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在托卡马克聚变实验装置中,确定放电时高温等离子体的平衡位形、内部磁面和等离子体电流分布,是一个基本而有意义的课题。无论是对装置运行的控制、对实验结果的分析,还是对诸如输运和MHD不稳定性的研究,都需要知道等离子体的平衡位形结果。近二十年的研究表明精确的位形控制对提高等离子体的品质有着极为重要的作用。然而实验上非圆平衡位形只能依据间接的测量数据利用反演的方法来重建等离子体平衡位形,这种内在的非直接可观测性增加了EAST位形闭环反馈控制系统可观性设计难度。同时因为EAST极向场线圈个数有限以及远离等离子体,这些都增加了EAST闭环位形反馈控制系统可控性设计难度。对EAST超导托卡马克而言,由于其多种位形要求(圆形、双零、准双零、单零、大拉长D和大截面D位形)、全超导线圈系统和加热场—平衡场线圈一体化等特点,使得EAST上的位形控制极富挑战性。同时EAST设计的稳态运行将意味着设备处于热平衡态,如果位形控制不好会对EAST这样的超导大装置产生非常严重的热和机械性的可怕后果。这些都对EAST位形闭环反馈控制系统提出了较为精确的要求。该论文选此课题,既是国家大科学工程EAST计划之需,又是托卡马克上等离子体位形控制方面的一个前沿课题。
本文分析了目前世界上的几个大托卡马克装置位形控制系统的特点和可提供给EAST位形控制系统设计的经验,根据典型闭环反馈控制系统设计的一般原则介绍EAST位形控制系统的控制对象、执行机构等环节,重点从闭环控制系统的可控性和可观性的具体细节来介绍EAST闭环位形控制系统设计过程,并给出实现EAST位形控制系统的硬件配置。剖析了EAST位形闭环反馈控制系统可观性软件EFIT程序的关键算法以及实时控制应用过程中该算法的改进。论文在最后详细地介绍了RZIP数学控制模型、仿真模型以及通过Matlab的RTW模拟软件建立EAST闭环位形控制系统模拟仿真环境的过程。模拟仿真环境的建立可以减少对EAST装置潜在的危险性并增加EAST闭环位形控制系统的可靠性和准确性。同时根据EAST工程指挥部关于EAST第一阶段实验的部署,给出了EAST非圆位形有关位置控制的计算方法,并通过仿真模拟这一平台进行了初步的模拟实验,完成了作为EAST托卡马克上等离子体位形控制系统位置反馈控制调试的主要模拟工作,最后还介绍了EAST位形控制系统的硬件软件调试方法和相关调试结果。论文工作得出了一些有用的结论,根据论文作者的工作,可以为EAST超导托卡马克提供初步的位形控制,满足国家大科学工程EAST计划之需,进行运行和物理实验,为未来实验研究提供初步位形控制。