Повышение стабильности ВЧ поля в LLRF системе за счёт добавления интегральной составляющей второго порядка в передаточную функцию ПИД-регулятора

В работе рассматривается задача повышения точности стабилизации амплитуды и фазы высокочастотного поля в системе низкоуровневого радиочастотного управления (LLRF), применяемой в ускорителях заряженных частиц. Показано, что основным источником деградации стабильности являются низкочастотные возмущения, обусловленные пульсациями источников питания, температурными дрейфами и изменением параметров нагрузки. Продемонстрировано, что классическая структура ПИД-регулятора принципиально ограничена в подавлении таких возмущений вследствие компромисса между усилением на низких частотах и запасами устойчивости. Предложена модифицированная структура регулятора с интегральной составляющей второго порядка. Показано, что предложенный подход приводит к увеличению порядка астатизма системы и формированию наклона амплитудной характеристики -40 дБ/декаду в области низких частот, что обеспечивает существенно более эффективное подавление квазистационарных и медленно изменяющихся возмущений. Разработана математическая модель системы управления, отражающая основные динамические свойства ВЧ тракта. Дополнительно предложена нелинейная стратегия управления, основанная на отложенной активации интегральной составляющей второго порядка, которая предотвращает увеличение длительности переходного процесса при сохранении эффективности подавления возмущений. Результаты численного моделирования и экспериментальных исследований показывают, что предложенный регулятор обеспечивает увеличение динамического диапазона и стабильности амплитуды более чем на 20 дБ по сравнению с типичными современными системами, а также снижение среднеквадратичного отклонения фазы не менее чем на порядок. Полученные результаты подтверждают, что введение интегральной составляющей второго порядка в структуру регулятора является эффективным способом повышения точности стабилизации ВЧ сигнала при сохранении устойчивости и робастности системы управления.