Ansätze zur modellprädiktiven Regelung der longitudinalen Strahldynamik in Synchrotronen
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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
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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 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
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.
Über die Autoren
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 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 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
Danksagung
Christopher M. Kellett wird unterstützt durch den Australian Research Council unter dem Förderkennzeichen FT1101000746. Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt durch die Alexander von Humboldt-Stiftung.
©2015 Walter de Gruyter Berlin/Boston
Articles in the same Issue
- Frontmatter
- Editorial
- Ausgewählte Beiträge der GMA-Fachausschüsse 1.30 und 1.40
- Methoden
- Lagrange'sche und Hamilton'sche Beschreibung partieller Differentialgleichungen
- Backstepping-Methode für parabolische Systeme mit punktförmigem inneren Eingriff
- Konfigurationsflachheit linearer mechanischer Systeme
- Anwendungen
- Modellbasierte Analyse und Bewegungsplanung für das BionicKangaroo
- Ansätze zur modellprädiktiven Regelung der longitudinalen Strahldynamik in Synchrotronen
- Methoden
- Parametrische Modellordnungsreduktion für hierarchische selbstoptimierende Systeme
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- Modellierung des Umschlingungswinkels eines auf Rollen geführten Metallbandes
- Modellbasierte Berechnung der Kontaktkräfte an einem elastischen Tastsensor
- Dissertation
- Model order reduction by Krylov subspace methods with global error bounds and automatic choice of parameters
- Adaptive Trajektorienfolgeregelung für Quadrokopter basierend auf der L1-adaptiven Regelungstheorie
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