автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированная система управления дуговым источником многозарядных ионов с подогревным катадом и катодным распылением рабочего вещества

МОСКОВСКИЙ КНЖЕНЕРНО-<1>ИЗИЧЕСКШ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КАСЬЯНОВ Александр Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМ ИСТОЧНИКОМ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ С ПОДОГРЕВНЫМ КАТОДОМ И КАТОДНЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ РАБОЧЕГО ВЕЩЕСТВА

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор В.М. Рыбин, кандидат технических наук, старший научный сотрудник В. Б. Кутнер

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Жданов B.C.

кандидат технических наук Бородулин А.И.

Ведущая организация : Институт физики.высоких энергий

(г. Протвино).

Защита диссертации состоится " Т5 " февраля, 1993 г. в Тй час. 00 мин. на заседании специализированного совета Д053.03.03 в Московском инженерно-физическом институте по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31, тел. 324-84-98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан " " О "У 1993 г. Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь » г .

специализированного совета : \\-QX Г.В. Петров

¡ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Новые научные исследования в области ядерной физики и решение ряда прикладных задач, таких как производство полиядерных фильтров, исследование радиационной стойкости материалов, ионная имплантация в технологии изготовления интегральных схем вызвали необходимость широкого применения ускоренных пучков многозарядных, ионов (МЗИ) различных химических элементов. Для их получения на циклотронах Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ используются дуговые ионные источники (ИИ) РК-типа с подогревным катодом и катодным распылением рабочего вещества. Развитие источников такого типа определяется новыми задачами физики тяжелых ионов, которые требуит не только увеличения энергии (до 100 мэВ/н и выше) уже получаемых пучков, но и повышения интенсивности ионов ( > 1012 с-1) во всем ускоряемом диапазоне, а также получения так называемых "экзотических" пучков радиоактивных изотопов.

Обзор работ по развитию дуговых источников многозарядных ионов (ИМЗИ) с подогревным катодом и катодным распылением рабочего вещества показал, что на сегодняшний день источники такого типа по конструкции и технологии получения ионов достигли при существующих технических ограничениях оптимальных показателей. В связи с этим становится актуальной задача повышения эффективности эксплуатации источника за счет разработки новых методов и средств автоматизированного управления его режимом.

Специфические особенности рассматриваемого объекта управления (ОУ) не дзот возможность использования существующих технических, алгоритмических и программных решений,, в связи с чем требуется проведение специализированных разработок.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обуславливается перспективами использования дуговых Ш, их уникальностью и отсутствием как в нашей стране, так и за рубежом готовых методов и средств решения задачи автоматизации объектов данного' класса. .

. Целью работы являлось разработка и создание на базе микропроцессорного контроллера и микро-ЭВМ автоматизированной системы управления (АСУ) дуговым источником многозарядных ионов с подогревным катодом и катодным распылением рабочего вещества, позво-

лящей решить задачу комплексного автоматического управления

объектом от зажигания дугового разряда до оптимального у правде-» ния током пучка за счет вариации параметров источника.

К защите представляются следующие основные результаты: .,

- критерии автоматического управления те хнологическими процессами получения пучка многозарядных ионов, которые состоят в обеспечении автоматической настройки на заданные значения параметров подогрева катода, дугового разряда и распыления рабочего вещества, а также в обеспечении заданного или максимального тока ускоренного пучка ионов при ограничении на срок службы источника;

- результаты экспериментальных исследований характеристик ИМЗИ циклотрона У-400, которые позволили выявить специфические особенности дугового ионного источника как объекта управления и выработать требования к АСУ объектами данного.класса;

- алгоритмы автоматического управления технологическими процессами ИМЗИ и током ускоренного пучка на базе микропроцессорного крейт-контроллера в стандарте КАМАК, реализация которых позво-

. лила полностью автоматизировать процесс вывода источника на оптимальный режим; . .. "

- тестовая имитационная модель ИМЗИ, на базе которой была провет дена предварительная отладка программного обеспечения (ПО) АСУ;

- структура технического и программного обеспечения стенда для отладаш АСУ ИМЗИ, позволившего в лабораторных условиях выявить большую часть алгоритмических и случайных ошибок ПО и тем самым существешю сократить потери дорогостоящего.эксплуатационного времени циклотрона;

- структуры технического' и программного обеспечения двухуровневой иерархической АСУ циклотрона У-400, выполненные по модульному принципу, позволяющему легко расширять систему при необходимости реализации новых функций контроля и управления;

- методика проектирования АСУ ионных источников, которая описывает последовательные стадии.создания автоматизированных систем

-подобного—класса объектов п. учетом,.,специфики управления их

режимами; . ; \

- результаты опытной эксплуатация АСУ циклотрона ¿'-400 в Лаборатории ядерных реакций ОШИ/ ■

При решении поставленной . в -диссертации задачи-применялись

метода и средства теории автоматического управления нелинейными

объектами, теории оптимального управления, теории моделирования •' и идентификации, использовался опыт проектирования магистрально-модульных микропроцессорных систем.

' Научная новизнаработы. К .наиболее вяленым научным результатам, обладающим новизной, и полученном лично автором , необходимо отнести следующее: . ' X. Впервые. на основе экспериментальных исследований проведен анализ дугового ионного источника с. подогревным катодом и катодным распылением рабочего вещества как' объекта автоматизиро-' ванного управления; определены специфические особенности объекта, обуславливающие сложность управления его режимом. Полученные в результате "анализа данные были положены в основу формулировки, критериев управления и последующей разработки управляющих алгоритмов. ' ,

'¿. Разработана на основе экспериментальных данных имитационная математическая модель дугового ИМЗИ С подогревным катодом, которая включает математическое описание статических,' стохастических и динамических характеристик объекта управления и служит для выбора, обоснования й тестовой отладки алгоритмов к программ автоматического управления источником. •

3. Разработаны алгоритмы автоматического цифрового управления мощностью подогрева катода, параметрами дугового разряда и распыления рабочего вещества алектрода, учитывающие специфичес-

•. кие особенности ионного источника, такие как существенная не-■ линейность и неоднозначность вольт-амперных характеристик, стохастизм параметров, высокая степень вероятности возникновения аварийных ситуаций. . '

4. Предложена методика контроля срыва дугового разряда, основанная на измерении с помощью быстродействующего АЦП средних значений тока дуги на начальном - и конечном•участках импульса, в результате чего удалось исключить случаи полного гашения дуги и срыва режима ускорения пучка.

Ь. Разработан алгоритм оптимального управления' ИМЗИ по крите получения заданного или максимального тока пучка при ограничений на скорость распыления катода и распыляемого электрода, что позволило сократить время вывода источника и циклотрона в целом на оптимальный режим в среднем на и увеличить па 15-срок служба источника.

Практическая ценность работы заключается в том, что впервые

осуществлено как в нашей.стране, так и за рубежом внедрение разработанной микропроцессорной АОУ дуговым Ш на циклотроне У-400 в ЛЯР ОИЯИ, которая решает задачу автоматического программного управления режимом работы ШЗИ, начиная от,зажигания дуги и получения заданных значений параметров разряда и распыления раоо-чего вещества и, кончая оптимальным управлением током пучка циклотрона. внедрение системы позволило повысить эффективность и качество проводимых на ускорителе экспериментов с пучками много-зарядных ионов за счет увеличения интенсивности пучка, сокращения времени вывода установки на оптимальный режим в среднем на зи%, увеличения срока службы источника на 15-20$, контроля и предотвращения аварийных ситуаций. Результаты работы представляют интерес для разработчиков АСУ электрофизических установок (ЗФУ) на основе дуговых ионных источников, в частности промышленных установок ионной имплантации.

АлроОвция результатов работы. Основные результаты работы докладывались на двух Международных конференциях по ионным источникам (Беркли, США, 1969; Бенсхайм, Германия, 1991), Международном симпозиуме по ядерной электронике (Варна, 1988), Международном симпозиуме по проблемам : модульных информационно-вычислительных систем и сетей (Дубна, 1991), трех Всесоюзных совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1986, 1988; Москва, 1990), Всесоюзной конференции по современным проблемам физики и ее приложений (Москва, 1990), Всесошном совещании "Создание и внедрение систем автоматического и автоматизированного управления технологическими процессами" (Новгород, 1986), Всесошном семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (Киев, 1988), научной конференции МИФИ (Москва, 1987).

Публикации. Материалы диссертации отражены в 15 печатных работах и двух научно-технических отчетах.

-Структура-и объем работы.-Диссертационная работасостаит-из-

введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Общий, объем работа составляет 186 страниц, в том числе: текста - 138 машинописных страниц, рисунков - 45, таблиц - 3; список литературы на 15 страницах включает 135 наименований, имеется 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Источник мпогозарядпых ионов является одним из основных \ элементов циклотрона, оказывающих существенное влияние на интенсивность ионного пучка. С точки зрения управления, он представляет собой сложный многопараметрический объект с существенно нелинейными неоднозначными и дрейфующими во.времени характеристиками. В процессе работы источника могут возникать различные аварийные ситуации, приводящие к выходу его из строя. Выходным параметром объекта управления (ОУ) . является ток многоза^ядных ионов, которые вытягиваются из источника и ускорятся в циклотроне. Он существенным ооразом зависит от режимов подогрева ка. тода, дугового разряда, распыления рабочего электрода, расхода газа. Регулировка режима ИМЗИ и тока ионного пучка осуществляется за счет вариации шести независимых^управляющих переменных, из которых четыре аналоговые- сигналы управления тиристорными регуляторами источников питания нити накала (НН),'подогрева катода (ПК), дуги и распыляемого электрода (РЭ), и две дискретные -сигналы управления приводами напуска газа и перемещения РЭ.

С целью выяснения особенностей управления источником авто-■ ром бшти проведены экспериментальные исследования его характеристик. Исследования , проводились для различных ускоряемых частиц. •Обращает на себя внимание существенно нелинейный и неоднозначный вид вольт-амперных характеристик источника., Статические зависимости тока ускоренного пучка от параметров ИМЗИ явно отражают наличие двух областей с резко отличающимся характером кривых -;это область устойчивого дугового разряда и область срыва дуги из-38 недостатка газа. Зависимости тока пучка от входных параме-.'' тров ИМЗИ; носят экстремальный характер, причем как правило, экстремум имеет место на границе срыва разряда.

Было проведено, экспериментальное исследование характера границ областей изменения входных переменных ИМЗИ, соответствующих разным режимам разряда» Показано, что границы этих областей, находятся в зависимости от времени работы источника, качества его сборки, рода используемого газа.

В реальных условиях результаты измерений параметров ИМЗИ носят стохастический характер, что объясняется такими случайными факторами, как пробои, колебания амплитуд токов разряда, распыления и подогрева катода, а также характерным присутствием для

ЭФУ данного класса помех.

Для измерения сигналов источника били использованы аналого-цифровые интегрирующие преобразователи (ЛЦП) с временем преобразования 100 мс, позволившие исключить влияние на полезный сигнал сетевой помехи. - Измеряемый сигнал в общем виде представляет собой случайную функцию У = где X - полезный сигнал,

- флуктуационная помеха, распределенная по нормальному закону с нулевым матожиданием и среднеквадрзтическим отклонением 0.5 + 5%; Р - функция, определяющая ишульсную помеху и принимающая

значения: Р = ( 1 - "Ри отсутствии пробоя

^ 0 - в пробойном режиме , где б - случайная величина с равномерным законом распределения.

Импульсная помеха связана с пробоями меаду источником и пулером, анодом и РЭ, нитью накала и катодом. Моменты возникновения пробоев и их длительности также являются случайными величинами, зависящими от координат вектора управляющих воздействий, качества сборки источника, материала РЭ, времени работы циклотрона после профилактических мероприятий.

Динамические процессы в источнике многозарядных ионов вызваны в основном инерционностью технологических процессов нагрева нити накала, подогрева катода и установления расхода газа. С целью определения вида переходных процессов и приближенной оценки времени их затухания был проведен ряд экспериментов, которые показали, что эти процессы носят либо апериодический характер либо подобны реакции реального дифференцирующего звена, параметры которого зависят от начальных условий. Анализ устойчивости разомкнутой системы управления ИМЗИ при подаче на ее входы ступенчатых управляющих воздействий (УВ) показал, что система устойчива в рабочей области изменения входных переменных. Неустойчивость системы имеет место в областях зажигания дуги между НН и катодом, срыва дугового разряда и пробоев.

Постановка задачи автолатческого управления. Основная цель автоматического управления источником состоит в получении и поддержании в~течение^заданного—времени—1требуемой—величины тока— пучка многозарядных ионов. Эта задача подразделяется на 2 последовательно решаемые задачи: . .

- автоматическое включение источника и вывод его на начальный режим работы; .

- оптимальное управление током ускоренного пучка за счет вариации параметров режима источника.

в . . • ■ -.' •

Режим работа ИМЗИ в статике, описывается системой следующих уравнений:

I) Подогрев катода 2) Дуга

1я = К» .{Jyir ^ г Щзд = Кв-иуя

Ин = í» (1н) i 1д = Гз(ивд,\7п,Хй)

1п = Кг.Цуп 1 ид = Цед - 1д.Вб1;1д)

Un - Г2<1пДн) V/n = In.Un

3) Распыляемо. электрод 4) Ток пучка ионов

( Up = 'К< • Uyp . Ги = Г5(иР>Хр,ивд,»п,Хо) ,

l Ip = í«(Up,Xp,ÜE«,Wn,XQ)

где I«, W« - ток и мощность накала шуи, In, Un, 1д, Ид, Ip, Up

- токи и напряжения подогрева катода, дуги и распыляемого электрода; ffn - мощность подогрева катода; 1Ьд - напряжение выпрямителя питания дуги; Хо, Хр - положения иглы вентиля напуска газа и распыляемох'о электрода; Пун, (Jyn, иуд, Uyp- управляющие воздействия; KiiK* - коэффициенты пропорциональности; it+í-¡ - нелинейные, функции. ■

Целью автоматического управления технологическими процессами при зажигании дуги и выводе источника на начальный режим является нахождение в реальном времени таких значений управляющих переменных lUyno, Uyno, и-уло, (Jypo, Xa о , Хро}, удовлетворяющих системам уравнений 1+3, при которых обеспечиваются зэдашше значения мощности подогрева катода Wno, тока и напряжения дуги 1до, ид«, тока и напряжения на распыляемом электроде £ро, Upo.

Задача оптимального управления током ио;шого пуша включает управление по следующим критериям:

- обеспечить максимальный ток пучка при заданном- сроке службы источника; .

- обеспечить заданнуЬ величину тока пучка при заданном сроке службы источника.-

Срок службы источника определяется скоростями распыления ¿з разряде катода и распыляемого электрода. На практике оба критерия можно. объединить в один, который формулируется следупцим образом: для заданной величины тока пучка ino найти такие входные переменные i 1'вдо, Wno, Upo, Хсо, Хро}, при

которых выполняется условие: '' . .:Т ' ■"'. . '

| 1я<ивд,У?п,Ха,ир,Хр) - 1ио| '.,'—-— т{П ,

при выполнении ограничений: ■ •'.-.-• .-'. ; . - . Л ,

• 1д(ивд,»»п,Хс.).ид(ивд,*пДй) < а 1р(ивд,Ип,Ха,ир,Хр).ир < Ь . ■ Хо > гс(ивд,ип)

хс > гг(Цвд,ип) ■ ■;'■>■•/•' V

. с < X < а , : где 1я - текущая величина тока пучка;

а, Ь - константы, определяющие скорости распыления катода и рабочего материала РЭ; X - вектор входных управляющей перемен- ^ . них; Гс, 1г - функции, определяющие, граничь! срыва и гашения дуги; с, с! - векторы, компоненты которых определяют ограничения на входные переменныеПри задании величины 1и» заведомо большой : данный критерий сводится к критерию получения максимального тока пучка. .- . ; ' V' -Д.;

После анализа ЩЗИ как объекта управления и постановки задачи управления была проведена разработка управляющих алгоритмов, ориентированных на программную реализацию на базе микропроцессорного крейт-контроллера КАМАК. Основной особенностью ИМЗИ является его нелинейность, что не дает возможность применить развитый универсальный аппарат теории линейных систем автоматического управления. Кроме,того, источник уникален по самому ха- : рактеру нелинейных зависимостей, что потребовало разработки спе- "V ■, циализированных процедур итерационного поиска заданных: значений :'. параметров для ряда областей изменения входных переменных с резко отличающимся характером поведения объекта. При разработке алгоритмов немаловажное значение имело условие их программной реализации на базе микропроцессорного контроллера, что предъяв- . ляет требование к экономичности программ с точки зрения занимаемой памяти.. .-.'•'/-'".■ """ •'.".-V /

Разработанный алгоритм управления мощностью подогрева катода обеспечивает получение в реальномвремени заданной мощности _с_____

погрешностью не более 3% за счет вариации УВ на тиристорные/ . регуляторы источников штанм нити накала и ПК. Особенностью алгоритма является обеспечение движения. к заданному, значению .. мощности при минимальном токе ЯН, при котором еще не загорается дуга в цепи подогрева катода и не происходит срыв режима. ; ~ Область изменения переменных 1п, Уп, соответствующая атому уело- .

Ш

вию, определяется экспериментально и описывается неравенством (le) < Un < Fj (In), где ft и F* - кусочно-линейные функции. Во. ." избежании выхода, источника из строя осуществляется постоянный контроль зажигания дуги между НН и катодом. В случае фиксации . дуги реализуется специализированная процедура коррекции допусти'. мой области, определяемой функциями JP4и Р2.

' Задача автоматического управления параметрами дугового разряда состоит в отыскании в режиме реального врёмени таких значе-> ний входных неременных ffno, Хоо, Мгла, при которых достигаются заданные значения 1до и идо с погрешностью не более 5Ж. С учетом особенностей управления разрядом и специфики нелинейности вольт-амперных : характеристик (ВАХ) был разработан алгоритм управления, основанный на следующих основных положениях: r I) Вид экспериментальных ВАХ разряда позволяет сделать вывод, что ток дуга обладает наибольшей чувствительностью по отноше-ншо к l/уд, а напряжение дуги - по отношению к мощности ПК и - -расходу газа. Поэтому алгоритм управления предполагает регулировку тока дуги за счет вариации Суд, а напряжения — за счет ' Ха И ffn.

2) Так как 1д и ид зависят от трех переменных, то в общем виде ..решение задачи неоднозначно. Поэтому было введено дополнитель-

: • ное условие - обеспечение заданных значений параметров разряда при минимальпом расходе газа, что дает возможность приблизить . начальную точку при решении задачи оптимизации к точке зкстре-мума. .

3) Реализуется поиск точки зажигания дуги, из которой осуществляется переход на участок ВАХ, соответствующий устойчивому дуговому разряду.

4) Алгоритм включает эффективную процедуру контроля срыва дуги, "основанную на сравнении результатов измерения с помощью быстродействующего АЦП средних значений тока разряда на начальном и конечном участках импульса.

5) Допустимая область изменения'входных переменных определяется ограшпепиями, связанными с зажиганием разряда между нитью

: накала и катодом, нарушением вакуума, срывами и гашениями . дуги. В случае фшссации указанных событий следует автоматичес-' ■ кая коррекция границ допустимой области. ■ . „ в) Учитывается стохастический хэрэктер границ допустимой области посредством автоматического возврата через .заданный интервал

времени к прежним значениям ограничений.

Для решения задачи оптимизации режима работы источника Оыл разработан алгоритм, основанный на следующих положениях:

1) Оптимизация начинается 'из начальной рабочей точки в системе координат входных переменных, соответствующих области дугового разряда.

2) Процесс поиска включает 2 стадии: поиск в допустимой области и поиск в условиях нарушения ограничений. Для поиска в дрпус-тимой области были опробованы метода Гаусса-Зейделя, наискорейшего спуска и Хука-Дживза.

3) Как правило любой метод поиска приводит рабочую точку к границе допустимой области, что потребовало разработки специализированной процедуры на основе покоординатного метода, включающей коррекцию положения рабочей точки за счет пары "пассивных" переменных, по которым не производится линейный поиск экстремума на текущей итерации.

4) Реализована процедура преодоления особенности овражного типа целевой функции в окрестности границы срыва разряда.

5) Для повышения достоверности измерительной информации о токе пучка в условиях помех и пробоев за оценку величины тока берется среднее значение по Ш измерениям с фильтрацией промахов. ' ' ■ * , -

Разработанные алгоритмы управления ИЫЗИ были проверены на практике и показали свою корректность и эффективность. Они обеспечивают: автоматическое зажигание дугового разряда и получение заданных значений токов и напряжений дуги и распыления рабочего вещества за время не более 5 мш с погрешностью не более 5%; автоматическую настройку . тока пучка МЗИ на заданное значение с погрешностью не более 2% или на максимальное значение за время не более 15 мин.

С целью сокращения потерь дорогостоящего эксплуатационного времени циклотрона, которые неизбежны при отладке АСУ нз реальном объекте. был разработан и реализован_специализированный

стенд для отладки алгоритмов и программ АСУ в лабораторных условиях. В состав стенда входят: мини-ЭВМ СМ-4, на которой реализована модель ОУ; макет микропроцё с сорной системы управления; средства взаимодействия модели с системой управления на базе аппаратуры в стандарте КАМАК. Центральное место в структуре стенда занимает имитационная модель объекта управления, в которую зало-

хеш основные особенности ИМЗИ, такие как нелинейность, неповторяемость и дрейф статических характеристик, пробойные режимы, .инерционность, аварийные ситуации, присутствие помех в измерительных каналах. Модель отражает зависимости 12 управляемых пе-ремешшх от шести управляющих воздействий. Основные моделируемые статические зависимости и стохастические характеристики объекта тлеют следующий вид. 1)(1аЗогре6 катода.

Г 1п = К,иуп.(1+£ ) ь, < Ш < Ьп или

, если

Ип = 11(К1иУп,\Ун)^(1Н1) Г Ь2 < 17н < Ь1

I К,

Ujn > b3+b4WH

ij(KjU/n,w«) = [at(t)+a2(t).WH].[1- exp(a3WH.KjU7n +.a4KjU?n)i+ + a^Kj Uyn '

. В режиме пробоя, что соответствует условию : •

Г К,Uyn > г,-h(t) г In = S-

< , ток и напряжение ПК равны J ,

I f, (KjUyn.WH) > r2-h(t) (. Un = 02

где Oj : [ KjUth, 2 A] , 62 : [ 0.1 кВ, (KjUth.Wh) ]

2) Дуговой разряд ' .

' ивд = К^Д

1л = ( 2 а (г).у™-2п).(1+42)

. ил = ивд - йб'1д - Ь5 , если Ха > И »п > С2 И Цвд > С3

Ха > (С4+С5Ивд + С^п).(1 + 7/(1))

I Хо > (С7+С8ивд + СдЛ'п)• (1 + 72(г)), где

у,а : ШбдДп.Хо} ; ш,п : (0,1,2>.

В режиме срыва дуги функция напряжения дуги имеет вид: ид = (1Ьд - Г!б-1д -Ь5) + Ко. (Хо - с4 - с5ивд - сеШп)

3) Распьиае.еый электрод 1р = 1ро.(1+|3).54,

где Ьо = ( Б а (1).уя>.г;п).(1-егр(а^)) ,

у, ъ : ИЬя,»п,Ха,14>,Хр), 04: 11,103. если ' < Цр < с1,+ Лх ' У'-:

йз < 1ро < ^ Д2 , где Тпр1; .. •

■ Ч < г < 4+<1пр1 : I VI : 1гэ'г4]

4) Ток ионного пучка в режиме устойчивого разряда ; '7 ■

1и » ( х'а (г)-у'".2г,).(иед + а^ЫХо + а^Г2-* 1 - .

- езрСа^ирИ.а+^'Зб . где у,г : {1Ьд,№п,Ха,Цр,Хр} 7 '. . , т,п : 10,1,2};.О*. : [0,13, если Ч1 < г < » л

V Ч-1+; : : 117»г8]

В приведенных выше зависимостях переменная случайная нормально-распределенная величина, моделирущая флуктуационную помеху; О - случайная величина, распределенная по. равномерному V.. закону, моделирующая импульсную помеху, связанную с пробоями; 1пр, Тцр, т^р , Тпр - длительности пробоев и интервалы их возникновения; с. ,с1. , г. , I. , д.- константы, определяющие границы областей изменения переменных и интервалы распределения случайных величин; - V ступенчатая; функция времени,

менящаяся с заданным периодом (величина ступеньки - есть случайная величинараспределённая, ^ равномерно в интервале. т II, 1.31; Ко - коэффициент, определяющий скорость роста напряжения дуги при переходе в область срыва дугового разряда; а. (V) = а.¿(1+7*1), где а10 - аппроксимируицие коэффициенты, ; значения которых рассчитывались пб экспериментальным данным ' методом наименьших квадратов;. У - скорость дрейфа.

На основании сформулированных требований к автоматизации дуговых ионных источников и разработки алгоритмов управления 1 были решены вопросы структурного построения _техаических-и прог-—— "раШных средств АСУ : определены состав и функциональное назначение , установлена иерархия подчиненности модулей. Так как ионный источник является неотъемлемым элементом циклотрона, то построение системы управления им рассматривалось в рамках единого подхода к построению АСУ циклотрона в целом. Поэтому автором была разработана полная структура АСУ ускорительного комплекса.

относящаяся к двухуровневому иерархическому типу, требование достаточной надежности работы системы в течение длительного эксперимента и простоты эксплуатации привели к решении использования на нижнем уровне в качестве управляющих ЭВ!Д интеллектуальных микропроцессорных контроллеров крейтов КАМАК на базе микропроцессора ЖЕEL-8080, реализующих локальные задачи измерения, контроля и управления параметрами подсистем установки. На верхнем уровне используется ЭВМ типа PC/XT, являющаяся координатором действий подсистем нижнего уровня, выполняющая сложную обработку данных и обеспечивицая диалоговое взаимодействие с оператором. Разработанная АСУ позволяет выполнять следующие основные функции: периодическое измерение и контроль порядка 70 аналоговых и 300 дискретных сигналов установки; оперативную обработку и отображение результатов измерения в виде таблиц и мнемосхем; контроль выхода аналоговых параметров за допустимые пределы; накопление данных о параметрах установки и токе ускоренного пучка в файле на диске в течение цикла эксперимента и их графическое отображение; регистрация функциональных зависимостей между параметрами циклотрона; управление банком данных об оптимальных режимах работы ускорителя для конкретного типа ускоряемых ионов; организация взаимодействия с оператором в форме развернутого меню и через функциональную клавиатуру; автоматизированное и автоматическое управление режимом работы ионного источника.

Для практической реализаци разработанных алгоритмов управления режимом работы ИМЗИ автором был создан комплекс программ, которые вошли в состав программного обеспечения АСУ циклотрона У-400. ПО состоит из 5 подсистем: ПО ЭВМ верхнего уровня и ПО локальных микропроцессорных подсистем на базе крейт-контроллеров КАМАК. Автором было разработано, реализовано на практике и введено в эксплуатацию ПО ЭВМ верхнего уровня и ПО крейтов управления ионным источником и -контроля аналоговых параметров циклотронз. Разработанное программное обеспечение имеет модульную структуру, соответствующую принципам нисходящего проектирования, и позволяет с малыми затратами расширять его при необходимости реализации дополнительных функций контроля и управления. ПО ЭВМ верхнего уровня написано на языке Паскаль и.работает в среде ОС MS-DOS V3.3. и занимает около 200 кб памяти. ПО подсистемы управления ионным источником написано на языке Ассемблер и занимает около 34 кб памяти.

Разработанная системз управления была введена в эксплуатации на циклотроне У-400 ЛЯР ОИЯЙ, За время работы она продемонс-; трировала высокую эффективность и качество автоматизированного и автоматического управления режимом работы установки, удобство ; средств взаимодействия с оператором, хорошую надежность с време- ; нем наработки на отказ не менее 200 часов» ■

На основании опыта разработки и .создания АСУ дугового ИМЗИ циклотрона У-400 была, предложена обобщенная методикз проектирования АСУ объектами данного класса. ■ - . • '

. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ '

1) Проведено комплексное исследование и анализ ИМЗИ как объекта управления; определены основные особенности объекта, вызывающие трудности управления режимом его работы: многопараметрич-ность, нелинейность, стохастичность, дрейф .характеристик во ., времени, многосвязность, высокая степень вероятности возникновения аварийных ситуаций. . - ..

2) Сформулированы критерии автоматического управления технологическими подсистемами источника и оптимального управления током ускоренного пучка ионов. ,.

3) Сформулированы требования к системе управления ИМЗИ и опреде-• лены ее функции. . ..

4) Разработаны алгоритмы' комплексного автоматического програм- • много управления ионным источником, начиная от процедуры вывода Ш из выключенного состояния на начальный режим дугового . разряда и распыления рабочего вещества и, заканчивая оптимальным управлением током ускоренного пучка " циклотрона - за счет вариации параметров источника. ■■ ; ....

5) Предложена методика контроля срыва дугового разряда, основанная на измерении с помощью быстродействующего АЦП средних значений тока разряда' на начальном и конечном участках ямпуль-

-са,—что- позволило -системе ^управления ^определять наступленяэ

срыва дуги на начальной стадии и оперативно принимать меры да предотвращению полного гашения дуги. - . ,

Б) На основе экспериментальных исследований разработана имитационная математическая модель ИМЗИ, служащая'для тестовой отладки алгоритмов и программ АСУ. 7) Разработан и реализован специализированный стенд для отладки

программного обеспечения АСУ Ю.СИ, позволивший в лабораториях условиях выявить большую часть алгоритмических и случайных ошибок ПО АСУ, что значительно сократило время проведения тестовых экспериментов на действует!,ей установке. 8) Разработана, создана и введена в эксплуатацию микропроцессорная АСУ дугового источникэ■ и циклотрона многозарядннх ионов У-400 в' Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, которая позволила значительно увеличить эффективность проводимых на ускорителе экспериментальшх и прикладных работ за счет увеличения интенсивности пучка, сокращения времени вывода источника и цикло-. трона в целом на рптимзльннй резон,i в среднем на 30%, увеличения на 15-20% срока службы источника, контроля и предотвращения' аварийных ситуаций.

Основные результаты диссертации опубликованы в.работах:

1. Касьянов A.A., Рыбин В.М., Сухов A.M., Третьяков Ю.П. Управление дуговым источником ионов циклотрона У-400 от микропроцессорного контроллера крейта КАМАК. - В кн.: Тезисы докладов на XI Всесоюзном научно-техническом совещании "Создание и внедрение систем автоматического и автоматизированного управления

•технологическими процессами", Москва, 1986. - с. 137.

2. Касьянов A.A., Кутнер В.Б., Рыбин В.М., Субботин В.Г., Сухов A.M., Третьяков Ю.П., Фефилов В.В. Микропроцессорная подсистема управления дуговым источником многозарядных ионов цик. лотрона У-400. - Приборы и техника эксперимента, № 4, 1988. -

с. 58; Препринт ОИЯИ,.Р9-В7-307,'1987.

3. Касьянов A.A., Кутнер В.В., Рыбин В.М.»Субботин В.Г., Сухов A.M., Третьяков Ю.П., Фефилов Б.В. Микропроцессорная подсистема экстремального управлешя током пучка циклотрона У-400

- посредством вариации параметров режима ионного' источника._ -~ Приборы и техника эксперимента, Ji 6,"' 1989. - с. 82; Препринт

ОИЯИ, P9-88-S75, 1988.4. ' Касьянов- A.A., "Кутнер ' В.Б. , Рыбин В.М., Третьяков В.П. Алгоритм' автоматического., управления режимом циклотронного дугового источника многозарядных ионов. - Сообщения ОИЯИ, Р9-88-185, Дубна: ОИЯИ, 1988. - 9 с. 5." Касьянов A.A., Кутнер В.В., Рыбин В.М., Субботин В.Г., Сухов A.M., Третьяков Ю.П., Фефилов Б.В. Автоматизация управления источником многозарядннх ионов циклотрона У-400. - В кн.: Труды X Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных час-

тиц, т. I. - Дубна: ОИЯИ, 1387. - с. 150.

6. Касьянов A.A., Кутнер В.В., Рыбин В.М., Субботин В.Г., Сухов A.M., Третьяков D.II. Аппаратурные и программные средства взаимодействия оператора с системой управления ионным источником циклотрона У-400. - В кн.: Труда XI Всесоюзного совещания

. по ускорителям заряженных частиц, т. I. - Дубна: ОИЯИ, 1989. -

' с. 182. . ' ! ■. V. ■ .■-

7. Касьянов A.A., Коноркин O.D., Кулак В.К., Рыбин В.М. Программное обеспечение АСУ циклотрона У-400. - В кн.: Тезиса докладов XII Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. - М.: ИТЭФ, 1990. - с. 62.

8. A.A. Казуапот, V.B. Kutner, V.M. Bybin, V.G. Subbotin, A.M. Sukhov, Yu.P. Tretyakov, B.V. Pefilov. Automatic.control system ol the PIG ion source tor the U-400 cyclotron. - Rev. Sei. Instrum., 61(1), 1990. - p. 647; Preprint JINB E9-89-491, Dubna, 1989.

9. Касьянов A.A., Фефилов Б.В., Субботин В.Г., Мельникова Л.М., Сухов A.M. Автоматизированная система измерения и контроля параметров циклотрона У-400. - Сообщения ОИЯИ, 9-90-495 - Дубна: ОИЯИ, 1990. - 8 с.

10. Касьянов A.A., Рыбин В.М., Челноков А.Л. Имитационное моделирование дуговых источников ионов на мини-ЭВМ СМ-4. В кн.:

. Мощные физико-энергетические системы. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - с. 52. - ■ .

11. Касьянов A.A., Рыбин В.М. Система управления дуговым источником многозарядных ионов циклотрона У-400.. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Современные проблемы физики и ее йриложений". - М.: ВИНИТИ, 1990. - с. 12.

12. Волзсовицкий В.В., Казанцев В.И., Касьянов A.A., Кулак В.К., Коноркин'O.D., Рыбин В.М., Сафоненко В.А., Цыпляков А.П. Системы , контроля и управления электрофизическими установками на базе аппаратуры в стандарте КАМАК. - В кн.: Труды VIII Международного симпозиума по проблемам модульных информационно-вычислительных систем и сетей. - Москва, 1992. - с. 283.

13. A.A. Казуапоу, V.В. Kutner, V.M. Eybin.V.G. Subbotin, А.И.

—Sukhov, Yu.P.-Tretyakov.—Optimization öf~the cyclotron ARC ion _ source mode control. - Abstracts oí 4 th International conference on ion sources. - Darmstadt, Germany, 1991. - p. 109.

14. Касьянов A.A., Коноркин O.D. Стенд для отладки систем управ-