加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法及系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910916992.5 (22)申请日 2019.09.26 (71)申请人 中国科学院近代物理研究所 地址 730013 甘肃省兰州市城关区南昌路 509号 (72)发明人 丛岩许哲周睿怀张瑞锋 李世龙韩小东 (74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限 公司 11245 代理人 王胥慧 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 加速器单正弦模式下高频数字低电平的控 制方法及系统 (57)摘要 本发明涉及一种加速器单正弦模式下高频。

2、 数字低电平的控制方法及系统， 其特征在于， 包 括以下内容： 1)将BB高频系统简化为由静态非线 性环节和动态线性环节串联而成的系统； 2)确定 仅考虑动态线性环节的输入激励信号； 3)确定磁 合金腔体+功率源的特性系数； 4)根据确定的特 性系数an， 同时考虑静态非线性环节和动态线性 环节， 对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进 行预失真处理， 得到预失真后的输入激励信号； 5)根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系 统， 确定数字低电平系统的实际控制量， 完成加 速器单正弦模式下高频数字低电平的控制， 本发 明可广泛用于粒子加速器低电平控制技术领域 中。 权利要求书3页 说明书8页 。

3、附图3页 CN 110705085 A 2020.01.17 CN 110705085 A 1.加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法， 其特征在于， 包括以下内容： 1)采用Hammerstein模型， 将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串 联而成的系统， 其中， 静态非线性环节为功率源， 动态线性环节为磁合金腔体； 2)根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电压信号得到的频谱 响应曲线， 确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号； 3)采用最小二乘法， 根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号， 确定磁合金腔体+功率 源的特性系数； 4)根据确定的特性系数an，。

4、 同时考虑静态非线性环节和动态线性环节， 对仅考虑动态线 性环节的输入激励信号进行预失真处理， 得到预失真后的输入激励信号； 5)根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统， 测量此时磁合金腔体的取样电压信 号， 并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信号， 确定数字低电平系统的实际 控制量， 完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。 2.如权利要求1所述的一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法， 其特征 在于， 所述步骤2)的具体过程为： 2.1)通过波形发生器进行极慢速扫频， 记录波形发生器的输出激励信号Uin()和该输 出激励信号Uin()对应的磁合金腔体的取样电压信号。

5、Uout()， 得到BB高频系统的频率响 应H()曲线： 2.2)以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H()曲线； 2.3)根据该数据查找表， 对波形发生器的输出激励信号Uin()进行预失真处理， 得到 时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。 3.如权利要求2所述的一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法， 其特征 在于， 所述步骤2.3)中时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号的计算公式为： 其中， t为时域下时间自变量； n为傅里叶级数的n次谐波分量； bn,out为第n次谐波分量的 系数； rep为单正弦信号重复频率； |H(nrep)|和argH(nre。

6、p)分别为动态线性环节在n rep处的频谱响应的幅值和相位。 4.如权利要求2所述的一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法， 其特征 在于， 所述步骤3)的具体过程为： 3.1)根据BB高频系统的频率响应H()和磁合金腔体的取样电压信号Uout()， 计算频 域下动态线性环节的输入信号U？()： U？()Uout()H-1() 3.2)将频域下动态线性环节的输入信号U？()转换为时域下动态线性环节的输入信号 U？(t)； 3.3)对于M个采样点的时域下动态线性环节的输入信号U？(t)和具有N阶带宽的功率源， 采用下述超定矩阵表示时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与时域下。

7、动态线 权利要求书 1/3 页 2 CN 110705085 A 2 性环节的输入信号U？(t)之间的关系： 其中，为Uin(t)信号的第M次取样值， N为取样值的N次幂， U？ ,M为U？(t)信号的第M次 取样值； an为磁合金腔体+功率源的特性参数； 3.4)采用最小二乘法， 求解上述超定矩阵， 得到磁合金腔体+功率源的特性系数an。 5.如权利要求4所述的一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法， 其特征 在于， 所述步骤4)的具体过程为： 4.1)设置若干查找表， 每一查找表的初始值均为yx的曲线， 其中， y为输出， x为输入； 4.2)根据得到的的曲线， 修改某一查找表的数。

8、值， 将时域下动态线 性环节的输入信号U？(t)作为查找表的输入， 将时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信 号Uin(t)作为查找表的输出； 4.3)在下一次波形到来时， 重复步骤4.2)修改查找表的数值， 直至所有查找表均完成 赋值； 4.4)原输入激励信号Uin(t)通过查找表得到预失真后的输入激励信号， 并将其作为低 电平控制系统的输出激励信号。 6.如权利要求5所述的一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法， 其特征 在于， 所述步骤5)的具体过程为： 根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统， 并测量此时磁合金腔体的取样电压信 号Uout()； 若此时磁合金腔体的取样电压信号。

9、Uout()满足预先设定的取样电压信号， 则该输入 激励信号即为数字低电平系统的实际控制量； 若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout()不满足预先设定的取样电压信号， 则将该 输入激励信号作为仅考虑动态线性环节的输入激励信号， 进入步骤3)， 直至该输入激励信 号对应的取样电压信号满足预设的理想取样电压信号， 该输入激励信号即为数字低电平系 统的实际控制量， 完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。 7.加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统， 其特征在于， 包括： BB高频系统简化模块， 用于采用Hammerstein模型， 将BB高频系统简化为由静态非线性 环节和动态线性环节串联而。

10、成的系统， 其中， 静态非线性环节为功率源， 动态线性环节为磁 合金腔体； 输入激励信号确定模块， 用于根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的 取样电压信号得到的频谱响应曲线， 确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号； 特性系数确定模块， 用于采用最小二乘法， 根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号， 确定磁合金腔体+功率源的特性系数； 预失真处理模块， 用于根据确定的特性系数an， 同时考虑静态非线性环节和动态线性环 权利要求书 2/3 页 3 CN 110705085 A 3 节， 对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理， 得到预失真后的输入激励信 号； 实际控制量确定模。

11、块， 用于根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统， 测量此时 磁合金腔体的取样电压信号， 并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信号， 确 定数字低电平系统的实际控制量， 完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。 8.如权利要求7所述的一种加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统， 其特征 在于， 所述输入激励信号确定模块包括： 频率响应曲线确定单元， 用于通过波形发生器进行极慢速扫频， 记录波形发生器的输 出激励信号Uin()和该输出激励信号Uin()对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout()， 得到BB高频系统的频率响应H()曲线； 数据存储单元， 用于以数据查找表的形式存。

12、储得到的BB高频系统频率响应H()曲线； 预失真处理单元， 用于根据该数据查找表， 对波形发生器的输出激励信号Uin()进行 预失真处理， 得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。 9.一种计算机程序， 其特征在于， 包括计算机程序指令， 其中， 所述计算机程序指令被 处理器执行时用于实现权利要求1至6任一项所述的控制方法对应的步骤。 10.一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 所述计算机可读存储介质上存储有计算机 程序指令， 其中， 所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现权利要求1至6任一项所述 的控制方法对应的步骤。 权利要求书 3/3 页 4 CN 110705085。

13、 A 4 加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法及系统 技术领域 0001 本发明是关于一种加速器单正弦模式(Barrier Bucket)下高频数字低电平的控 制方法及系统， 属于粒子加速器低电平控制技术领域。 背景技术 0002 为探索高能量密度物理、 原子核存在极限和奇特结构、 宇宙中从铁到铀元素的来 源等重大前沿科学问题， 科研工作者对重离子加速器提供的流强要求越来越高。 以高能量 密度物理为例， 要制备状态均匀、 尺度大、 存在时间长、 能量加载可操控性好的高能量密度 物质需要的单束团238U92+的粒子数至少51011PPP。 然而， 传统的Bucket-to-Bucket(纵。

14、向接 受度)的注入方式由于空间电荷效应所引起的工作点移动会造成束流的缓慢损失。 这是强 流质子或重离子同步加速器束流堆积所面临的主要问题之一。 为得到实验所需的束流流 强， 移动式脉冲高频(Moving Barrier Bucket)堆积方案正在被研究并运用到加速器系统 中。 Moving Barrier Bucket电压波形与传统连续波电压波形的不同之处是去掉连续波电 压中的若干个正弦波。 这样， 带电粒子在相空间里的分布就更趋于平坦从而增大了聚束因 子， 减小了束流的不稳定性， 因此使得束流流强得到增加。 同时， 如果让一个单正弦或方波 高频电压的相位在一个回旋周期内移动， 还能够对束团进。

15、行绝热压缩， 将多个束团聚合在 一起。 实现Moving BB(Barrier Bucket)堆积方案的核心是产生束流累积所需的幅度、 相 位、 周期可变的单正弦或者半正弦电压； 这种单正弦或者半正弦电压统称为BB电压。 这需要 数字低电平系统除能够产生周期、 幅度、 相位可调并稳定的BB激励电压外还要具备下述两 方面功能： 1)矫正由功率源和腔体导致的波形畸变， 保证腔体产生标准的BB电场； 2)强束流 负载效应补偿功能， 抵消束流感应电场对腔体电场的影响。 0003 BB模式首先是在费米国家实验室(Fermilab)开始发展起来的， 为解决束流从反质 子散束器(Antiproton Deb。

16、uncher)传输到累积环(Accumulator Ring)时由于两个环的周 长不同而造成的束流损失的问题， 研究人员提出采用单正弦电压形成Barrier Bucket的方 法来解决。 自此， Barrier Bucket在质子或重离子同步加速器中被用来累积带电粒子。 费米 国家实验室、 布鲁海文国家实验室(BNL)和德国重离子研究中心(GSI)等， 均开展了BB高频 束流堆积实验， 并均得到较好的束流堆积效果， 验证了BB束流堆积的有效性。 但是， 以GSI的 ESR(Experimental Storage Ring， 实验储存环)为例， 获得的堆积粒子最高只有5 108PPP， 远小于。

17、1011甚至1012PPP的强流重离子束要求。 在强流束堆积过程中， BB电压波形畸 变会对纵向束流动力学产生极大影响， 干扰束流堆积。 如图1所示， 给出了高频电压与 Bucket(径向相稳定区)之间的关系， 当波形尾部发生振荡时， Bucket发生畸变， 在局部形成 一个稳定区并俘获部分束流， 阻碍束流的平滑散束， 引起束流的纵向发射度增长。 通过对比 图1(a)、 图1(c)和图1(b)、 图1(d)两组图片发现， 当振荡幅度减小时， Bucket的局部稳定区 会随之减小。 振荡幅度减小有利于束流平滑散束， 仿真和实验测得当振荡电压/单正弦峰值 电压等于2.210-3时， 束流的损失约为。

18、1。 BB电压的畸变会导致束流的非平滑散束、 发射 度增长、 不稳定性并最终导致束流损失。 为保证束流在堆积过程中损失小于10， 正弦电压 说明书 1/8 页 5 CN 110705085 A 5 尾部振荡幅度需要小于(为单正弦峰值电压)， 正半周和负半周幅度差小于 如图2所示。 0004 然而， 现有技术并没有非常成熟的该类数字低电平系统。 以GSI的ESR的BB数字低 电平系统为例， 如图3所示， 该系统主要采用四台信号源Tabor 3362来实现， 然而， 该系统存 在下述问题： 1)BB电压难以实现脉冲内的反馈控制， 只能采用脉冲间的反馈或者前馈控制， 控制精度不容易提高； 2)BB高。

19、频系统(由磁合金谐振腔、 宽带固态功率源和BB数字低电平系 统组成)的束流负载效应补偿算法复杂； 3)BB电压的周期、 相位和幅度变化时， BB电压的频 谱也会动态变化， 系统设计难度大； 4)高频系统的动态非线性， 不同功率水平下系统具有不 同的频率响应。 这些难点导致沿用数字低电平领域常用的反馈、 前馈控制方法是不能满足 系统需求的， 且常规的预失真控制方法也无法克服上述难点3)和4)。 发明内容 0005 针对上述问题， 本发明的目的是提供一种高精度的加速器单正弦模式下高频数字 低电平的控制方法及系统。 0006 为实现上述目的， 本发明采取以下技术方案： 加速器单正弦模式下高频数字低电。

20、 平的控制方法， 其特征在于， 包括以下内容： 1)采用Hammerstein模型， 将BB高频系统简化为 由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统， 其中， 静态非线性环节为功率源， 动态 线性环节为磁合金腔体； 2)根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电 压信号得到的频谱响应曲线， 确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号； 3)采用最小二乘 法， 根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号， 确定磁合金腔体+功率源的特性系数； 4)根 据确定的特性系数an， 同时考虑静态非线性环节和动态线性环节， 对仅考虑动态线性环节 的输入激励信号进行预失真处理， 得到预失真后的输入激励信。

21、号； 5)根据预失真后的输入 激励信号激励BB高频系统， 测量此时磁合金腔体的取样电压信号， 并根据测量的取样电压 信号和预先设定的取样电压信号， 确定数字低电平系统的实际控制量， 完成加速器单正弦 模式下高频数字低电平的控制。 0007 进一步， 所述步骤2)的具体过程为： 2.1)通过波形发生器进行极慢速扫频， 记录波 形发生器的输出激励信号Uin()和该输出激励信号Uin()对应的磁合金腔体的取样电压 信号Uout()， 得到BB高频系统的频率响应H()曲线： 0008 0009 2.2)以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H()曲线； 2.3)根据 该数据查找表， 对波形发。

22、生器的输出激励信号Uin()进行预失真处理， 得到时域下仅考虑 动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。 0010 进一步， 所述步骤2.3)中时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号的计算公式 为： 0011 说明书 2/8 页 6 CN 110705085 A 6 0012 其中， t为时域下时间自变量； n为傅里叶级数的n次谐波分量； bn,out为第n次谐波分 量的系数； rep为单正弦信号重复频率； |H(nrep)|和argH(nrep)分别为动态线性环节 在nrep处的频谱响应的幅值和相位。 0013 进一步， 所述步骤3)的具体过程为： 3.1)根据BB高频系统的频率响应H()和。

23、磁合 金腔体的取样电压信号Uout()， 计算频域下动态线性环节的输入信号U？()： 0014 U？()Uout()H-1() 0015 3.2)将频域下动态线性环节的输入信号U？()转换为时域下动态线性环节的输 入信号U？(t)； 3.3)对于M个采样点的时域下动态线性环节的输入信号U？(t)和具有N阶带宽 的功率源， 采用下述超定矩阵表示时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与时 域下动态线性环节的输入信号U？(t)之间的关系： 0016 0017其中，为Uin(t)信号的第M次取样值， N为取样值的N次幂， U？ ,M为U？(t)信号的第 M次取样值； an为磁合金腔体+功率。

24、源的特性参数； 3.4)采用最小二乘法， 求解上述超定矩 阵， 得到磁合金腔体+功率源的特性系数an。 0018 进一步， 所述步骤4)的具体过程为： 4.1)设置若干查找表， 每一查找表的初始值均 为yx的曲线， 其中， y为输出， x为输入； 4.2)根据得到的的曲线， 修改 某一查找表的数值， 将时域下动态线性环节的输入信号U？(t)作为查找表的输入， 将时域下 仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)作为查找表的输出； 4.3)在下一次波形到来时， 重复步骤4.2)修改查找表的数值， 直至所有查找表均完成赋值； 4.4)原输入激励信号Uin(t) 通过查找表得到预失真后的输入激励信。

25、号， 并将其作为低电平控制系统的输出激励信号。 0019 进一步， 所述步骤5)的具体过程为： 根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系 统， 并测量此时磁合金腔体的取样电压信号Uout()； 若此时磁合金腔体的取样电压信号 Uout()满足预先设定的取样电压信号， 则该输入激励信号即为数字低电平系统的实际控 制量； 若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout()不满足预先设定的取样电压信号， 则将该 输入激励信号作为仅考虑动态线性环节的输入激励信号， 进入步骤3)， 直至该输入激励信 号对应的取样电压信号满足预设的理想取样电压信号， 该输入激励信号即为数字低电平系 统的实际控制量， 完成加速器单。

26、正弦模式下高频数字低电平的控制。 0020 加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统， 其特征在于， 包括： BB高频系统 简化模块， 用于采用Hammerstein模型， 将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性 环节串联而成的系统， 其中， 静态非线性环节为功率源， 动态线性环节为磁合金腔体； 输入 激励信号确定模块， 用于根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁合金腔体的取样电压 信号得到的频谱响应曲线， 确定仅考虑动态线性环节的输入激励信号； 特性系数确定模块， 用于采用最小二乘法， 根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号， 确定磁合金腔体+功率源 的特性系数； 预失真处理模块，。

27、 用于根据确定的特性系数an， 同时考虑静态非线性环节和动 说明书 3/8 页 7 CN 110705085 A 7 态线性环节， 对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真处理， 得到预失真后的输 入激励信号； 实际控制量确定模块， 用于根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统， 测 量此时磁合金腔体的取样电压信号， 并根据测量的取样电压信号和预先设定的取样电压信 号， 确定数字低电平系统的实际控制量， 完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。 0021 进一步， 所述输入激励信号确定模块包括： 频率响应曲线确定单元， 用于通过波形 发生器进行极慢速扫频， 记录波形发生器的输出激励信。

28、号Uin()和该输出激励信号Uin ()对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout()， 得到BB高频系统的频率响应H()曲线； 数据存储单元， 用于以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H()曲线； 预失 真处理单元， 用于根据该数据查找表， 对波形发生器的输出激励信号Uin()进行预失真处 理， 得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。 0022 一种计算机程序， 其特征在于， 包括计算机程序指令， 其中， 所述计算机程序指令 被处理器执行时用于实现控制方法对应的步骤。 0023 一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 所述计算机可读存储介质上存储有计算 机程序指令，。

29、 其中， 所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现控制方法对应的步骤。 0024 本发明由于采取以上技术方案， 其具有以下优点： 1、 本发明采用Hammerstein模 型， 将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环节串联而成的系统， 由于 Hammerstein模型不需要统一的表达式， 因此简化的BB高频系统的非线性分析能够避免固 定的预失真算法导致的二次失真， 且由于控制算法迭代进行， 能够不断提高BB高频系统的 控制精度。 2、 本发明由于采用Hammerstein模型与自适应迭代学习算法相结合的控制策略， 使得控制系统能够适应具有宽带特性、 频率响应动态变化和频率响应非线性的。

30、系统， 可以 广泛应用于可应用于生物(医疗)、 航天和工业等领域中。 附图说明 0025 图1是现有技术中高频电压与Bucket之间的关系示意图， 其中， 图1(a)和(b)为单 正弦电压尾部振荡幅度不同的腔体加速间隙电压的示意图， 图1(c)和(d)为图1(a)和(b)对 应的高频Bucket的示意图； 0026 图2是现有技术中Barrier Bucket的电压示意图； 0027 图3是现有技术中GSI的ESR的BB数字低电平系统的结构示意图； 0028 图4是本发明中Hammerstein模型的结构示意图； 0029 图5是本发明方法的原理示意图， 其中， UAWG为信号源输入信号； Z。

31、amp为放大器元件 等效阻抗； Uamp,in为由信号源信号经过50传输线到达匹配负载端的电压信号， 该信号与放 大器元件输入端耦合产生Uamp信号； Uamp为放大器元件的输入信号， 由前者Uamp,in信号通过耦 合产生； Zcav为高频腔体等效阻抗； Cgap为板级间电容； 0030 图6是本发明中功率源的非线性实测结果示意图。 具体实施方式 0031 以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。 然而应当理解， 附图的提供仅为了更 好地理解本发明， 它们不应该理解成对本发明的限制。 0032 为提高高电压下BB电压的信号质量， 必须考虑非线性效应。 功率源被建模为非线 说明书 4/8 页 8。

32、 CN 110705085 A 8 性电压控制电压源， 其输出阻抗是未知且变化的。 由于磁合金腔体内的磁场强度很小， 一般 为磁合金环饱和磁感应强度的5。 为简化系统分析， 认为磁合金腔体的动态效应是线性 的。 假设低电平系统和功率源输入之间理想匹配， 就可以采用Hammerstein模型(哈默斯坦 模型)来简化非线性高频系统。 如图4所示， BB高频系统的Hammerstein模型分为静态非线性 环节(主要是功率源)和动态线性环节(主要是磁合金腔体)两部分。 根据Hammerstein模型， 可以采用两步法非线性预测控制方法， 先对Hammerstein模型的动态线性环节确定中间量 预测控制。

33、， 然后采用查找表求解数字低电平系统的实际控制量。 0033 基于上述原理， 如图5所示， 本发明提供的加速器单正弦模式下高频数字低电平的 控制方法， 包括以下步骤： 0034 1)采用Hammerstein模型， 将BB高频系统简化为由静态非线性环节和动态线性环 节串联而成的系统， 其中， 静态非线性环节为功率源， 即非线性电压控制电压源， 动态线性 环节为磁合金腔体， Hammerstein模型是一种处理非线性系统控制的实验模型， 其结构如图 4所示。 BB高频系统由磁合金腔体、 功率源和BB数字低电平系统组成。 0035 2)根据BB高频系统的低电平输出激励信号Uin()和磁合金腔体的取。

34、样电压信号 Uout()得到的频谱响应曲线， 确定时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)， 具 体为： 0036 对于特别小的输入激励信号， 多数系统均可以描述为一个在其工作点附近的线性 系统， 在线性范围内BB高频系统的低电平输出激励信号Uin()、 磁合金腔体的取样电压信 号Uout()与BB高频系统的频率响应H()之间的关系如下： 0037 Uout()Uin()H() (1) 0038 因此： 0039 2.1)通过任意波形发生器(AWG)进行极慢速扫频(10kHz80MHz)， 记录此时AWG的 输出激励信号Uin()和该激励信号Uin()送入磁合金腔体的取样电压信号Uo。

35、ut()， 通过 下述公式(2)即可以得到BB高频系统的频率响应H()， 进而得到BB高频系统的频率响应H ()曲线： 0040 0041 2.2)以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H()曲线。 0042 2.3)根据数据查找表， 对AWG的输出激励信号Uin()进行预失真处理， 可以认为这 一部分仅为动态线性环节， 采用下述公式(3)即可以计算得到时域下仅考虑动态线性环节 的输入激励信号Uin(t)即BB高频系统的预测控制中间量： 0043 0044 0045 其中， t为时域下时间自变量； n为傅里叶级数的n次谐波分量； bn,out为第n次谐波分 量的系数； rep为单正弦。

36、信号重复频率； TBB为单正弦信号自身周期； Trep为单正弦信号的重 复周期； 为单正弦信号的最大幅度； Sa为抽样信号即Sasinx/x； |H(nrep)|和argH(n 说明书 5/8 页 9 CN 110705085 A 9 rep)分别为动态线性环节在nrep处的频谱响应的幅值和相位。 0046 在不考虑放大器元件的情况下， Hammerstein模型可以看成由低电平控制系统的 输出激励信号Uin()送入高频腔体作为输入信号经过腔体的频域响应H()得到取样电压 信号Uout()。 Uin(t)和Uin()是同一信号在时域和频域的不同表示， 因此， 该信号Uin(t)作 为低电平控制。

37、系统的输出激励信号同时又是高频腔体的输入激励信号。 0047 3)采用最小二乘法， 根据时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)， 确定 磁合金腔体+功率源的特性系数an。 0048 当激励电压持续增大时， BB高频系统的非线性会越来越明显， 如图6所示。 测量所 有频率点在不同激励幅度下功率源的频率响应， 工程上是不具备可操作性的， 因此， 采用最 小二乘法， 对Hammerstein模型的静态非线性环节进行辨识。 0049 对于具有N阶带宽的功率源， 时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与 考虑静态非线性的动态线性环节的输入信号U？(t)之间的关系可以采用下式(5)。

38、表示： 0050 0051 其中， 放大器的非线性特性可以表示为非线性输出U？(t)是由输入激励信号Uin(t) 的N阶幂级数多项式组成， 因此， N的取值越大则逼近程度越高但运算速度越低； an为磁合金 腔体+功率源的特性系数。 由于动态线性环节的输入信号U？(t)不能从外部测量， 因此： 0052 3.1)根据BB高频系统的频率响应H()和磁合金腔体的取样电压信号Uout()， 计 算频域下动态线性环节的输入信号U？()： 0053 U？()Uout()H-1() (6) 0054 3.2)将频域下动态线性环节的输入信号U？()转换为时域下动态线性环节的输 入信号U？(t)。 0055 3。

39、.3)在Hammerstein模型下， 时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)经 静态非线性环节得到对应的输出信号U？(t)， 即时域下动态线性环节的输入信号U？(t)， 时域 下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)与时域下动态线性环节的输入信号U？(t)之 间的关系可以采用公式(5)表示， 对Uin(t)和U？(t)这一组波形， 取M个采样点， 得到超定矩 阵， 即下述公式(7)： 0056 0057 其中， Uin(t)是由低电平控制系统的输出激励信号送入Hammerstein模型中静态非 线性环节的输入激励信号， U？(t)是该Hammerstein模型下静态非线性环。

40、节的输出信号也是 动态线性环节的输入信号， 由Uout()反算得来。为Uin(t)信号的第M次取样值， N为取 样值的N次幂； U？ ,M为U？(t)信号的第M次取样值， 取样时刻与的时刻相同。 0058 3.4)采用最小二乘法， 求解上述超定矩阵(7)， 得到磁合金腔体+功率源的特性系 数an。 0059 由于通常MN， 采用最小二乘法求解上述超定矩阵(7)， 得到超定矩阵(7)的最小二 说明书 6/8 页 10 CN 110705085 A 10 乘法的解： 0060 对于一个超定矩阵Axb， A为m*n的矩阵， x为n*1的未知向量， b为m*1的已知向量， 则： 0061 x*是Axb。

41、最小二乘解的充要条件是： x*是ATAxATb的解. 0062 ATAxATb的解存在且唯一， 例如求解下式最小二乘解x： 0063 0064 0065 0066 得到： 0067 x13.0403 0068 x21.2418 0069 4)根据确定的特性系数an， 同时考虑静态非线性环节和动态线性环节， 对时域下 仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)进行预失真处理， 得到预失真后的输入激励信 号， 具体为： 0070 4.1)在将2.3)中得到的时域下输入激励信号Uin(t)送入静态非线性环节前， 加入 若干查找表， 每一查找表的初始值均为yx的曲线， 其中， y为输出， x为输入。。

42、 00714.2)根据公式(5)得到的曲线， 修改某一查找表的数值， 将时 域下动态线性环节的输入信号U？(t)作为查找表的输入， 将时域下仅考虑动态线性环节的 输入激励信号Uin(t)作为查找表的输出。 0072 4.3)在下一次波形到来时， 重复步骤4.2)修改查找表的数值， 直至所有查找表均 完成赋值。 0073 4.4)原输入激励信号Uin(t)通过查找表得到预失真后的输入激励信号， 并将其作 为低电平控制系统的输出激励信号。 0074 5)根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统， 测量此时磁合金腔体的取样电 压信号Uout()， 并根据测量的取样电压信号Uout()和预先设定的取。

43、样电压信号， 确定数 字低电平系统的实际控制量， 完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制， 具体为： 0075 根据预失真后的输入激励信号激励BB高频系统， 并测量此时磁合金腔体的取样电 压信号Uout()， 若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout()满足预先设定的取样电压信 号， 则该同时考虑静态非线性环节和动态线性环节的时域下输入激励信号Uin(t)即为数字 低电平系统的实际控制量； 若此时磁合金腔体的取样电压信号Uout()不满足预先设定的 取样电压信号， 则将该同时考虑静态非线性环节和动态线性环节的时域下输入激励信号Uin (t)作为时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t。

44、)， 进入步骤3)， 直至得到的同时 说明书 7/8 页 11 CN 110705085 A 11 考虑静态非线性环节和动态线性环节的时域下输入激励信号Uin(t)对应的测量磁合金腔体 的取样电压信号Uout()满足预设的取样电压信号， 该输入激励信号Uin(t)即为数字低电平 系统的实际控制量， 完成加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制。 0076 基于上述加速器单正弦模式下高频数字低电平的控制方法， 本发明还提供一种加 速器单正弦模式下高频数字低电平的控制系统， 包括： 0077 BB高频系统简化模块， 用于采用Hammerstein模型， 将BB高频系统简化为由静态非 线性环节和动态线。

45、性环节串联而成的系统， 其中， 静态非线性环节为功率源， 动态线性环节 为磁合金腔体； 输入激励信号确定模块， 用于根据BB高频系统的低电平输出激励信号和磁 合金腔体的取样电压信号得到的频谱响应曲线， 确定仅考虑动态线性环节的输入激励信 号； 特性系数确定模块， 用于采用最小二乘法， 根据仅考虑动态线性环节的输入激励信号， 确定磁合金腔体+功率源的特性系数； 预失真处理模块， 用于根据确定的特性系数an， 同时 考虑静态非线性环节和动态线性环节， 对仅考虑动态线性环节的输入激励信号进行预失真 处理， 得到预失真后的输入激励信号； 实际控制量确定模块， 用于根据预失真后的输入激励 信号激励BB高。

46、频系统， 测量此时磁合金腔体的取样电压信号， 并根据测量的取样电压信号 和预先设定的取样电压信号， 确定数字低电平系统的实际控制量， 完成加速器单正弦模式 下高频数字低电平的控制。 0078 在一个优选的实施例中， 输入激励信号确定模块包括： 频率响应曲线确定单元， 用 于通过波形发生器进行极慢速扫频， 记录波形发生器的输出激励信号Uin()和该输出激励 信号Uin()对应的磁合金腔体的取样电压信号Uout()， 得到BB高频系统的频率响应H() 曲线； 数据存储单元， 用于以数据查找表的形式存储得到的BB高频系统频率响应H()曲 线； 预失真处理单元， 用于根据该数据查找表， 对波形发生器的。

47、输出激励信号Uin()进行预 失真处理， 得到时域下仅考虑动态线性环节的输入激励信号Uin(t)。 0079 本发明还提供一种计算机程序， 包括计算机程序指令， 其中， 该计算机程序指令被 处理器执行时用于实现本发明实施例提供的控制方法的步骤。 0080 本发明还提供一种计算机可读存储介质， 其上存储有计算机程序指令， 该计算机 程序指令被处理器执行时用于实现本发明实施例提供的控制方法的步骤。 0081 上述计算机程序和计算机可读存储介质用于实现前述实施例中相应的控制方法， 并具有相应的实施例的有益效果， 在此不再赘述。 0082 上述各实施例仅用于说明本发明， 其中各部件的结构、 连接方式和制作工艺等都 是可以有所变化的， 凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换或改进， 均不应排除 在本发明的保护范围之外。 说明书 8/8 页 12 CN 110705085 A 12 图1 图2 说明书附图 1/3 页 13 CN 110705085 A 13 图3 图4 图5 说明书附图 2/3 页 14 CN 110705085 A 14 图6 说明书附图 3/3 页 15 CN 110705085 A 15 。