基于超导托卡马克装置的等离子体密度智能测控系统的研制

摘要

开发洁净、安全的新能源是全人类的共同期望,核聚变是未来新能源发展的一个主要方向,托卡马克是目前世界上进行核聚变实验的主要装置。本论文依托国内ITER配套计划项目,为在建的J-TEXT装置搭建先进的等离子体电子密度智能控制系统。托卡马克放电实验中,要求控制等离子体电子密度能够迅速达到较高值并保持稳定。本文以EAST装置的开发经验为指导,优化系统的软硬件配置,设计了基于上下位机双操作系统的J-TEXT装置等离子体密度控制系统。该结构充分发挥了Linux系统的实时性、稳定性、出色的网络性能和Windows系统的人机交互性。
　　论文对系统的各模块做以介绍,并详述了上下位机的设计。在系统的通信问题上,基于Socket技术设计了客户端和服务器的通信程序,实现了上下位机的实时通信和数据传输,保障了系统稳定协调运行。数据采集的实时性决定了托卡马克装置密度控制系统的整体性能。为此,本论文基于PCI DAQ2010数据采集卡的双缓冲模式采集方式设计开发了等离子体密度高速数据采集通道。测试结果显示,采用无损实时的LZO压缩算法对数据进行压缩,提高了数据传输的效率,进一步满足了实验的需要。目前,等离子密度控制上采用的是传统PID控制器,虽具有结构简单、稳定等优点,但在控制的实时性和跟踪能力上还有待于优化。本论文结合生物智能方法,对托卡马克等离子密度控制系统的智能化进行研究,提出了基于神经内分泌控制器的密度控制系统,该系统在放电过程中根据装置中密度状态实时在线对控制参数进行调整。通过托卡马克装置的机理模型,对智能PID与常规PID进行仿真、比较,结果显示了智能PID在实时性和稳定性上的优势。本论文的主要贡献是搭建了稳定、有效的等离子体密度控制系统,满足托卡马克装置实验的实时性要求,并实现长时间稳定的实验数据采集。最后,提出了托卡马克装置密度控制系统的智能化解决方案,为后期智能系统的实现提供理论依据。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 相关领域研究现状

1.2.1 核聚变研究现状

1.2.2 数据采集研究现状

1.2.3 等离子体密度智能控制策略的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

1.4 论文提纲

第二章 J-TEXT托卡马克装置等离子体密度反馈控制系统

2.1 引言

2.2 等离子体电子密度影响因素

2.3 J-TEXT密度控制系统整体框架

2.4 各子系统的构成

2.4.1 密度测量子系统

2.4.2 反馈控制子系统

2.4.3 脉冲充气子系统

2.5 上位机设计

2.6 下位机设计

2.7 小结

第三章 实时数据通信系统的设计

3.1 引言

3.2 系统需求

3.3 Socket通信模型

3.4 程序设计与实现

3.4.1 基于Delphi的上位机socket通信技术

3.4.2 基于Linux的下位机端socket通信技术

3.4.3 部分socket通信程序代码

3.5 小结

第四章 高速数据采集系统的设计

4.1 引言

4.2 系统整体方案

4.3 系统硬件结构的设计

4.4 系统软件结构设计

4.4.1 DAQ2010数据采集

4.4.2 数据压缩

4.4.3 数据传输与存储

4.4.4 服务器端软件设计

4.5 系统分析

4.6 小结

第五章 系统控制算法的优化

5.1 引言

5.2 托卡马克装置等离子体密度对象的建模与分析

5.2.1 等离子体密度控制机理

5.2.2 机理建模

5.3 常规PID控制

5.4 神经内分泌PID控制算法

5.4.1 内分泌智能控制器

5.4.2 等离子体密度智能控制系统

5.4.3 控制算法选择

5.5 仿真结果分析

5.6 小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录：攻读硕士期间参加的项目及成果