CN106647330A - 一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法，包括等离子体诊断系统，等离子体诊断系统连接实时位形采集工控机，实时位形采集工控机上拥有对应的数据采集卡和一张反射内存卡，等离子体诊断系统的信号进入到实时位形采集工控机的数据采集卡上，统一时序系统提供统一的时序信号，同样接入到实时采集工控机上，实时采集工控机通过采集卡采集到的诊等离子体诊断信号的数值信息通过其上的反射内存卡，并发送到反射内存交换机，反射内存交换机将这些诊断信号的数值同步到实时位形重建高级工作站上的反射内存卡中，将计算得到的等离子体位形信息再次通过连接在其上的反射内存卡发送回反射内存交换机，位形控制器通过这些信息进行计算。

Description

一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法

技术领域

本发明属于实时重建系统领域，具体涉及一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法。

背景技术

在受控核聚变实验研究中，用于约束等离子体的磁约束装置主要是托卡马克(或仿星器)装置。由于等离子体的飘移，单纯依赖纵场是不可能实现带电粒子的约束的；因此必须引入一个极向磁场，使总场形成一种螺旋状的结构。这样粒子在等离子中的漂移方向将随着时间的变化而变化，从而总的漂移相互抵消，达到粒子被磁场较好地约束的目的。

因此，托卡马克这种特定的聚变磁约束装置对的等离子体的实时控制提出了比较高的要求，即要实时控制将等离子体约束在真空室内部，使之整个放电过程中不与真空室相接触，同时需要让等离子体保持一定的形状，具备一定的拉长比和三角形形变，以获得更高的等离子体物理参数，因此对于等离子体实时控制而言，必须首先能够实时得到等离子体的位置和形状(以下简称位形)。

但是目前并没有直接测量等离子体形状的诊断手段，即等离子体的形状并不能直接通过测量得到，需要利用其它的诊断数据进行位形重建。在离线情况下，重建的方式可以通过Grad-Shafranove方程，通过计算得到等离子体的磁通剖面分布，从而确定等离子体的最外层磁面，等离子体最外层磁面即为等离子体的形状，确定了等离子体形状，其位置可以直接推导出来，Grad-Shafranov方程本质上是一个泊松方程，只有数值解，因此需要经过大量的迭代才能够得到，每次计算完一个时间片需要耗时大概几百毫秒到1秒的时间，而等离子体实时控制的控制周期是1ms到几毫秒的量级，并且每次计算只能计算一个时间片，无法连续计算。

要想将这个离线计算的方式用于实时控制，就必须搭建起一个实时的等离子体位形重建系统，包括实时操作系统、实时数据采集、实时数据传输和实时位形计算，在整个等离子体放电实验过程中连续稳定地计算，并且每次计算的耗时限制在一个控制周期的几个毫秒量级范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统及方法，能够在实时状态下，利用快速解Grad-Shafranov方程重建位形，根据划分的网格大小不同，在1ms之内到几个毫秒的时间范围内得到当前时刻的等离子体的位置和形状，并且连续地计算，将结果不断地传给位形控制器进行反馈控制，直到放电实验结束。

本发明的技术方案如下：一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，包括等离子体诊断系统，等离子体诊断系统连接实时位形采集工控机，实时位形采集工控机上拥有对应的数据采集卡和反射内存卡A，等离子体诊断系统的信号进入到实时位形采集工控机的数据采集卡上，统一时序系统提供统一的时序信号，同样接入到实时采集工控机上，实时采集工控机通过数据采集卡采集到的诊等离子体诊断信号的数值信息通过其上的反射内存卡A，并发送到反射内存交换机，反射内存交换机将这些诊断信号的数值同步到实时位形重建工作站上的反射内存卡中B，实时位形重建工作站的经过实时计算后，将计算得到的等离子体位形信息再次通过连接在其上的反射内存卡B发送回反射内存交换机，反射内存交换机将这些位形信息同步到位形控制器上的反射内存卡C中，位形控制器通过这些信息进行计算。

所述等离子体诊断系统用于获取等离子体的电磁信息。

一种应用于托卡马克的等离子体位形实时的重建方法，包括以下步骤：

1)实时位形重建工作站进行系统初始化；

2)实时位形采集工控机接到统一时序系统发送的表征实验开始的TTL电平，开始实时位形采集；

3)实时位形采集工控机通过对统一时序系统发送的基准时序方波的处理，得到控制周期信息；

4)实时位形采集工控机在每个控制周期时刻开始阶段，通过其上的采集卡实时采集从等离子体诊断系统过来的电压信号，并将之转化为对应的物理量，通过判断等离子体电流数值大小，确定等离子体放电是否结束，如果没有结束，就转向5)，如果结束，则转向2)；将数据写入反射内存卡A，并发送网络中断信号，通知实时位形重建工作站进行计算；

5)实时位形重建工作站根据上一个控制周期的磁通分布，重新计算等离子体的格林函数；

6)实时位形重建工作站通过读取其上的反射内存卡B收到的诊断数据，结合5)计算的等离子体格林函数，得到新的能够表征等离子体电流分布的参数；

7)实时位形重建工作站通过6)得到的等离子体电流分布参数，得到等离子体磁通剖面；

8)实时位形重建工作站在7)计算得到的磁通剖面，构建出网格上的双三次样条曲面插值的系数；

9)实时位形重建工作站通过8)计算得到的双三次样条曲面插值系数，得到等离子体的最外层磁面对应的磁通值和等离子体磁轴中心的磁通值；

10)实时位形重建工作站通过8)得到的双三次样条曲面插值系数的基础，结合9)计算得到的等离子形状信息，计算得到等离子体位形控制所需要的控制点处的磁通以及等离子体其他的位置信息。

所述步骤1)中，初始化包括配置文件的读取、格林函数文件的读取、内存的分配。

所述步骤3)中，得到频率为1kHz的控制周期信息。

所述步骤6)中，通过奇异值分解SVD的方法，得到新的能够表征等离子体电流分布的参数。

所述步骤7)中，利用并行技术，构建边界条件，然后利用快速bunuman方法解出Grad-shafranov方程，得到等离子体磁通剖面。

所述步骤8)中，实时位形重建工作站通过并行算法，在7)计算得到的磁通剖面，构建出网格上的双三次样条曲面插值的系数。

所述步骤9)中，通过双三次样条曲面插值算法，得到等离子体的X点位置，并结合计算等离子体与limiter交点的方法，得到等离子体的最外层磁面对应的磁通值和等离子体磁轴中心的磁通值。

还包括步骤11)，实时位形重建工作站通过8)得到的双三次样条曲面插值系数的基础，结合9)计算得到的等离子形状信息，计算得到等离子体位形控制所需要的控制点处的磁通以及等离子体其他的位置信息。

本发明的显著效果在于：系统的可靠性好，测量精度高，与离线的位形重建结果高度吻合，适用于等离子体实时位形控制。

附图说明

图1是本发明所述的应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统示意图。

图中:1等离子体诊断系统、2实时位形采集工控机、3数据采集卡、4反射内存卡A、5统一时序系统、6反射内存交换机、7反射内存卡B、8实时位形重建工作站、9反射内存卡C、10位形控制器。

具体实施方式

一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，包括等离子体诊断系统1，用于获取等离子体的电磁信息，等离子体诊断系统1连接实时位形采集工控机2，实时位形采集工控机2上拥有对应的数据采集卡3和反射内存卡A4，等离子体诊断系统1的信号进入到实时位形采集工控机2的数据采集卡3上，统一时序系统5提供统一的时序信号，同样接入到实时采集工控机2上，实时采集工控机2通过数据采集卡3采集到的诊等离子体诊断信号的数值信息通过其上的反射内存卡A4，并发送到反射内存交换机6，反射内存交换机6将这些诊断信号的数值同步到实时位形重建工作站8上的反射内存卡中B7，实时位形重建工作站8的经过实时计算后，将计算得到的等离子体位形信息再次通过连接在其上的反射内存卡B7发送回反射内存交换机6，反射内存交换机6将这些位形信息同步到位形控制器上10的反射内存卡C9中，位形控制器10通过这些信息进行计算。

一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建方法，包括以下步骤：

1)实时位形重建工作站8进行系统初始化，初始化包括配置文件的读取、格林函数文件的读取、内存的分配；

2)实时位形采集工控机2接到统一时序系统5发送的表征实验开始的TTL电平，开始实时位形采集；

3)实时位形采集工控机2通过对统一时序系统5发送的基准时序方波的处理，得到频率为1kHz的控制周期信息；

4)实时位形采集工控机2在每个控制周期时刻开始阶段，通过其上的采集卡3实时采集从等离子体诊断系统1过来的电压信号，并将之转化为对应的物理量，通过判断等离子体电流数值大小，确定等离子体放电是否结束，如果没有结束，就转向5)，如果结束，则转向2)；将数据写入反射内存卡A4，并发送网络中断信号，通知实时位形重建工作站8进行计算；

5)实时位形重建工作站8根据上一个控制周期的磁通分布，重新计算等离子体的格林函数；

6)实时位形重建工作站8通过读取其上的反射内存卡B7收到的诊断数据，结合5)计算的等离子体格林函数，通过奇异值分解SVD的方法，得到新的能够表征等离子体电流分布的参数；

7)实时位形重建工作站8通过6)得到的等离子体电流分布参数，利用并行技术，构建边界条件，然后利用快速bunuman方法解出Grad-shafranov方程，得到等离子体磁通剖面；

8)实时位形重建工作站8通过并行算法，在7)计算得到的磁通剖面，构建出网格上的双三次样条曲面插值的系数；

9)实时位形重建工作站8通过8)计算得到的双三次样条曲面插值系数，通过双三次样条曲面插值算法，得到等离子体的X点位置，并结合计算等离子体与limiter交点的方法，得到等离子体的最外层磁面对应的磁通值和等离子体磁轴中心的磁通值；

10)实时位形重建工作站8通过8)得到的双三次样条曲面插值系数的基础，结合9)计算得到的等离子形状信息，计算得到等离子体位形控制所需要的控制点处的磁通以及等离子体其他的位置信息；

11)实时位形重建工作站8将本次计算结果写入到其上的反射内存卡B7指定位置，并发送网络中断，通知位形控制器10进行控制处理。

Claims (10)

1.一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：包括等离子体诊断系统(1)，等离子体诊断系统(1)连接实时位形采集工控机(2)，实时位形采集工控机(2)上拥有对应的数据采集卡(3)和反射内存卡A(4)，等离子体诊断系统(1)的信号进入到实时位形采集工控机(2)的数据采集卡(3)上，统一时序系统(5)提供统一的时序信号，同样接入到实时采集工控机(2)上，实时采集工控机(2)通过数据采集卡(3)采集到的诊等离子体诊断信号的数值信息通过其上的反射内存卡A(4)，并发送到反射内存交换机(6)，反射内存交换机(6)将这些诊断信号的数值同步到实时位形重建工作站(8)上的反射内存卡中B(7)，实时位形重建工作站(8)的经过实时计算后，将计算得到的等离子体位形信息再次通过连接在其上的反射内存卡B(7)发送回反射内存交换机(6)，反射内存交换机(6)将这些位形信息同步到位形控制器上(10)的反射内存卡C(9)中，位形控制器10通过这些信息进行计算。

2.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：所述等离子体诊断系统(1)用于获取等离子体的电磁信息。

3.一种如权利要求1所述的应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统的重建方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)实时位形重建工作站(8)进行系统初始化；

2)实时位形采集工控机(2)接到统一时序系统(5)发送的表征实验开始的TTL电平，开始实时位形采集；

3)实时位形采集工控机(2)通过对统一时序系统(5)发送的基准时序方波的处理，得到控制周期信息；

4)实时位形采集工控机(2)在每个控制周期时刻开始阶段，通过其上的采集卡(3)实时采集从等离子体诊断系统(1)过来的电压信号，并将之转化为对应的物理量，通过判断等离子体电流数值大小，确定等离子体放电是否结束，如果没有结束，就转向5)，如果结束，则转向2)；将数据写入反射内存卡A(4)，并发送网络中断信号，通知实时位形重建工作站(8)进行计算；

5)实时位形重建工作站(8)根据上一个控制周期的磁通分布，重新计算等离子体的格林函数；

6)实时位形重建工作站(8)通过读取其上的反射内存卡B(7)收到的诊断数据，结合5)计算的等离子体格林函数，得到新的能够表征等离子体电流分布的参数；

7)实时位形重建工作站(8)通过6)得到的等离子体电流分布参数，得到等离子体磁通剖面；

8)实时位形重建工作站(8)在7)计算得到的磁通剖面，构建出网格上的双三次样条曲面插值的系数；

9)实时位形重建工作站(8)通过8)计算得到的双三次样条曲面插值系数，得到等离子体的最外层磁面对应的磁通值和等离子体磁轴中心的磁通值；

10)实时位形重建工作站(8)通过8)得到的双三次样条曲面插值系数的基础，结合9)计算得到的等离子形状信息，计算得到等离子体位形控制所需要的控制点处的磁通以及等离子体其他的位置信息。

4.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：所述步骤1)中，初始化包括配置文件的读取、格林函数文件的读取、内存的分配。

5.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：所述步骤3)中，得到频率为1kHz的控制周期信息。

6.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：所述步骤6)中，通过奇异值分解SVD的方法，得到新的能够表征等离子体电流分布的参数。

7.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：所述步骤7)中，利用并行技术，构建边界条件，然后利用快速bunuman方法解出Grad-shafranov方程，得到等离子体磁通剖面。

8.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：所述步骤8)中，实时位形重建工作站(8)通过并行算法，在7)计算得到的磁通剖面，构建出网格上的双三次样条曲面插值的系数。

9.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：所述步骤9)中，通过双三次样条曲面插值算法，得到等离子体的X点位置，并结合计算等离子体与limiter交点的方法，得到等离子体的最外层磁面对应的磁通值和等离子体磁轴中心的磁通值。

10.根据权利要求1所述的一种应用于托卡马克的等离子体位形实时重建系统，其特征在于：还包括步骤11)，实时位形重建工作站(8)通过8)得到的双三次样条曲面插值系数的基础，结合9)计算得到的等离子形状信息，计算得到等离子体位形控制所需要的控制点处的磁通以及等离子体其他的位置信息。