HL-2M等离子体控制系统设计与实现

摘要

受控核聚变是产生可持续能源的重要途径，托卡马克是一种实施受控核聚变反应的装置。HL-2M是一个具有多种等离子控制模块的托卡马克装置。等离子体控制是进行托卡马克实验的必要条件，为了保证等离子体的稳定性，需要一套高速可靠的控制系统来对等离子体的位形、动力学参数、不稳定性等进行实时控制，产生符合实验要求的等离子体，并且可以获取、存储实验产生的数据供研究人员分析。
　　本文结合HL-2M等国内外热核聚变实验装置论述了等离子体控制系统的功能和性能需求，并对其关键技术进行研究，在研究的基础上设计实现了模块化的等离子体控制系统。在该系统中，各种等离子体控制策略以模块的形式进行开发和集成，采用抽象化的方法对模块进行规范化管理，利用实时操作系统设计实现了实时多线程并行框架为模块提供运行环境；在系统框架的基础上开发了多个等离子体控制模块，并在HL-2A等离子体实验中对各模块进行功能和性能测试；设计了多个非实时服务为等离子体控制系统提供了支撑功能。
　　本文设计的系统利用多核多线程技术设计并实现了实时多线程并行框架，通过线程与内核亲和性设置、线程同步等手段保证了框架的稳定性和实时性。通过对等离子体各种控制策略进行抽象化研究总结出通用的业务逻辑，从而设计了控制模块的抽象化接口。在抽象化接口的基础上将等离子体控制的各种策略进行模块化封装，从而实现了模块化的软件结构。并利用抽象化接口和实时多线程并行框架描述了模块开发和集成的方法。
　　本文设计的系统在模块化结构的基础上开发、集成了等离子体实时位形重建、撕裂模实时控制、等离子体位置电流控制等功能模块，并对各功能模块进行性能优化，在HL-2A实验中对各功能模块进行应用和测试，并针对HL-2M等离子体控制的特点提出了模块未来的改进方案。采用数据库、云计算等互联网技术设计了数据配置服务、远程参与服务以及消息服务，为等离子体实时控制提供了必要的支撑功能。
　　本文研发的等离子体控制系统设计目标是部署于未来的HL-2M装置，为了验证系统的可靠性，系统已经部署于目前的HL-2A装置，在实验中运行良好。等离子体控制系统吸收了ITER以及国内外多个等离子体控制系统的现有技术，对未来托卡马克等离子体控制系统的设计提供了参考方案。

目录

声明

1 绪论

1.1 受控核聚变概述

1.2 托卡马克装置介绍

1.3 等离子体控制系统介绍

1.4 本文主要内容

2 HL-2M等离子体控制系统需求分析及关键技术

2.1 HL-2M等离子体控制系统需求分析

2.2 HL-2M等离子体控制系统采用的关键技术

2.3 本章小结

3 HL-2M等离子体控制系统的设计

3.1 等离子体控制系统结构设计

3.2 等离子体控制系统硬件组成和连接

3.3 等离子体控制系统软件设计

3.4 实时多线程并行框架

3.5 等离子体控制系统集成方法

3.6 本章小结

4 等离子体控制系统模块的集成与应用

4.1 实时平衡位形重建模块

4.2 撕裂模实时控制模块

4.3 等离子体位置电流控制模块

4.4 HL-2M等离子体控制系统的改进方案

4.5 本章小结

5 HL-2M等离子体控制系统支撑功能

5.1 参数配置服务

5.2 消息服务

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 对本文的总结

6.2 对未来的展望

致谢

参考文献

附录攻读博士学位期间发表的论文

附录重要英文缩写与术语表