초고속 자기부상열차(Maglev) 고온 초전도체 핀 고정 빔-김스부르크-란다우 & 1,000Hz 0-Alloc C# 6자유도 자세 제어 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.SuperconductingMaglev
{
    /// <summary>
    /// 자기부상열차 변위 및 센서 계측 상태 구조체
    /// </summary>
    public readonly ref struct MaglevMotionState
    {
        public double LevitationGapMeters { get; }  // 공극 변위 z (m)
        public double LateralDisplacementM { get; } // 횡방향 변위 y (m)
        public double RollAngleRad { get; }         // 롤 각도 phi (rad)
        public double PitchAngleRad { get; }        // 피치 각도 theta (rad)
        public double YawAngleRad { get; }          // 요 각도 psi (rad)
        public double VerticalVelocityMps { get; }  // 수직 속도 vz (m/s)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MaglevMotionState(double z, double y, double roll, double pitch, double yaw, double vz)
        {
            LevitationGapMeters = z;
            LateralDisplacementM = y;
            RollAngleRad = roll;
            PitchAngleRad = pitch;
            YawAngleRad = yaw;
            VerticalVelocityMps = vz;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 초전도 핀고정 부상 및 보조 전자석 서보 제어 엔진
    /// </summary>
    public ref struct FluxPinningStabilizerEngine
    {
        private const double NominalGapMeters = 0.025; // 기준 부상 공극 25mm
        private const double LevitationBaseForceN = 120000.0; // 기본 부상력 (N)
        private const double DecayLengthM = 0.015;     // 자기장 감쇄 길이

        private double _activeCoilCurrentAmp;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FluxPinningStabilizerEngine(double initialCoilCurrent)
        {
            _activeCoilCurrentAmp = initialCoilCurrent;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz 실시간 루프 (dt = 0.001s) 부상력 계산 및 진동 능동 감쇠
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void ProcessStep(
            in MaglevMotionState state,
            out double passiveLevitationForceN,
            out double activeDampingForceN,
            out double commandedCoilCurrentAmp,
            out bool isLevitationStable)
        {
            // 1. 수동 자속 핀고정 부상력 (지수 감쇄 모델)
            double gapDelta = state.LevitationGapMeters - NominalGapMeters;
            passiveLevitationForceN = LevitationBaseForceN * Math.Exp(-state.LevitationGapMeters / DecayLengthM);

            // 2. 진동 억제를 위한 능동 보조 전자석 감쇠력 (PD 제어)
            const double kp = 350000.0; // 공극 오차 비례 게인 (N/m)
            const double kd = 18000.0;  // 진동 속도 미분 게인 (N/(m/s))

            double targetForce = -(kp * gapDelta + kd * state.VerticalVelocityMps);

            // 롤(Roll) 안정화 보정 모멘트 고려
            double rollTorqueCorrection = 5000.0 * state.RollAngleRad;
            targetForce += rollTorqueCorrection;

            activeDampingForceN = Math.Clamp(targetForce, -30000.0, 30000.0);

            // 3. 전자석 보조 코일 전류 산출 (F_EM = k_em * I)
            const double coilConstant = 125.0; // N/A
            commandedCoilCurrentAmp = activeDampingForceN / coilConstant;
            _activeCoilCurrentAmp = commandedCoilCurrentAmp;

            // 4. 안전 공극 한계 판정 (15mm ~ 35mm 범위)
            isLevitationStable = (state.LevitationGapMeters >= 0.015 && state.LevitationGapMeters <= 0.035) &&
                                 (Math.Abs(state.RollAngleRad) < 0.05);
        }
    }
}