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同步辐射光束线及实验站是当前最重要的一类光子实验装置,组成这类装置的各种设备中,存在着各种运动(motion)部件和元件,例如光束线中的光学狭缝刀口的移动,单色器Bragg角的旋转,准直和聚焦镜子的压弯以及实验站的样品台的转动等等。为了向实验用户提供高质量、高效率的同步辐射光,所有这些精密的光学设备和实验设备都需要精确的定位控制。
本论文的研究工作集中在光束线运动控制系统,该系统是光束线控制系统的重要组成部分。论文介绍了同步辐射光源、光束线及实验站的一般概念;光束线控制系统和运动控制系统的基本组成、应用与发展;以及经典控制理论在光束线运动控制系统中的应用。在此基础上,深入研究了基于EPICS软件环境的光束线运动控制系统;并开展了步进电机闭环控制的研究。
在国内目前运行的同步辐射装置中,光束线中各种设备的运动控制所采用的方法形形色色,技术上比较落后,而且难以维护和发展。上海光源(ShanghaiSynchrotron Radiation Facility,SSRF)工程决定采用EPICS软件构建光束线控制系统。EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System,实验物理与工业控制系统)是近年来广泛应用于加速器及其它大型实验物理装置控制系统中的软件工具集。本论文的核心工作就是研究采用EPICS软件实现SSRF工程的光束线运动控制系统。研究工作选用VME硬件平台,完成了EPICS下光束线运动控制系统的总体设计、硬件(控制器、驱动器等)系统选型、底层软件及上层应用软件的调试,并以一台四刀口狭缝设备为原型,实验研究了EPICS下的各种运动控制,测试表明,该系统不仅具有优良的定位精度,而且便于维护和扩展。这项研究工作首次在国内实现了EPICS软件环境下光束线的运动控制,为SSRF工程的光束线控制系统建立了完整的运动控制模型,研究成果已应用于SSRF光束线运动控制系统的建造和调试中,这是本论文的主要创新性工作。
步进电机通常采用开环控制,是唯一无需反馈装置就能实现特定精度要求的位置控制的执行元件。通常在同步辐射光束线运动控制中大量采用开环的步进电机,本论文在完成了EPICS环境下步进电机开环控制的基础上,对步进电机的闭环控制方法进行了深入的研究,并在四刀口狭缝上实现了步进电机的闭环控制,这是本论文的另外一项创新性工作。可以预期,在未来的光束线设备的运动控制系统中,步进电机闭环控制将得到越来越多的应用。