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at - Automatisierungstechnik

Methoden und Anwendungen der Steuerungs-, Regelungs- und Informationstechnik

[AT - Automation Technology: Methods and Applications of Control, Regulation, and Information Technology
]

Editor-in-Chief: Jumar, Ulrich

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2196-677X
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Volume 63, Issue 8

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Ansätze zur modellprädiktiven Regelung der longitudinalen Strahldynamik in Synchrotronen

Towards model predictive control of longitudinal beam dynamics in synchrotrons

Dieter Lens / Timm Faulwasser
  • Laboratoire d'Automatique, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz
  • Institut für Angewandte Informatik, Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe
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/ Christopher M. Kellett
Published Online: 2015-07-31 | DOI: https://doi.org/10.1515/auto-2015-0020

Zusammenfassung

Die Stabilisierung der longitudinalen Strahldynamik in Hadronensynchrotronen ist ein anspruchsvolles Regelungsproblem, da die erforderlichen Abtastzeiten des Regelkreises im Bereich von wenigen Mikrosekunden bis hin zu einigen hundert Nanosekunden liegen. In diesem Beitrag wird untersucht, ob modellprädiktive Verfahren für die Regelung der longitudinalen Strahldynamik eingesetzt werden können. Durch eine geeignete Problemformulierung und effiziente numerische Algorithmen kann das Optimierungsproblem hinreichend schnell auf einem High-End-FPGA gelöst werden. Simulationen für das Synchrotron SIS18 verdeutlichen, dass deutliche Performanzgewinne erreicht werden können.

Abstract

Hadron synchrotrons accelerate protons and heavy ions to very high energies. The stabilization of the longitudinal beam dynamics in these particle accelerators is a demanding control problem since typical sample times of the beam-feedback loop are on the order of several μs to several hundred ns. This work examines if model predictive control is a suitable candidate for longitudinal beam feedback in synchrotrons. We show that, by combining an appropriate problem formulation with efficient numerical algorithms, the optimization problem can be solved sufficiently fast on a high-end FPGA. Realistic simulations for the synchrotron SIS18 of the GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research illustrate that the proposed control scheme can lead to a significant improvement of the control performance.

Schlagwörter: Modellprädiktive Regelung; Hadronensynchrotrone; feldprogrammierbarer Logikbaustein; Regelung der longitudinalen Strahldynamik

Keywords: Model predictive control; hadron synchrotrons; field programmable gate array; longitudinal beam feedback

About the article

Dieter Lens

Dieter Lens ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (Abteilung PBRF). Hauptarbeitsgebiete: Digitale Regelungen, Hochfrequenzregelungen, Beschleunigertechnik.

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Planckstr. 1, 64291 Darmstadt

Timm Faulwasser

Timm Faulwasser ist Gruppenleiter am Institut für Angewandte Informatik, Karlsruher Institut für Technologie. Gleichzeitig ist er als Postdoktorand und Lehrbeauftrager am Laboratoire d'Automatique der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz tätig. Hauptarbeitsgebiete: Optimierungsbasierte und prädiktive Regelung nichtlinearer Systeme, nichtlineare Regelung mit Anwendungen in den Bereichen Mechatronik, Luft- und Raumfahrtechnik sowie energietechnische Prozesse.

Laboratoire d'Automatique, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Schweiz und Institut für Angewandte Informatik, Karlsruher Institut für Technologie, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen

Christopher M. Kellett

Christopher M. Kellett ist Associate Professor an der School of Electrical Engineering and Computer Science der University of Newcastle, Australia. Er ist außerdem Fellow des Australian Research Council und der Alexander-von-Humboldt Stiftung. Hauptarbeitsgebiete: Regelungs-, System- und Stabilitätstheorie nichtlinearer Systeme sowie die Robustheit nichtlinearer Systeme.

School of Electrical Engineering and Computer Science, University of Newcastle, Callaghan NSW 2308, Australien


Accepted: 2015-06-16

Received: 2015-02-27

Published Online: 2015-07-31

Published in Print: 2015-08-28


Citation Information: at - Automatisierungstechnik, Volume 63, Issue 8, Pages 621–632, ISSN (Online) 2196-677X, ISSN (Print) 0178-2312, DOI: https://doi.org/10.1515/auto-2015-0020.

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