁、电子冷却、高频、高压静电偏转板等设备相连［1］。兰州重离子加速器冷却储存环的真空要求很高所以我们选用了国外性能比较优秀的泵配合先进的工艺。实现了全环平均真空度达到6X10-9Pa。HIRFL-CSR真空设备有离子泵，分子泵，钦升华泵，阀门，真空计，质谱计等。需要显示和控制的设备为离子泵，真空计，阀门和质谱计。分子泵只在粗抽时使用，钦升华泵为间歇升华，因此不需要监控。我们要对储存环上的每个真空计的读数进行监测，通过对真空计的监测，实现报警，真空系统的连锁和对真空设备采取自动保护措施。本文主要从各种真空设备（真空计、真空泵、阀门）控制等几个方面介绍HIRFL-CSR超高真空控制系统。

SDRAM控制器的设计及其在CSR控制系统中的应用

在国家重大科学工程HIRFL-CSR的控制系统中，高速数据获取单元或非线性过程控制器常用到数据缓冲存储器。采用集成度高、功耗低、可靠性高、处理能力强的同步动态随机存储器SDRAM，是最好的选择。但是，与速度快、控制简单的SRAM相比，SDRAM存储器有复杂的时序要求，需要定时刷新，为此，必须设计SDRAM控制器。为了降低系统成本，采用FPGA技术，并使用VHDL语言设计和实现SDRAM控制器。论文首先介绍了存储器的结构和原理，SDRAM控制器的结构和组成，FPGA技术及其配置方法和VHDL语言的基本概念。随后详细介绍了SDRAM控制器基本结构的建立、符合PC133规范的硬件设计方案和软件的实现。其次，介绍了串口和SDRAM控制器的设计开发平台，并实现对SDRAM存储器的数据读写和刷新。另外，还介绍了与计算机进行串口通信的设计。 最后，介绍了利用FPGA实现DSP与SDRAM的接口电路设计及其在HIRFL-CsR控制系统中的应用。整个论文的工作完成了CSR控制系统中SDRAM控制器的硬件设计和VHDL程序编制、调试。为以后开发和实现控制系统的高速数据获取提供了一个原型。

CSR超高真空排气系统的研究

兰州重离子加速器冷却储存环（HIRfL-CSR）属于国家“九·五”重大科学工程，全长约500m，超高真空系统贯穿整个装置。CSR真空排气系统是超高真空系统的重要组成部分。本论文从CSR真空系统排气系统的选择，排气系统的性能测试以及配置优化，压力分布计算，残余气体分析等多个方面对兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）超高真空排气系统做了研究。计算和实验结果均表明CSR真空系统排气系统的选择配置完全满足3．5X10-gPa的真空度要求。

CSR测量控制网的建立及元件的准直安装

针对cSR元件定位要求高精度，元件数量多，分布范围广的特点，本沦文详细介绍了主环测量控制网的建立过程，以及运用激光跟踪仪测量三维I程控制网的方法，并给出了控制网的测量结果。这种测网方法有别于传统测量学中平面网和高程网相分离的处理办法，在国内加速器准直同行中是没有过的。在元件准直部分，着重叙述了元件准直的思想和方法。通过FidLlcial过程建立元件坐标系以确定靶标点的坐标位置。用激光跟踪仪测量控制网，恢复局部坐标系，移动测量坐标系到元件的理论中心。运用跟踪仪实时监测靶标点的三维坐标值，就可以很方便地调整磁铁的位置。最后用自编软件Best-fit给出调节结果。该方法思想比较新颖，也是我们准直测量组的一个创举。第四章介绍了最佳拟合的理沦依据和计算方法并且给出了Mat 1 abs．3环境下的原代码，我们用最佳拟合的结果来描述磁铁最后的位置。第五章介绍的非接触测量是测量界比较热的研究课题之一，结合我们自己的条件，发展了控制网加全站仪的方法，当然这一方法还有待进一步研究；最后用很少的篇幅介绍了准直测量常用的Insigllt4．O等基本软件。

HIRFL-CSR电子冷却

电子冷却对提高重离子冷却储存环上的束流品质起着至关重要的作用，而电子冷却机制的理论研究，至今尚未完善。本论文的重点就是从理论上修正了电子冷却力的普遍形式，由此对电子冷却过程进行了计算机模拟，首次解决了冷却时间的理论计算问题。冷却时间是设计储存环的束流冷却方案和研究束流某些运动特性的重要物理量，其计算是基于离子所受到的冷却力，但由于冷却力是离子速度的复杂函数，如果再考虑被冷却离子在储存环内的横向与纵向运动特性以及电子束的空间电荷效应等等，冷却时间的解析计算是不可能的。论文通过建立理论模型，编程序作模拟计算，得到了束流发射度和动量散度随冷却时间连续变化的完整图像，模拟结果与德国Heidelberg的重离子冷却储存环TSR上的实验结果一致，这实际上就验证了冷却力的正确性。这项研究成果已发表在国外核心期刊上。 本论文的另一重点是将电子冷却理论研究所得到的结果应用于兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）的设计及其重要过程的模拟中。完成了CSR电子冷却装置的总体物理参数和关键部件——电子枪的设计，并提出了在CSR上采用绝热展开技术；完成了重离子冷却储存环上束流储存寿命的系统研究，从而提出了CSR应具备的真空条件和允许的内靶厚度，并由此得到了CSR准连续束模式下的内靶实验亮度；此外，对CSR重离子束的分辨率极限作了定量的分析。这些研究为CSR的工程设计提供了重要的理论依据。

重离子冷却储存环CSR的校正及动力学孔径研究

本文对设计中的兰州重离子加速器冷却储存环CSR主环（CSRm）和实验环（CSRe）在扰动情况下（即包含各种场缺陷和元件的安装校准误差）的非线性动力学进行了较全面的研究。分析了各种误差对一阶动力学的影响，闭轨畸变及其校正，较大动量分散情况下的色散效应，以及色品和色散的校正；同时，使用李变换的方法，对一个一维的非线性加速器模型进行了数值研究，并对CSRm和CSRe在存在非线性高阶场的情况下的非线性效应以及动力学孔径进行了模拟研究，得到了定性和定量的结果。对CSR的线性耦合效应亦进行了专门的分析。 在最后确定的可容许的一阶场差和安装校准误差的情况下，20次抽样模拟的结果显示，CSRm和CSRe在校正后的闭轨畸变之最大值小于3mm，均方根值小于1mm。采用两组六极透镜对色品及色散效应校正的结果达到了预期的效果；Tune值的移动被控制在足够小的范围内，闭轨随动量散度的偏移亦很小（<3mm）。 对线性耦合的模拟研究显示了由于CSRm和CSRe工作点足够远离一阶差共振线。因此在标称的发射度下，由场缺陷和安装校准误差导致的线性耦合对一阶运动的影响较小。对冷却段的直螺线管的耦合效应进行了补偿，补偿后的耦合效应消失。 在较保守的二极磁铁和四极磁铁的高阶场分量下，较严重的非线性效应仅作用于初始粒子为大振幅的情况，因此，CSRm和CSRe均有足够大的动力学孔径。对Tune值对动力学孔径的影响进行了模拟，在有限的变化范围内，这种影响较弱。此外，对稳定 边界上粒子的混沌运动的特点及粒子的损失机制也进行了研究。

Direct electron communication between glucose oxidase and carbon electrode covered with polypyrrole

Glucose oxidase can be effectively adsorbed onto the polypyrrole(PPy) thin film electrochemically formed on an anodized galssy carbon electrode(GCEa). Direct electron communication between the redox of GOD and the modified electrode was successfully achieved, which was detected using cyclic voltammetry. GOD entrapped in PPy film still remained its biological activity and could catalyze the oxidation of glucose. As a third generation biosensor, GOD-PPy/GCEa responded linearly up to 20 mM glucose with a wider linear concentration range.