基于级联积分滑模控制器的医用回旋加速器去离子水冷却系统恒温控制策略研究

本文针对医用回旋加速器去离子水冷却系统（WCS）的非线性、强耦合及扰动敏感特性，提出一种基于级联积分滑模控制（CISMC）的自适应恒温策略。通过机理建模与饱和函数优化，显著提升温度控制精度（IAE从19.27降至5.88）和流量稳定性（ITAE从3.00降至1.21），有效抑制滑模抖振，为高能粒子装置热管理提供创新解决方案。

　　

Section snippets

Water cooling system modeling methodology

如图1所示，回旋加速器水冷却系统实施恒温与恒流量控制流程。水泵将去离子水从储罐输送至管道，通过阀门开度控制进入板式换热器的水流量，进而调节腔体温度。系统最终实现热交换的精确控制，去离子水冷却回路温度维持在19～21°C范围内。

System controller design

近年来，滑模控制（SMC）因其对扰动和参数变化的固有鲁棒性而备受关注。SMC策略确保系统状态在有限时间内收敛至预设滑模面，并遵循既定滑动模态动力学。一旦状态到达滑模面，系统将进行滑模运动，最终趋于平衡点。

Simulations for CISMC control, results and discussion

当前，传统比例-积分-微分（PID）控制策略因简单可靠广泛应用于医用回旋加速器水冷却系统，但其效能常受系统非线性传热和扰动限制。本研究采用Simulink进行仿真，步长0.1秒，四阶龙格-库塔求解器，重点评估所提策略的温度跟踪性能。

Conclusion

本文针对医用回旋加速器去离子水冷却系统（WCS），提出一种基于级联积分滑模控制（CISMC）的双回路控制策略以提升温控能力。基于机理法建立WCS数学模型，通过双回路设计解耦温度与质量流量控制，根据系统温度需求生成目标冷却水流量，并结合自适应律与饱和函数优化动态性能。