托卡马克装置等离子体控制系统实时技术研究

摘要

托卡马克装置中，等离子体控制是一项重要的基础性工作，作用是快速精准地对等离子体的各项参数进行实时控制，并且涉及到多种控制算法以及多个系统之间的协调运作，是托卡马克装置运行和深入的物理实验的前提和基础。现代托卡马克装置中，等离子体控制系统通常是一个由多个子系统通过各种网络连接起来构成的复杂实时控制系统。实时控制技术是等离子体控制系统的关键技术，是数据采集、实时反馈计算、联锁保护、实时数据传输等功能的重要基础。
　　本文根据等离子体控制系统实时控制软件开发的需求，设计并开发了一个灵活的跨平台、多线程、模块化的实时软件框架（JRTF）。该软件框架使用C/C++开发，可以运行于Linux、Windows、QNX操作系统，并且将各个功能模块封装成类，实现了多线程、线程调度、线程间通信、高精度定时器、日志、网络通信、数据库等功能。该软件框架在操作系统和控制算法之间建立了一个明显的边界，开发人员只需重点关注控制算法，其他所有的任务都可以通过框架内提供的对象来实现。使用软件框架可以提高软件开发效率，使软件具有更好的维护性和扩展性。并且该框架集成了EPICS的核心功能，可以兼容其他基于EPICS的控制系统。
　　等离子体控制系统是一个硬实时系统，为了提高JRTF应用的实时性能，本文重点研究了基于Linux的实时操作系统，采用RT-Preempt patch的方案将普通Linux内核转变成完全可抢占式内核，大幅提高了系统响应的时间确定性。本文研究了Linux系统下的时钟、定时器、调度策略、电源管理等内容，在JRTF软件框架中集成了针对系统实时性的调校方法。本文针对实际等离子体控制系统应用状况对实时Linux操作系统的各项性能参数做了详细测试，测试结果表明基于RT-Preempt patch的实时Linux系统的各项实时性能均满足等离子体控制的硬实时需求。
　　本文以JRTF框架和实时Linux系统为基础，设计并实现了新一代的J-TEXT装置等离子体控制系统，具体完成了以下内容并进行了相应的创新：采用NI PXI平台的硬件实现了全新的电源控制器硬件系统；结合JRTF框架，实现了J-TEXT脉冲磁体电源控制软件的所有功能抽象，极大地提高了同类型控制系统的开发效率；研究了基于反射内存的实时网络，组建了星型拓扑结构的硬实时网络，可以实现微秒级别的数据同步；基于NI CompactRIO平台设计实现了J-TEXT等离子体控制系统中的联锁保护系统；设计了分布式计算框架用来实现J-TEXT装置原有的等离子体控制算法，并且对新系统的运行参数进行了整定；本文还针对未来的基于实时平衡反演的等离子体控制算法设计了集中式计算框架。
　　新的等离子体控制系统系统已经在2017年春季的J-TEXT工程测试中完成调试，运行良好，为未来进一步的先进等离子体控制奠定了基础。本文所研究的实时控制软件框架以及相关的软硬件技术可以为其他托卡马克装置中的类似控制系统提供参考。

目录

1 绪论

1.1 核能和可控核聚变

1.2 托卡马克装置概述

1.3 托卡马克等离子体控制

1.4 国内外托卡马克等离子体控制系统介绍

1.5 本文主要内容

2 J-TEXT等离子体控制系统实时软件框架设计与实现

2.1 J-TEXT等离子体控制系统软件框架需求分析

2.2 J-TEXT实时软件框架

2.3 JRTF中的关键组件

2.4 JRTF关键技术

2.5 JRTF的编译和运行

2.6 JRTF图形界面

2.7 JRTF应用的部署

2.8 JRTF的跨平台实现

2.9 本章小结

3 Linux系统的实时性优化与调校

3.1 实时系统介绍

3.2 Linux实时操作系统

3.3 实时Linux系统的调校

3.4 JRTF在实时Linux系统下的测试

3.5 本章小结

4 J-TEXT等离子控制系统设计

4.1 J-TEXT等离子控制系统结构

4.2 J-TEXT磁体电源系统

4.3 电源控制系统的设计

4.4 基于PLC的本地保护系统

4.5基于NI CRIO的联锁保护系统

4.6 基于反射内存的实时网络

4.7 J-TEXT等离子体控制算法的实现

4.8 新系统的部署与调试

4.9 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录