【摘要】：托卡馬克是目前實(shí)現(xiàn)可控核聚變最有前途的途徑之一。等離子體破裂是托卡馬克放電過(guò)程中的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象,并且會(huì)導(dǎo)致放電不受控地中止,甚至破壞裝置及儀器。等離子體破裂是影響未來(lái)聚變堆安全以及發(fā)電效率重要的因素,因此,研究及發(fā)展等離子體破裂預(yù)測(cè)和避免系統(tǒng)是托卡馬克研究中不可缺少的部分。避免破裂的前提是能夠有效地提前預(yù)測(cè)破裂,但是目前的理論還無(wú)法完全解釋等離子體破裂的機(jī)理,因此目前僅依靠破裂機(jī)理無(wú)法設(shè)計(jì)出有效且可靠的破裂預(yù)測(cè)系統(tǒng)。而采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法是一種實(shí)現(xiàn)破裂預(yù)測(cè)的有效方法。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)破裂避免,相配套的實(shí)時(shí)診斷與控制系統(tǒng)也是不可缺少的。本文在J-TEXT托卡馬克上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多種針對(duì)不同破裂種類(lèi)的實(shí)時(shí)破裂預(yù)測(cè)與避免系統(tǒng)。針對(duì)由撕裂模導(dǎo)致的鎖模破裂,基于外加擾動(dòng)場(chǎng)在撕裂模磁島不同的相位投入與撤出能夠抑制撕裂模的理論,本文開(kāi)發(fā)了用于抑制撕裂模的擾動(dòng)場(chǎng)實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)。本文利用FPGA實(shí)現(xiàn)的高速實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)能夠判斷撕裂模實(shí)時(shí)相位并控制輸出,相位通過(guò)采集多道Mirnov探針信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算得到。通過(guò)優(yōu)化實(shí)時(shí)算法,該控制器實(shí)現(xiàn)了500 ns的控制周期,完成了2度以?xún)?nèi)磁島相位精度控制要求,確保在指定相位區(qū)間投入和撤出擾動(dòng)場(chǎng),完成反饋控制。對(duì)于密度極限破裂,本文開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)密度極限破裂預(yù)測(cè)與避免系統(tǒng)。密度極限破裂避免的執(zhí)行器為密度反饋控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)密度反饋系統(tǒng))。因此本文首先開(kāi)發(fā)了基于FPGA的偏振儀實(shí)時(shí)密度反饋系統(tǒng)。該密度反饋系統(tǒng)不僅可以與破裂預(yù)測(cè)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)密度極限破裂的避免,其本身性能也遠(yuǎn)超J-TEXT原有基于干涉儀的密度反饋系統(tǒng)。該實(shí)時(shí)密度反饋系統(tǒng)使用了更精確的偏振儀信號(hào),并優(yōu)化了控制算法,控制周期從原有系統(tǒng)的5 ms降低為1 ms,同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)與可擴(kuò)展性都得到了提升。針對(duì)密度極限破裂的預(yù)測(cè),本文提出并設(shè)計(jì)了能夠用于密度預(yù)測(cè)的時(shí)間序列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)整體采用了原創(chuàng)的兩階段混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),分析并挑選了與密度極限有關(guān)的信號(hào)作為輸入。其在離線(xiàn)測(cè)試中達(dá)到了預(yù)測(cè)成功率超過(guò)90%;預(yù)測(cè)失敗率小于10%;平均預(yù)測(cè)提前時(shí)間大于30 ms的理想性能。本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)控制平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),并與前述密度反饋系統(tǒng)集成,構(gòu)成了實(shí)時(shí)密度極限破裂預(yù)測(cè)與避免系統(tǒng)。本文在J-TEXT裝置上設(shè)計(jì)并開(kāi)展了密度極限避免實(shí)驗(yàn),成功地預(yù)測(cè)并避免了密度極限破裂。本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)破裂預(yù)測(cè)與避免系統(tǒng)采用LabVIEW FPGA等技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)算法等功能,在多輪J-TEXT放電實(shí)驗(yàn)中,測(cè)試和驗(yàn)證了這些控制系統(tǒng)的有效性、實(shí)時(shí)性及可靠性。
【圖文】：

的手段：第一種方式是慣性約成的靶丸上，產(chǎn)生包圍靶丸的等離燃料壓縮到極高的密度和溫度，達(dá)相當(dāng)于爆炸了一個(gè)極微型的氫彈，爆[10]。第二種方式是磁約束[11]：1 億攝氏度）產(chǎn)生聚變反應(yīng)，利用，使聚變反應(yīng)得以穩(wěn)定長(zhǎng)期的持續(xù)現(xiàn)可控的熱核聚變[2]。國(guó)內(nèi)外聚變研究的熱點(diǎn)。磁約束縮裝置[19-21]等為主要研究途徑。其因此是十分具有前景的方案。

圖 1-2 JET 裝置上破裂產(chǎn)生原因?qū)λ毫涯：兔芏葮O限破裂展開(kāi)對(duì)應(yīng)的破裂預(yù)測(cè)與避密度反饋控制系統(tǒng)提高裝置密度控制能力。的后續(xù)研究中，對(duì) 2011 年到 2013 在金屬壁條件下析[47]。分別使用 GTM（GenerativeTopographicMap，k-NearestNeighbors，，最近鄰居）方法對(duì)破裂進(jìn)行分類(lèi)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TL631.24

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2663581