J-TEXT托卡馬克水平位移控制的建模與優(yōu)化.pdf

1、作為一種可控核聚變裝置，托卡馬克期望在其運行過程中產(chǎn)生并維持高溫度、高密度以及長約束時間的等離子體來獲得凈聚變核能。因此為了達(dá)到上述條件，托卡馬克的運行控制就顯得尤為重要。一般來說，托卡馬克運行控制主要包括力平衡控制、等離子體電流控制、等離子體密度控制以及等離子體剖面參數(shù)控制。其中，力平衡控制作為最基本的托卡馬克運行控制任務(wù)之一，旨在對放電過程中的等離子體水平垂直位移以及截面形狀進(jìn)行控制，以保證托卡馬克放電的穩(wěn)定運行。J-TEXT（Jo

2、int Texas Experimental Tokamak）托卡馬克是一個中型常規(guī)且可產(chǎn)生圓形截面等離子體的聚變實驗裝置，其前身是美國德州大學(xué)奧斯汀分校的TEXT-U，它能以最大220 kA的等離子體電流持續(xù)放電運行300 ms。目前J-TEXT放電主要以拉長比較小的圓截面限制器位型為主，等離子體在垂直方向上的不穩(wěn)定性并不明顯，因此等離子體水平位移控制便顯得更為重要。等離子體水平位移控制的主要目的是根據(jù)當(dāng)前等離子體水平位移狀態(tài)以及預(yù)設(shè)

3、的水平位移位置，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整各極向場線圈中的電流，使得等離子體在水平方向達(dá)到預(yù)期位置。作為一項極其重要且十分基礎(chǔ)的工作，等離子體水平位移控制建模及優(yōu)化為托卡馬克裝置乃至未來聚變堆安全、穩(wěn)定、有效的運行提供了堅實的保障。本文結(jié)合近些年J-TEXT托卡馬克放電實驗數(shù)據(jù)以及現(xiàn)階段的控制需求，從理論與實驗統(tǒng)計模型出發(fā)，重新設(shè)計了一套用于控制等離子體水平位移的串級雙回路復(fù)合控制系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了優(yōu)化。其具體內(nèi)容包括：
　　根據(jù)以往的垂直場（V

4、F）線圈單通波形，發(fā)現(xiàn)了 VF線圈供電回路（內(nèi)回路）中存在時延，并據(jù)此重建了內(nèi)回路模型。通過在原有反饋比例-積分（PI）控制器的基礎(chǔ)上加入前饋VF預(yù)設(shè)電流差分信號，構(gòu)成了一個復(fù)合控制器，并采用混沌自適應(yīng)粒子群優(yōu)化（Chaos Adaptive Particle Swarm Optimization）進(jìn)行離線參數(shù)調(diào)優(yōu)后，內(nèi)回路的跟蹤性能得到了顯著改善。
　　考慮到J-TEXT裝置放電運行中真空室內(nèi)壁渦流對等離子體的影響，推導(dǎo)且驗證了

5、基于渦流的等離子體水平位移非線性響應(yīng)模型，并在對該模型線性化處理的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計出了等離子體水平位移閉環(huán)控制回路（外回路）中的不完全微分比例-積分-微分(PID)反饋控制器，改善了外回路控制器對位移迅速變化的響應(yīng)。基于新的外回路模型，搭建了J-TEXT水平位移控制系統(tǒng)仿真平臺，對內(nèi)外回路控制器進(jìn)行了離線驗證與優(yōu)化，縮短了在線調(diào)試時間，提高了放電效率。
　　結(jié)合J-TEXT裝置的放電特點，對原用的水平位移控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，細(xì)化了

6、J-TEXT放電運行的各個階段，并以每個階段的具體要求分別設(shè)計了控制策略及異常處理方式。該策略已用于J-TEXT實際放電中，保證了整個放電過程對水平位移控制的要求，提升了放電質(zhì)量。
　　為了更好地抑制 J-TEXT放電中因等離子體密度迅速變化而引起的水平位移擾動，結(jié)合以往實驗數(shù)據(jù)發(fā)掘出了水平位移平衡時垂直場與等離子體平均密度的統(tǒng)計規(guī)律，并依此在外回路控制器中引入了針對密度變化的前饋補償環(huán)節(jié)，設(shè)計出了基于密度前饋補償?shù)乃轿灰?PI