j-text托卡马克水平位移控制的建模与优化

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1、分类号学校代码⑶密级肀辦在大穿博士学位论文托卡马克水平位移控制的建模与优化学位申请人：余文墨学科专业：电气工程指导教师：庄革教授答辩日期：年月日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofphilosophyinEngineeringModellingandOptimizationofPlasmaHorizontalDisplacementControlontheJ-TEXTTokamakPh.D.Candidate:YuWenzhaoM

2、ajor:ElectricalEngineeringSupervisor:Prof.ZhuangGeHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研宄成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研宄成果。对本文的研宂做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期夕月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学

3、校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密乂请在以上方框内打“’’）指导教师签名：曰期年；月巧曰曰少年月华中科技大学博士学位论文摘要作为一种可控核聚变装置，托卡马克期望在其运行过程中产生并维持高温度、高密度以及长约束时间的等离子体来获得净聚变核能。因此为了达到上述条件，托卡马克的运行控制就显得尤为重要。

4、一般来说，托卡马克运行控制主要包括力平衡控制、等离子体电流控制、等离子体密度控制以及等离子体剖面参数控制。其中，力平衡控制作为最基本的托卡马克运行控制任务之一，旨在对放电过程中的等离子体水平垂直位移以及截面形状进行控制，以保证托卡马克放电的稳定运行。托卡马克是一个中型常规且可产生圆形截面等离子体的聚变实验装置，其前身是美国德州大学奥斯汀分校的它能以最大的等离子体电流持续放电运行。目前放电主要以拉长比较小的圆截面限制器位型为主，等离子体在垂直方向上的不稳定性并不明显，因此等离子体水平位移控制便显得更为重要。等离子体水平位移控制的主要目的是根据当前等离子体水

5、平位移状态以及预设的水平位移位置，适当地调整各极向场线圈中的电流，使得等离子体在水平方向达到预期位置。作为一项极其重要且十分基础的工作，等离子体水平位移控制建模及优化为托卡马克装置乃至未来聚变堆安全、稳定、有效的运行提供了坚实的保障。本文结合近些年托卡马克放电实验数据以及现阶段的控制需求，从理论与实验统计模型出发，重新设计了一套用于控制等离子体水平位移的串级双回路复合控制系统，并对其进行了优化。其具体内容包括：根据以往的垂直场（线圈单通波形，发现了线圈供电回路（内回路）中存在时延，并据此重建了内回路模型。通过在原有反馈比例积分（控制器的基础上加入前馈预设

6、电流差分信号，构成了一个复合控制器，并采用混沌自适应粒子群优化（进行离线参数调优后，内回路的跟踪性能得到了显著改善。考虑到装置放电运行中真空室内壁涡流对等离子体的影响，推导且验证了基于涡流的等离子体水平位移非线性响应模型，并在对该模型线性化处理的基础华中科技大学博士学位论文上，重新设计出了等离子体水平位移闭环控制回路（外回路）中的不完全微分比例积分微分反馈控制器，改善了外回路控制器对位移迅速变化的响应。基于新的外回路模型，搭建了水平位移控制系统仿真平台，对内外回路控制器进行了离线验证与优化，縮短了在线调试时间，提高了放电效率。结合装置的放电特点，对原用的

7、水平位移控制策略进行了改进，细化了放电运行的各个阶段，并以每个阶段的具体要求分别设计了控制策略及异常处理方式。该策略已用于实际放电中，保证了整个放电过程对水平位移控制的要求，提升了放电质量。为了更好地抑制放电中因等离子体密度迅速变化而引起的水平位移扰动，结合以往实验数据发掘出了水平位移平衡时垂直场与等离子体平均密度的统计规律，并依此在外回路控制器中引入了针对密度变化的前馈补偿环节，设计出了基于密度前馈补偿的水平位移复合控制器。实际放电测试表明，密度前馈补偿环节的主动干预明显加快了对因密度迅速变化而引起的水平位移扰动的抑制作用，同时也不会对无明显密度变化的

8、放电过程产生影响。关键词：托卡马克等离子体水平位移控制复合控制密度前馈补偿华中科