EAST等離子體位形控制優(yōu)化及系統(tǒng)辨識.pdf

1、位形控制是托卡馬克等離子體控制的重要組成部分，近年來，各種先進(jìn)等離子體位形在各大托卡馬克裝置上逐漸得到了應(yīng)用，如ITER-like位形、雪花位形、super-X位形等。各種先進(jìn)位形在改善等離子體約束，提高等離子體參數(shù)的同時，也對位形控制提出了更高的要求:一方面要求位形控制的精度更為準(zhǔn)確，另一方面，由于先進(jìn)位形通常帶來了更高的垂直位移增長率，因此也對垂直位移控制的動態(tài)響應(yīng)提出了更高的要求。為了滿足先進(jìn)位形對位形控制能力的需求，本論文從系統(tǒng)

2、響應(yīng)模型，系統(tǒng)辨識，垂直位移控制優(yōu)化及多輸入多輸出控制等幾個方面對EAST上的位形控制能力進(jìn)行了優(yōu)化。
　　為了優(yōu)化EAST上的位形控制系統(tǒng)，必須要有一個足夠準(zhǔn)確的系統(tǒng)響應(yīng)模型，同時該響應(yīng)模型還必須可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕赃m應(yīng)控制器設(shè)計的需要。本文采用了在等離子體控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的RZIP等離子體響應(yīng)模型，并基于RZIP模型，得到了等離子體垂直位移控制響應(yīng)模型及位形控制響應(yīng)模型，對得到的高階模型進(jìn)行了化簡，并利用實驗數(shù)據(jù)，對響應(yīng)模

3、型進(jìn)行了校驗。在使用物理方法建立響應(yīng)模型的同時，本文還采用了系統(tǒng)識別的方法對系統(tǒng)建立響應(yīng)模型。系統(tǒng)辨識可以利用實驗數(shù)據(jù)，針對特定系統(tǒng)建立面向控制的響應(yīng)模型。本文利用系統(tǒng)辨識中的ARMAX模型，通過相應(yīng)的辨識實驗，針對垂直位移控制及位形控制建立了系統(tǒng)辨識模型，并且與RZIP模型進(jìn)行了校驗，結(jié)果證明系統(tǒng)辨識模型具有較好的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，本文利用系統(tǒng)辨識模型對垂直位移控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
　　為了更好地控制高增長率的等離子體位形，以

4、及解決之前EAST實驗中遇到的垂直位移控制問題，本文設(shè)計了時間最優(yōu)控制器及速度反饋控制器。時間最優(yōu)控制器是利用最優(yōu)控制原理，將控制時間作為最優(yōu)化量，從而起到最優(yōu)化動態(tài)響應(yīng)的目的。在限定控制分量最大值的系統(tǒng)中，可以證明其時間最優(yōu)控制的控制分量是在兩個邊界值之間來回切換，這會導(dǎo)致在平衡位置附近的噪聲影響會被放大，因此在時間最優(yōu)控制器設(shè)計中結(jié)合了PID控制器，以保證其可以更好地適應(yīng)系統(tǒng)噪聲。速度反饋控制器是針對EAST快慢Z控制分離所帶來的垂

5、直位移控制耦合所提出的優(yōu)化方案，速度反饋控制器不再反饋垂直位移的位置，而是反饋位移速度，再加上反饋快控電流作為穩(wěn)定項，實現(xiàn)對快速垂直位移的控制。在垂直位移控制中，系統(tǒng)的噪聲會對整個控制回路帶來很大的影響，本文基于實驗數(shù)據(jù)分析了EAST當(dāng)前可以用于垂直位移控制的各個信號噪聲水平，并基于實驗噪聲水平，利用TOKSYS工具包模擬了不同位形條件下時間最優(yōu)控制器及速度反饋控制器的控制性能，驗證了兩種控制器可以用于不同位形條件下的等離子體控制。

6、r>　　在一次放電中，為了保持等離子體處于目標(biāo)位形，除了控制其垂直位移外，還需對其它位形參數(shù)加以控制以保持其形狀。在EAST所采用的ISOFLUX控制算法中，位形控制是通過12組獨立的PF線圈控制等離子體邊界上若干控制點的磁通與X點磁通的差值來實現(xiàn)形狀位置的準(zhǔn)確控制。早先的位形控制采取的是單輸入單輸出(Single-Input Single-Output)策略，即選擇離控制點較近的PF線圈控制對應(yīng)的控制點，每個控制點也只受12組PF線圈

7、控制。這種控制簡明直觀，但由于各個控制量之間存在較強(qiáng)的耦合，因此需要大量的實驗以及豐富的經(jīng)驗才能使得系統(tǒng)達(dá)到理想的狀態(tài)。本文基于等離子體響應(yīng)模型，進(jìn)行了靜態(tài)解耦，設(shè)計了多輸入多輸出(Multi-Input Multi-Output)控制器，并利用奇異值分解等方法對解耦矩陣進(jìn)行優(yōu)化，使得其不會超出電源系統(tǒng)的最大供電能力。本文借助TOKSYS，TSC等工具對解耦矩陣的解耦效果進(jìn)行了模擬驗證，并在實驗中利用MIMO控制算法成功實現(xiàn)了完整放電及