초전도 마그네틱 레비테이션(자기부상) & 고온초전도체 자속 고정(Flux Pinning) 1,000Hz 0-Alloc C# 안정성 서보 제어기

using System;
using System.Numerics;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Superconductivity
{
    /// <summary>
    /// 고온초전도체 자속 고정(Flux Pinning) 자기부상 상태 텔레메트리 구조체 (16-byte 스택 전용)
    /// </summary>
    public readonly ref struct FluxPinningState
    {
        public readonly float LevitationHeightMm; // 부상 공극 높이 (mm)
        public readonly float TrappedFluxTesla;     // 초전도체 내부 포획 자속 밀도 (T)
        public readonly float CreepDecayRatio;      // Anderson-Kim 자속 크리프 감쇄율 (0.0~1.0)
        public readonly float CompensationCurrentA; // 솔레노이드 보상 전류 (A)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FluxPinningState(float height, float flux, float creep, float current)
        {
            LevitationHeightMm = height;
            TrappedFluxTesla = flux;
            CreepDecayRatio = creep;
            CompensationCurrentA = current;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz Zero-Allocation 고온초전도 플럭스 피닝 자기부상 안정성 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct FluxPinningServoEngine
    {
        private readonly float _initialTrappedFlux; // 초기 포획 자속 (Tesla, e.g. 1.2T)
        private readonly float _targetHeightMm;     // 목표 부상 공극 (e.g. 15.0mm)
        private readonly float _pinningPotentialU0; // 유효 피닝 에너지 장벽 (eV, e.g. 0.15eV)
        private readonly float _temperatureKelvin;  // 초전도 벌크 온도 (e.g. 77.3K LN2)
        private float _elapsedSeconds;              // 누적 가동 시간
        private float _lastCompCurrent;             // 직전 보상 전류

        private const float BoltzmannConstantEv = 8.617333262e-5f; // eV/K
        private const float MaxCurrentLimitA = 20.0f;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FluxPinningServoEngine(float initialFlux, float targetHeight, float pinningU0, float tempK)
        {
            _initialTrappedFlux = initialFlux;
            _targetHeightMm = targetHeight;
            _pinningPotentialU0 = pinningU0;
            _temperatureKelvin = tempK;
            _elapsedSeconds = 0.0f;
            _lastCompCurrent = 0.0f;
        }

        /// <summary>
        /// 1ms 주기(1,000Hz) 자속 고정 부상 상태 평가 및 보상 전류 연산 (0-Alloc)
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public FluxPinningState Update1Khz(ReadOnlySpan<float> hallSensorsTesla, float currentHeightMm, float dtSeconds)
        {
            _elapsedSeconds += dtSeconds;

            // 1) 3축 홀 센서 자장 벡터 크기 연산 (B_measured)
            float bx = hallSensorsTesla[0];
            float by = hallSensorsTesla[1];
            float bz = hallSensorsTesla[2];
            float measuredFlux = MathF.Sqrt(bx * bx + by * by + bz * bz);

            // 2) Anderson-Kim 자속 크리프 이론 감쇄 계수 계산
            // M(t) / M0 = 1 - (kB * T / U0) * ln(1 + t / tau0), tau0 ~ 1.0s
            float thermalFactor = (BoltzmannConstantEv * _temperatureKelvin) / _pinningPotentialU0;
            float timeFactor = MathF.Log(1.0f + _elapsedSeconds);
            float expectedDecay = MathF.Max(0.0f, 1.0f - thermalFactor * timeFactor);

            // 3) 부상 공극 오차에 따른 비례-적분(PI) 동적 보상 전류 산출
            float heightError = _targetHeightMm - currentHeightMm;
            float fluxDeficit = (_initialTrappedFlux * expectedDecay) - measuredFlux;

            // 높이 오차와 자속 손실을 동시에 보상하는 하이브리드 제어
            float targetCurrent = (heightError * 1.8f) + (fluxDeficit * 12.5f);
            targetCurrent = Math.Clamp(targetCurrent, -MaxCurrentLimitA, MaxCurrentLimitA);

            // 4) 1차 저역통과 슬루레이트(Slew-Rate) 필터 적용 (코일 인덕턴스 고려)
            _lastCompCurrent += (targetCurrent - _lastCompCurrent) * 0.15f;

            return new FluxPinningState(currentHeightMm, measuredFlux, expectedDecay, _lastCompCurrent);
        }
    }
}