Der Einzug digitaler Signalprozessoren in moderne Regelsysteme erlaubt nicht nur die Implementation weit umfangreichere Diagnosemöglichkeiten als bei analogen Systemen sondern auch sensible und trickreiche Erweiterungen der Regelalgorithmen selber. Durch moderne DSP- und FPGA-Technologie steht die Geschwindigkeit digitaler Systeme der von analogen in vielen Anwendungsbereichen nicht mehr nach. Mit der Digitalisierung ist die Komplexität der Systeme gestiegen und damit auch die Anforderungen an diejenigen, die sie bedienen sollen. Damit ist die Optimierung der Regelung in Software und die Beherrschung der Komplexität mehr ins Zentrum von Forschung und Entwicklung bei Hochfrequenzregelungen gerückt als es noch vor ein paar Jahren der Fall war.
In der vorliegenden Arbeit wird der Rahmen für ein Automatisierungskonzept moderner Hochfrequenzregelungen entwickelt. Die hier entwickelte Automatisierung baut auf dem Konzept des endlichen Automaten auf, welches für industrielle Anwendungen als etabliert gilt. Es wurde ein modulares Framework entwickelt, in dem Prozeduren über standardisierte Schnittstellen miteinander kommunizieren und problemlos ausgetauscht werden können. Damit soll sowohl dem Entwickler von Komponenten der Regelung als auch dem Operateur auf Schicht die Möglichkeit gegeben werden, einzelne Aspekte der Automatisierung zu verbessern beziehungsweise geänderten Bedingungen anzupassen, ohne dass dafür besondere Programmierkenntnisse nötig wären.
Entlang des Automatisierungskonzeptes wurden neue Algorithmen zu zahlreichen Problemstellungen entwickelt, welche den gestiegenen Anforderungen moderner Hochfrequenzregelungen gerecht werden. Unter den entwickelten und erfolgreich getesteten Algorithmen sind die Kalibration einfallender und reflektierter Welle bei Resonatoren ohne Antenne, die schnelle adaptive Vorauskompensation repititiver Fehler, die robuste Bestimmung des Phasenvorschubs im Regelkreis und der Latenzzeitabgleich zum Zwecke der Unterdrückung von Instabilitäten verursacht durch Passbandmoden.
Bei der Entwicklung der Resonatortheorie wird Wert auf die praktische Verwendbarkeit der Formeln in den Regelalgorithmen gelegt. Durch die Verwendung der in der Regelungstheorie üblichen Nomenklatur wird die Struktur der zugrundeliegenden Gesetzmäßigkeiten hervorgehoben. Auf Basis der entwickelten Theorie konnten an zahlreichen Stellen physikalische Limitierungen, zum Beispiel bei der Vektorsummenkalibration, neu und angemessen ermittelt werden.
Getestet wurden die entwickelten Verfahren zu größten Teilen am Linearbeschleuniger des Free-Electron Lasers in Hamburg (FLASH). Die entwickelte Automatisierung, insbesondere das flexible und transparente Framework und die Verfahren zur Reduktion der Komplexität der zahlreichen Kommunikationskanäle (Quantisierung) ist nicht nur für die Hochfrequenzregelung geeignet sondern auch für andere Bereiche eines Teilchenbeschleunigers und darüber hinaus.
The entry of digital signal processors in modern control systems not only allows for extended diagnostics compared to analog systems but also for sophisticated and tricky extensions of the control algorithms. With modern DSP- and FPGA-technology, the processing speed of digital systems is no longer inferior to analog systems in many applications. A higher degree of digitalization leads to an increased complexity of the systems and hence to higher requirements on their operators. The focus of research and development in the field of high frequency control has changed in the last few years and moved towards the direction of software development and complexity management.
In the presented thesis, a frame for an automation concept of modern high frequency control systems is developed. The developed automation is based on the concept of finite state machines (FSM), which is established in industry for years. A flexible framework was developed, in which procedures communicate using standardized interfaces and can be exchanged easily. With that, the developer of high frequency control components as well as the operator on shift shall be empowered to improve and adapt the automation to changed conditions without special programming skills required.
Along the automation concept a number of algorithms addressing various problems were developed which satisfy the needs of modern high frequency control systems. Among the developed and successfully tested algorithms are the calibration of incident and reflected wave of resonators without antennas, the fast adaptive compensation of repetitive errors, the robust estimation of the phase advance in the control loop and the latency adjustment for the rejection of instabilities caused by passband modes.
During the development of the resonator theory, high value was set on the usability of the equation in algorithms for high frequency control. The usage of the common nomenclature of control theory emphasizes the underlying mathematical structures of the equations. Several physical limitations and requirements, for example the limits of the vector sum calibration, were newly and adequately calculated based on the developed theory.
The linear accelerator of the Free-Electron Laser in Hamburg (FLASH) served as the main platform for testing of the algorithms and concepts. The developed automation, in particular the flexible and transparent framework and methods for the reduction of the complexity of the various communication channels (quantization) is not only suited for high fequency control but also for other aspects of an accelerator and beyond.