J-TEXT托卡馬克中央控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).pdf

1、J-TEXT托卡馬克裝置前身為隸屬美國能源部的TEXT-U裝置，是一個常規(guī)的、中等規(guī)模的聚變實(shí)驗(yàn)裝置。2003年美國德州大學(xué)將該裝置贈送給華中科技大學(xué)，并以此為主要實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)立聯(lián)合聚變研究實(shí)驗(yàn)室。華中科技大學(xué)于2005年開始重建。2007年9月獲得了J-TEXT托卡馬克裝置的第一等離子體。首輪實(shí)驗(yàn)中，J-TEXT成功產(chǎn)生了超過150kA，脈沖寬度大于200ms的等離子體電流。
　　 J-TEXT托卡馬克裝置是一個工程復(fù)雜的科學(xué)實(shí)

2、驗(yàn)裝置，由真空、電源、診斷、送氣等相關(guān)子系統(tǒng)組成，其放電實(shí)驗(yàn)需要由這些系統(tǒng)相互配合才能完成。本論文主要工作目的是建立起J-TEXT托卡馬克中央控制系統(tǒng)，用來統(tǒng)一調(diào)度和協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)、控制裝置的運(yùn)行狀態(tài)，保障裝置正常放電運(yùn)行。
　　 本文根據(jù)J-TEXT托卡馬克裝置物理實(shí)驗(yàn)的需求，分析了整個放電過程，給出了JTEXT托卡馬克中央控制系統(tǒng)基本功能和設(shè)計思路。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)保證能夠?qū)崿F(xiàn)放電參數(shù)的預(yù)設(shè)、放電管理、時序觸發(fā)控制、狀態(tài)巡航和安全

3、保護(hù)、炮號服務(wù)和等離子體控制等基本功能，同時還可進(jìn)行實(shí)時控制。為了達(dá)到實(shí)時控制的要求，在調(diào)研已開發(fā)的實(shí)時控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合了J-TEXT托卡馬克的實(shí)際情況，選擇了以性能優(yōu)異的QNX實(shí)時操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，在該實(shí)時操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)實(shí)時應(yīng)用軟件的開發(fā)模式。
　　 J-TEXT托卡馬克中央控制系統(tǒng)的設(shè)計采用了分布式的控制結(jié)構(gòu)，這種架構(gòu)有利于提高整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也便于今后控制系統(tǒng)的升級和擴(kuò)容。控制系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)和

4、進(jìn)程管理系統(tǒng)兩個部分組成。實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)主要用于實(shí)驗(yàn)人員控制和管理放電實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容包括放電參數(shù)設(shè)置、放電管理等，可以通過人機(jī)友好界面設(shè)置放電參數(shù)、管理和監(jiān)控放電流程等工作。另外，實(shí)驗(yàn)管理系統(tǒng)還提供了炮號發(fā)布和放電信息查詢的擴(kuò)展功能，方便了用戶的使用。進(jìn)程管理系統(tǒng)是整個中央控制系統(tǒng)的實(shí)時控制部分，它以QNX實(shí)時操作系統(tǒng)為平臺來進(jìn)行開發(fā)和運(yùn)行的。進(jìn)程管理系統(tǒng)用于實(shí)時觸發(fā)各子系統(tǒng)的啟動，并循環(huán)檢測各子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，若有故障則立即啟動保護(hù)程序，以

5、保障實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全。此外，進(jìn)程管理系統(tǒng)還結(jié)合一些外部設(shè)備來監(jiān)控放電區(qū)域狀態(tài)，來確保放電時現(xiàn)場無人，以達(dá)到對實(shí)驗(yàn)人員的安全保護(hù)目的。
　　 在完成了J-TEXT托卡馬克中央控制系統(tǒng)設(shè)計之后，對該系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的測試工作，主要包括有網(wǎng)絡(luò)信息測試、時序觸發(fā)準(zhǔn)確性測試、送氣系統(tǒng)及電源系統(tǒng)實(shí)時控制聯(lián)調(diào)等，測試結(jié)果表明控制效果很好。在經(jīng)過前期測試后，J-TEXT托卡馬克中央控制系統(tǒng)投入了放電運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并成功地獲得了第一等離子體。截至目前，

6、在該系統(tǒng)控制下J-TEXT托卡馬克已經(jīng)穩(wěn)定進(jìn)行了六千多次脈沖放電，這一結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了其穩(wěn)定性和可靠性。
　　 為了將來更好地對等離子體進(jìn)行控制，本文進(jìn)一步研究了用于托卡馬克等離子體平衡及其反演計算的流行編碼EFIT程序。針對J-TEXT托卡馬克含有鐵芯這一特點(diǎn)，在EFIT程序中引入了spool模型。實(shí)驗(yàn)顯示，spool-EFIT模型計算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本一致。此外，為了滿足將來控制的需求，本文調(diào)研了on-lineEF