EAST位形控制系统设计.ppt

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1、EAST 位形位形控制系统设计控制系统设计EAST ASIPP罗家融罗家融 王华忠王华忠 黄勤超黄勤超 Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences,P.R.China OutlineEAST ASIPP EAST 位形控制系统设计的难度位形控制系统设计的难度 EAST 位形控制系统的算法位形控制系统的算法 EAST 位形控制系统的硬件结构简解位形控制系统的硬件结构简解 EAST 位形控制对电磁测量和极向场线圈位形控制对电磁测量和极向场线圈的要求的要求 EAST 位形控制系统设计的难度位形控制系统设计的难度EAST ASIPP

2、通常托卡马克的极向场由平衡成形场和欧姆加热场组成。通常托卡马克的极向场由平衡成形场和欧姆加热场组成。对对EASTEAST，采用了所谓极向场一体化设计，即：加热场不仅采用了所谓极向场一体化设计，即：加热场不仅提供伏秒数变化而且参加平衡和成形；同样，平衡场不仅提供伏秒数变化而且参加平衡和成形；同样，平衡场不仅维持等离子体平衡位形，而且也提供部分伏秒数变化。这维持等离子体平衡位形，而且也提供部分伏秒数变化。这样的设计简化了托卡马克的极向场系统，但使等离子体电样的设计简化了托卡马克的极向场系统，但使等离子体电流和平衡位形的同时控制变得比较复杂。在纯欧姆放电的流和平衡位形的同时控制变得比较复杂。在纯欧姆

3、放电的情况下，由于所有极向场线圈上的电流均要变化才能维持情况下，由于所有极向场线圈上的电流均要变化才能维持等离子体电流而与此同时极向场线圈上电流的变化一定造等离子体电流而与此同时极向场线圈上电流的变化一定造成平衡和成形磁场的变化，因此，成平衡和成形磁场的变化，因此，从严格意义上讲，从严格意义上讲，在在一体化设计的基础上，在纯欧姆放电时电流和平衡位形同一体化设计的基础上，在纯欧姆放电时电流和平衡位形同时得到维持是有一定难度的时得到维持是有一定难度的。EAST ASIPP世界上现有装置世界上现有装置极向场线圈区分单独的欧姆加热和等离子体位极向场线圈区分单独的欧姆加热和等离子体位形控制电流形控制电流

4、,并并且靠且靠近等离子体。近等离子体。ASIPPEAST的运行和控制的运行和控制 1,EAST 的所有平衡位形全部由外部极向场线圈产生；的所有平衡位形全部由外部极向场线圈产生；由于一个特定的位形是由全部极向场线圈产生因此对位形的同时控制也只能由于一个特定的位形是由全部极向场线圈产生因此对位形的同时控制也只能用全部极向场线圈完成。此时电源、测量和负载线圈构成的系统的响应时间用全部极向场线圈完成。此时电源、测量和负载线圈构成的系统的响应时间常数决定了这种控制方法可能控制的最快位形变化；常数决定了这种控制方法可能控制的最快位形变化；2,EAST 几种典型平衡位形及其相互关系几种典型平衡位形及其相互关

5、系基本设计位形基本设计位形:具有双零（或单零）偏滤器的大拉长非圆小截面具有双零（或单零）偏滤器的大拉长非圆小截面;其他灵活性为其他灵活性为:具有双零（或单零）偏滤器的中等拉长度下获得尽可能大体具有双零（或单零）偏滤器的中等拉长度下获得尽可能大体积等离子体的平衡位形积等离子体的平衡位形;具有最大体积等离子体的位形具有最大体积等离子体的位形;3,更方便对等离子体位置和形状进行灵活的控制更方便对等离子体位置和形状进行灵活的控制控制执行命令是所有极向场电流的叠加控制执行命令是所有极向场电流的叠加极向场系统的运行和控制变得更为复杂极向场系统的运行和控制变得更为复杂EAST ASIPPEASTEAST A

6、SIPP EAST 位形控制系统的算法位形控制系统的算法 EFITEFIT是在是在DIII-DDIII-D托卡马克装置上开发研制的托卡马克装置上开发研制的等离子体平衡拟合程序。等离子体平衡拟合程序。目前，在目前，在DIII-DDIII-D、JETJET、JT60U JT60U、ASDEX-UASDEX-U等等装置上，装置上，EFITEFIT已广泛用于场形设计、实验运已广泛用于场形设计、实验运行、诊断数据集成分析等方面。行、诊断数据集成分析等方面。按照其基本算法改写的程序，也已运用于很按照其基本算法改写的程序，也已运用于很多装置的等离子体电流和位形实时反馈运行多装置的等离子体电流和位形实时反馈运

7、行中。中。EAST ASIPP实时位形控制系统算法的基本前提实时位形控制系统算法的基本前提一个前提条件是一个前提条件是:如果起始点平衡和一个如果起始点平衡和一个好的重建之间的差距充分小好的重建之间的差距充分小,经过一次迭经过一次迭代解就和收敛重建十分接近足以进行放电代解就和收敛重建十分接近足以进行放电控制。控制。另一前提是另一前提是:一次迭代就可以使实时算法一次迭代就可以使实时算法跟上放电发展中平衡的变化。跟上放电发展中平衡的变化。EAST ASIPP实时实时位形控制系统算法的基本思路位形控制系统算法的基本思路在实时平衡重建算法中，节省从诊断数据出发经过多在实时平衡重建算法中，节省从诊断数据出

8、发经过多次迭代求的一个收敛解的时间。次迭代求的一个收敛解的时间。对于每一次新的平衡重建，取得一个新的诊断数据，对于每一次新的平衡重建，取得一个新的诊断数据，最近的平衡解被当作起始点，仅做一次迭代。如果平最近的平衡解被当作起始点，仅做一次迭代。如果平衡发展得不快，相对于上次解的变化仅用一次迭代就衡发展得不快，相对于上次解的变化仅用一次迭代就可解决，因此结果的准确性足以进行放电控制。可解决，因此结果的准确性足以进行放电控制。如果平衡发展得非常缓慢两次诊断数据之间没有变化，如果平衡发展得非常缓慢两次诊断数据之间没有变化，那么这个算法和离线算法是相同的。那么这个算法和离线算法是相同的。EAST控制小组

9、已经进行的工作控制小组已经进行的工作EAST ASIPP硬件平台：硬件平台：PIII 866 处理器、处理器、256M内存内存操作系统：操作系统：Redhat Linux 7.3编编 译译 器：器：Fortan 90（1）完全平衡重建时间：）完全平衡重建时间：1022ms左右左右（2）极向场电流值作为已知量的完全平衡重建时间：）极向场电流值作为已知量的完全平衡重建时间：895ms左右左右（3）极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值的）极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值的 完全平衡重建时间：完全平衡重建时间：498ms左右左右（4）极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值的）极向场电流值

10、作为已知量且去掉小探针诊断值的 完全平衡重建时间：完全平衡重建时间：310ms左右（网格点为左右（网格点为33*33)（5）极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值、）极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值、磁轴用网格点的最大磁通值代替的完全平衡重建磁轴用网格点的最大磁通值代替的完全平衡重建 时间：时间：296ms左右（网格点为左右（网格点为33*33）EAST控制小组已经进行的工作控制小组已经进行的工作EAST ASIPP硬件平台：硬件平台：PIII 866 处理器、处理器、256M内存内存操作系统：操作系统：Redhat Linux 7.3编编 译译 器：器：Fortan 90关键子程序

11、的时间关键子程序的时间:CURRNT:由电流剖面系数到各点电流值由电流剖面系数到各点电流值 1MS PFLUX:求解方程方法求解方程方法 18MSSTEPS:寻找磁轴和边界寻找磁轴和边界 15MSGREEN:重新排格林函数重新排格林函数 6MSMATRIX:由电磁测量到电流剖面系数由电磁测量到电流剖面系数 1MS 总共总共41MS 其中（网格点为其中（网格点为33*33）ASIPP由电磁测量到电流剖面系数由电磁测量到电流剖面系数:加法加法120000步步,乘法乘法82176步步由电流剖面系数到各点电流值由电流剖面系数到各点电流值:加法加法8267步步,乘法乘法13712步步求控制点的磁通误差值

12、求控制点的磁通误差值(ISOFLUX,20个控制点个控制点):加法加法326780步步,乘法乘法108920步步磁通误差值到单元命令磁通误差值到单元命令:加法加法15206步步,乘法乘法10138步步总共总共:加法加法470253步步,乘法乘法214946步步(分支和数据传输另计分支和数据传输另计和程序设计有关和程序设计有关)实时控制中的算法步骤和时间估算实时控制中的算法步骤和时间估算CPU时间时间=总的时钟周期总的时钟周期/时钟频率时钟频率但由于程序执行过程中与指令数但由于程序执行过程中与指令数 IC有关，每个指令有其固定的指令时钟周期数即有关，每个指令有其固定的指令时钟周期数即CPI,所以

13、：所以：CPI=总的时钟周期总的时钟周期/IC;那么总那么总CPU时间时间=CPI*IC/时钟频率；时钟频率；如果进一步细化的话，计算机分为如果进一步细化的话，计算机分为N种指令，其中第种指令，其中第i种处理时间为种处理时间为CPIi,在程序中这种在程序中这种指令出现的次数为指令出现的次数为Ici次，次，那么程序执行的时间为：那么程序执行的时间为：CPU时间时间=I=1,n(CPIi*ICi)/时钟频率；时钟频率；在程序中大概有在程序中大概有+，共共470253次，次，*/共共214946次；占次；占4个平均时钟周期；个平均时钟周期；数据传输大概数据传输大概171229次；占次；占2个平均时钟

14、周期；个平均时钟周期；分支语句大概分支语句大概1500次，占次，占2个平均时钟周期；个平均时钟周期；CPU的时钟频率为的时钟频率为P4-2.0G带入上式总的带入上式总的CPU时间时间=(470253+214946)*4+171229*2+1500*2/2.0*109 1.51.5msmsEASTEAST ASIPP EAST 位形控制系统的位形控制系统的硬件结构简解硬件结构简解 ASIPPEAST EAST 位形控制的电磁测量位形控制的电磁测量EAST ASIPPEASTEAST Tokamak Tokamak位形控制位形控制数据采集和数据传输数据采集和数据传输多道电磁测量一台采集机器无法承担

15、多道电磁测量一台采集机器无法承担,势必需要多台采集机器势必需要多台采集机器;为了节约计算的时间和精度为了节约计算的时间和精度,原则上采集和计算分开原则上采集和计算分开;,;,为了控制的准确为了控制的准确,每毫秒发出控制命令每毫秒发出控制命令:假设采集假设采集150150道控制信道控制信号号,精度精度1212位位,那么每秒那么每秒1,440,0001,440,000波特率的数据传输是几乎不波特率的数据传输是几乎不可能达到的可能达到的(网络存在阻塞和错误网络存在阻塞和错误-有有HT7HT7的经验的经验););因此我们可以采用因此我们可以采用(1)(1)DSPDSP硬件实现计算控制形式硬件实现计算控

16、制形式(用用3 3到到4 4个个VXIVXI机箱实现机箱实现)(2)(2)高速网络集群形式高速网络集群形式(用用3 3到到5 5个个6464位计算机通过位计算机通过MyrinetMyrinet实现实现)EAST ASIPPDSPDSP硬件实现计算控制形式硬件实现计算控制形式EAST ASIPPDSPDSP硬件实现计算控制形式硬件实现计算控制形式EASTEAST ASIPPMyricomMyricom公司提供网卡和交公司提供网卡和交换换机，其机，其单单向互向互连连速度最高可达到速度最高可达到2 2GbpsGbps(“E“E型卡型卡”号称达到号称达到3.96 3.96 GbitsGbits/s)/

17、s)。MyrinetMyrinet提供直接提供直接点到点、基于集点到点、基于集线线器或基于交器或基于交换换机的网机的网络络配置，两个直接配置，两个直接连连接接的的节节点之点之间间的平均延的平均延迟迟是是5 5到到1818微秒，微秒，这这要比以太网快得多。要比以太网快得多。(而而MyricomMyricom公司公司硬件连接可以绕过硬件连接可以绕过TCP/IP TCP/IP 七层协议，不但减七层协议，不但减少了延迟时间，还大大降低了所占用的少了延迟时间，还大大降低了所占用的CPUCPU资源资源)。高速网络集群形式高速网络集群形式EAST ASIPP计算机之间数据交换用计算机之间数据交换用Myrin

18、et网络网络 每秒每秒2.0 2.0 GigabitsGigabitsPCIPCI接口板接口板为了连接到远程控制为了连接到远程控制,使用光导纤维的接口使用光导纤维的接口LinuxLinux开放资源驱动程序和软件开放资源驱动程序和软件在板在板DMADMA传输方式不占用传输方式不占用CPUCPU资源资源使使用用的的 直直接接发发送送 的的方方式式,将将数数据据发发送送到到目目的的地地CPUCPU所定义的地址所定义的地址多口的交换机为增加控制计算机提供了方便多口的交换机为增加控制计算机提供了方便的可扩充性的可扩充性 EAST ASIPP数据获得用数据获得用D-TACQ PCI板卡板卡 每每块块板上板

19、上3232个通道个通道,每每计计算机上可插算机上可插4 4块块板卡板卡1616位分辨率位分辨率,1010伏伏LinuxLinux开放开放资资源源驱动驱动程序和程序和软软件件第第1 1块块板板卡卡的的DMADMA传传输输时时间间为为7 7微微秒秒,其其他他的的板板卡卡为为1 1微秒微秒每每1 1块块板卡板卡传传送到系送到系统统内存的内存的时间为时间为1 1微秒微秒EASTEAST需要需要5 5块块板卡（板卡（157157通道，通道，3 3通道通道备备用）用）160个通道的低通滤波器（个通道的低通滤波器（800Hz）EAST ASIPP各实时控制计算机的功能各实时控制计算机的功能 CPU1 3块块

20、DAQ板卡板卡 1.1.采集电磁测量数据采集电磁测量数据(每每1 1毫秒采集毫秒采集1 1次次)。2.2.每每1 1毫秒接收毫秒接收CPU2CPU2送来电磁测量数据。送来电磁测量数据。3.3.每每5050毫秒将采集的电磁测量数据发送至毫秒将采集的电磁测量数据发送至CPU2CPU2。4.4.每每5050毫秒接收毫秒接收CPU2CPU2送来的部分等离子体参数。送来的部分等离子体参数。5.5.运运用用等等磁磁通通算算法法运运行行实实时时EFITEFIT的的快快循循环环部部分分,并并每每2 2毫秒将极向场电流数据发送至毫秒将极向场电流数据发送至CPU3CPU3。6.6.每每5050毫秒将通过等磁通算法

21、的部分等离子体参毫秒将通过等磁通算法的部分等离子体参数数据发送至数数据发送至CPU2CPU2。EAST ASIPP各实时控制计算机的功能各实时控制计算机的功能 CPU2 2块块DAQ板卡板卡 1.1.采集电磁测量数据采集电磁测量数据(每每1 1毫秒采集毫秒采集1 1次次)。2.2.每每1 1毫毫秒秒将将发发送送采采集集的的电电磁磁测测量量数数据据至至CPU1CPU1。3.3.运运行行实实时时EFITEFIT的的慢慢循循环环部部分分,并并每每5050毫毫秒秒将将计计算算得得到到的的部部分分等等离离子子体体参参发发送送至至CPU1CPU1。4.4.每每5050毫秒将计算得到的等离子体参发送毫秒将计

22、算得到的等离子体参发送至至CPU4CPU4。EAST ASIPP各实时控制计算机的功能各实时控制计算机的功能 CPU3 2块块D/A板卡板卡 1.每每2毫毫秒秒接接收收CPU1发发来来的的极极向向场场电电流流数数据。据。2.将将极极向向场场电电流流数数据据计计算算为为极极向向场场各各线线圈圈的的电电压压。(这这里里可可能能还还必必须须考考虑虑有有一一定定的的环电压环电压)3.将将极极向向场场各各线线圈圈的的电电压压数数据据通通过过D/A转转换换,送至极向场电源控制系统。送至极向场电源控制系统。EAST ASIPP各实时控制计算机的功能各实时控制计算机的功能 CPU4 实时显示系统实时显示系统

23、1.1.每每5050毫毫秒秒接接收收CPU2CPU2发发来来的的计计算算得得到到的的等等离子体参数。离子体参数。2.2.将将部部分分等等离离子子体体参参数数实实时时显显示示在在3 3至至4 4个个显示器。显示器。3.3.每每5050毫秒完成一次数据的存盘。毫秒完成一次数据的存盘。EAST ASIPPEAST控制模式实现步骤控制模式实现步骤大量平衡计算，建立大量平衡计算，建立EASTEAST运行区间数据库运行区间数据库 可能演化控制指标算法控制可能演化控制指标算法控制等磁通控制等磁通控制等磁通等磁通+平衡计算控制（实时平衡计算控制（实时EFITEFIT控制）控制）多个等磁通计算多个等磁通计算+平

24、衡计算控制平衡计算控制MIMO+MIMO+平衡计算控制平衡计算控制(实时实时MIMO EFITMIMO EFIT控制控制)多个多个MIMO+MIMO+平衡计算控制平衡计算控制EAST 位形控制的要求位形控制的要求等等离离子子体体的的平平衡衡由由外外部部极极向向场场系系统统完完成成，该该系系统统除除了了能能够够提提供供按按平平衡衡计计算算所所提提出出的的各各场场波波形形外外还还应应具具备备以下几点功能：以下几点功能：(1)(1)、能在各种放电条件下、能在各种放电条件下稳定保持等离子体径向位稳定保持等离子体径向位置（大半径方向）的变化置（大半径方向）的变化在在1 1 cmcm之内。之内。(2)(2

25、)、为为满满足足特特殊殊物物理理实实验验，等等离离子子体体能能在在保保持持形形状状不变的条件下，在不变的条件下，在100100msms内在径向移动内在径向移动 3 3cm cm。(3)(3)、等等离离子子体体能能在在保保持持径径向向不不变变的的条条件件下下，沿沿垂垂直直（上下）方向在（上下）方向在1 1秒钟内移动秒钟内移动 3 3cmcm。(4)(4)、能稳定的将上下能稳定的将上下X X点的位置保持在点的位置保持在1 1cmcm之内。之内。(5)(5)、为为避避免免单单点点局局部部过过热热，X X点点可可以以在在5 5秒秒内内沿沿偏偏滤滤器耙板移动器耙板移动 5 5cmcm。EAST ASIP

26、P EASTEAST位形控制对电磁测量的要求位形控制对电磁测量的要求 EAST ASIPP由于由于EAST等离子体位形控制将采用实时等离子体位形控制将采用实时EFIT控制的控制的模式，因此其对电磁测量的精度有一是的要求。其主模式，因此其对电磁测量的精度有一是的要求。其主要原因是在于：在该控制模式下，将要原因是在于：在该控制模式下，将EFIT分为快循环分为快循环和慢循环两部分。和慢循环两部分。其慢循环部分主要是通过电磁测量信号其慢循环部分主要是通过电磁测量信号,在每在每50毫秒毫秒之内计算出归一化磁通，并将该数据传送给快循环部之内计算出归一化磁通，并将该数据传送给快循环部分。分。快循环部分用该数

27、据作为边界条件，同时利用电磁测快循环部分用该数据作为边界条件，同时利用电磁测量信号拟合计算出各极向场电流，并用等磁通算法计量信号拟合计算出各极向场电流，并用等磁通算法计算出所需要的各极向场电流，每算出所需要的各极向场电流，每2毫秒发送给各极向场毫秒发送给各极向场电源系统。电源系统。EAST ASIPP实时位形控制算法流程图位形控制算法流程图模拟信号反演结果模拟信号反演结果(+3%random error)X-piontEAST ASIPP模拟信号反演结果模拟信号反演结果(+3%random error)Last FulxEAST ASIPP模拟信号反演结果模拟信号反演结果(+3%random

28、error)J-profileEAST ASIPPEAST 位形控制对极向场线圈的要求位形控制对极向场线圈的要求(1)(1)、能能在在各各种种放放电电条条件件下下稳稳定定保保持持等等离离子子体体径径向向位位置置（大大半半径径方方向向）的的变变化化在在1 1 cmcm之之内内。(匝匝电电流流变变化化能能力力400400A,A,时时间间?)(2)(2)、为为满满足足特特殊殊物物理理实实验验，等等离离子子体体能能在在保保持持形形状状不不变变的的条条件件 下下，在在 100100msms内内 在在 径径 向向 移移 动动 3 3cm(cm(匝匝 电电 流流 变变 化化 能能 力力900900A/100

29、msA/100ms)(3)(3)、等等离离子子体体能能在在保保持持径径向向不不变变的的条条件件下下，沿沿垂垂直直（上上下下）方向在方向在1 1秒钟内移动秒钟内移动 3 3cmcm。(匝电流变化能力匝电流变化能力18001800A/A/秒秒)(4)(4)、能稳定的将上下能稳定的将上下X X点的位置保持在点的位置保持在1 1cmcm之内之内(y y方向要求匝电流变化能力方向要求匝电流变化能力500500A,xA,x方向要求方向要求 400 400A,A,时间时间?)(5)(5)、为为避避免免单单点点局局部部过过热热，X X点点可可以以在在5 5秒秒内内沿沿偏偏滤滤器器耙耙板板移移动动 5 5cmc

30、m。(没有问题没有问题)能否快速渗透真空室能否快速渗透真空室?EAST ASIPP EAST 控制控制-击穿启动模拟击穿启动模拟(1)EAST ASIPP 要求有环电压要求有环电压,满足极向场满足极向场 线圈的工程要求线圈的工程要求 ASIPPEAST EAST 控制控制-击穿启动模拟击穿启动模拟(2)从从ASDEX-U,JT60U,JET,DIII-D,TCVASDEX-U,JT60U,JET,DIII-D,TCV的实验经验的实验经验,启动阶段很不稳定启动阶段很不稳定,一般要求一般要求:(1)(1)先成形先成形,然后再增大等离子体的电流然后再增大等离子体的电流,(2)(2)并且想办法使启动阶

31、段等离子体的电流更加并且想办法使启动阶段等离子体的电流更加平坦一些平坦一些 ASIPPEAST1,1,实时实时EFITEFIT原码的研究。原码的研究。2,2,在非圆等离子体上升段、平顶段、下降段由于等离子体具有完在非圆等离子体上升段、平顶段、下降段由于等离子体具有完全不同的行为模式，因此需要应用不同的控制方法，必须进行这全不同的行为模式，因此需要应用不同的控制方法，必须进行这三种控制算法的研究。三种控制算法的研究。3,3,对于非圆等离子体的控制问题牵涉到控制器的设计问题，必须对于非圆等离子体的控制问题牵涉到控制器的设计问题，必须进行非圆等离子体控制模型的研究。进行非圆等离子体控制模型的研究。4,4,在在20052005年底以前，完成一组程序控制极向场电流的数据库。年底以前，完成一组程序控制极向场电流的数据库。5,5,动力论加入动力论加入EFIT,EFIT,主要是主要是Soft-XSoft-X发射信号决定发射信号决定q=1q=1的面。的面。6,6,垂直位移主动快速负反馈控制。垂直位移主动快速负反馈控制。7,7,电阻壁模（电阻壁模（RWMRWM）不稳定性控制。不稳定性控制。8,8,等离子体参数的剖面控制。等离子体参数的剖面控制。进一步的重要工作进一步的重要工作Thank You!EAST ASIPP