CN111427413A - 一种长脉冲回旋管功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长脉冲回旋管功率控制方法，通过控制灯丝电源功率控制回旋管束电流，从而实现对回旋管输出功率的控制，包括有数据采集、反馈控制、灯丝功率控制三个部分，数据采集是基于PXI实现的。反馈控制是基于PI控制方法实现的。灯丝功率控制是使用SCPI通过以太网实现的。本发明可以控制长脉冲回旋管的输出功率，提高输出微波功率的稳定性，同时可以防止由于束电流过低造成的无波保护，提高回旋管运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及高功率微波技术领域，主要涉及一种长脉冲稳态回旋管的功率控制方法。
背景技术
高功率微波技术是雷达、电子对抗、加速器、核聚变等离子体加热等多个领域的重要技术。回旋管是用于磁约束核聚变等离子体加热的重要设备，可以对等离子体进行电子回旋共振加热和电流驱动。控制回旋管输出功率是磁约束核聚变实验的重要方面。回旋管输出功率可以通过控制阴极电压、阳极电压、束电流、磁场强度等方式实现。对长脉冲稳态回旋管而言，由于电子枪辐射冷却效应，束电流在放电时逐渐降低，导致输出功率下降。现在通常通过手动改变灯丝功率来防止束电流下降过快，无法实现回旋管输出功率的稳定控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，现有技术中通过控制束电流可以控制回旋管输出功率，但由于输出功率的响应滞后于束电流的变化，且控制难度大，现在通常手动控制束电流以期望改变回旋管输出功率。
本发明目的是为了保证回旋管输出功率的稳定，提供一种通过控制束电流而控制长脉冲回旋管输出功率的方法，本发明通过控制束电流可以控制输出功率的稳定，通过优化控制方法，通过对灯丝功率的PI自动控制实现对回旋管输出功率的控制，提高功率控制精度，并可提高回旋管放电稳定性。
本发明的技术方案是：一种长脉冲回旋管功率控制方法，包括数据采集步骤、反馈控制步骤、灯丝功率控制步骤；其中，
步骤1、数据采集步骤
其中数据采集包括采集回旋管束电流、获取期望的束电流采集阳极电压6，判断阳极电压是否大于16kV，并对阳极电压进行计时，计时阳极电压大于16kV的持续时间是否大于1秒钟；
数据采集模块实时采集阳极电压，仅当阳极电压大于16kV且持续时间超过1秒钟时，使能PI控制器；
数据采集模块实时采集回旋管束电流，回旋管放电前1秒内的束电流的平均值作为期望的束电流，作为期望变量SP通过网络发布的共享变量发送给PI控制器；
数据采集模块采集的束电流作为过程变量PV通过网络发布的共享变量发送至PI控制器；
步骤2、反馈控制步骤
反馈控制使用PI控制方法。反馈控制模块为PI控制器；所述PI控制器通过网络发布的共享变量接收来自数据采集模块的期望变量SP、过程变量PV；PI控制器将控制变量MV通过网络发布的共享变量发送灯丝电压；仅当PI控制器使能时，接收过程变量PV和期望变量SP，并输出控制变量MV；
步骤3、灯丝功率控制步骤
灯丝功率控制是通过控制灯丝电源的输出电压实现的，包括获取初始灯丝电压；在PI控制器使能之前，灯丝功率控制模块获取初始灯丝电压，通过网络发布的共享变量发送给PI控制器，PI控制器不使能时，将初始灯丝电压作为控制变量MV发送至灯丝电压。
进一步的，通过控制灯丝电源功率控制回旋管束电流，从而实现对回旋管输出功率的控制。
进一步的，所述的数据采集、反馈控制、灯丝功率控制三个部分是解耦合的，三个部分各自相对独立，通过SCPI和网络发布的共享变量在以太网上进行控制命令和数据的通信。
进一步的，通过控制束电流控制回旋管输出功率。所述的数据采集、反馈控制、灯丝功率控制三个部分是解耦合的，三个部分各自相对独立，通过SCPI和共享变量在以太网上进行控制命令和数据的通信。
进一步的，所述的数据采集通过PXI采集设备和Labview实现，用来采集束电流和阳极电压，采样率为10kS/s，所采集的数据通过网络发布的共享变量传输至所述的反馈控制模块。
进一步的，所述的反馈控制是基于PI控制原理实现的。反馈控制模块亦可称为PI控制器。反馈控制模块通过网络发布的共享变量接收来自数据采集的数据，通过网络发布的共享变量将灯丝电压控制数据传输至灯丝功率控制模块。
进一步的，所述的灯丝功率控制是基于以太网实现的。灯丝功率控制模块通过网络发布的共享变量接收来自反馈控制模块的数据。灯丝功率控制模块用SCPI通过以太网将控制数据传递至灯丝电源。
具体的，灯丝电源通过以太网连接至位于回旋管现场的交换机，控制室的上位机进行灯丝功率控制，上位机通过以太网连接至位于控制室的交换机，位于回旋管现场的交换机和位于控制室的交换机通过光纤连接，以抑制长距离传输中的电磁干扰。灯丝功率控制是通过使用SCPI命令控制灯丝电源的输出电压实现的，PI控制器使能时，将控制变量MV发送给灯丝电源用于控制灯丝电压，从而控制灯丝功率。
有益效果：
本发明用于控制长脉冲回旋管的输出功率，提高输出微波功率的稳定性，此长脉冲回旋管功率控制方法可以显著提高回旋管输出微波功率的稳定性，同时可以防止由于束电流过低造成的无波保护，提高回旋管运行稳定性。
附图说明
图1为长脉冲回旋管功率控制框图；
图2为反馈控制界面；
图3灯丝功率控制硬件连接图；
图4为灯丝功率控制界面。
其中：开始1，获取初始灯丝电压2，灯丝电压3，PI控制器4，期望的束电流5、阳极电压6，判断阳极电压是否大于16kV 7，计时是否大于1s8，回旋管束电流9、结束10，灯丝电源11，位于回旋管现场的交换机12，位于控制室的交换机13，位于控制室的上位机14。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参见图1，本发明提出一种长脉冲回旋管功率控制方法，包括数据采集步骤、反馈控制步骤、灯丝功率控制步骤。
步骤1、数据采集步骤
其中数据采集包括采集回旋管束电流9、获取期望的束电流5、采集阳极电压6，判断阳极电压是否大于16kV 7，并对阳极电压进行计时，计时阳极电压大于16kV的持续时间是否大于1秒钟8。
数据采集模块实时采集阳极电压6，仅当阳极电压6大于16kV且持续时间超过1秒钟时，使能PI控制器4。
数据采集模块实时采集回旋管束电流9，回旋管放电前1秒内的束电流9的平均值作为期望的束电流5，作为期望变量SP通过网络发布的共享变量发送给PI控制器4。
数据采集模块采集的束电流9作为过程变量PV通过网络发布的共享变量发送至PI控制器4。
步骤2、反馈控制步骤
反馈控制使用PI控制方法。反馈控制模块即图1中的PI控制器4。PI控制器通过网络发布的共享变量接收来自数据采集模块的期望变量SP、过程变量PV。PI控制器将控制变量MV通过网络发布的共享变量发送灯丝电压3。仅当PI控制器4使能时，接收过程变量PV和期望变量SP，并输出控制变量MV。
步骤3、灯丝功率控制步骤
灯丝功率控制是通过控制灯丝电源的输出电压实现的。包括图1中的获取初始灯丝电压2和灯丝电压3。在PI控制器4使能之前，灯丝功率控制模块获取初始灯丝电压2，通过网络发布的共享变量发送给PI控制器4。PI控制器4不使能时，将初始灯丝电压作为控制变量MV发送至灯丝电压3。
所述的数据采集是基于PXI实现的，所述的反馈控制是基于PI(ProportionalIntegral)控制方法实现的，所述的灯丝功率控制是使用SCPI(Standard Commands forProgrammable Instruments)通过以太网实现的。
本发明中，数据采集是基于PXI实现的。使用分压器采集阳极电压，使用分流器采集束电流。阳极电压信号和束电流信号通过同轴线传输至PXI采集卡。PXI采集速度设为10kS/s。
本发明中反馈控制是通过PI控制方法实现的。因为采集到的束电流信号含有较大的噪声成分，而微分操作对噪声敏感，容易产生过度反应，为了系统的稳定性，我们不选取PID控制方法，而是选取PI控制。PI控制是将误差信号e(t)的比例(P)，积分(I)通过如下的线性组合构成控制量进行控制。
其中，e(t)为过程变量PV和期望变量SP的偏差，u(t)为输出的控制量MV。反馈控制界面见图2所示。
如图3所示为灯丝功率控制硬件连接图。其中，灯丝电源11通过以太网连接至位于回旋管现场的交换机12。灯丝功率控制界面见图4所示，位于控制室的上位机14中。上位机14通过以太网连接至位于控制室的交换机13。位于回旋管现场的交换机12和位于控制室的交换机13通过光纤连接，以抑制长距离传输中的电磁干扰。灯丝功率控制是通过使用SCPI命令控制灯丝电源的输出电压实现的。PI控制器4使能时，将控制变量MV发送给灯丝电源11用于控制灯丝电压3，从而控制灯丝功率。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (7)
1.一种长脉冲回旋管功率控制方法，其特征在于：包括数据采集步骤、反馈控制步骤、灯丝功率控制步骤；其中，
步骤1、数据采集步骤
其中数据采集包括采集回旋管束电流、获取期望的束电流采集阳极电压6，判断阳极电压是否大于16kV，并对阳极电压进行计时，计时阳极电压大于16kV的持续时间是否大于1秒钟；
数据采集模块实时采集阳极电压，仅当阳极电压大于16kV且持续时间超过1秒钟时，使能PI控制器；
数据采集模块实时采集回旋管束电流，回旋管放电前1秒内的束电流的平均值作为期望的束电流，作为期望变量SP通过网络发布的共享变量发送给PI控制器；
数据采集模块采集的束电流作为过程变量PV通过网络发布的共享变量发送至PI控制器；
步骤2、反馈控制步骤
反馈控制使用PI控制方法，反馈控制模块为PI控制器；所述PI控制器通过网络发布的共享变量接收来自数据采集模块的期望变量SP、过程变量PV；PI控制器将控制变量MV通过网络发布的共享变量发送灯丝电压；仅当PI控制器使能时，接收过程变量PV和期望变量SP，并输出控制变量MV；
步骤3、灯丝功率控制步骤
灯丝功率控制是通过控制灯丝电源的输出电压实现的，包括获取初始灯丝电压；在PI控制器使能之前，灯丝功率控制模块获取初始灯丝电压，通过网络发布的共享变量发送给PI控制器，PI控制器不使能时，将初始灯丝电压作为控制变量MV发送至灯丝电压。
2.根据权利要求1所述的一种长脉冲回旋管功率控制方法，其特征在于：通过控制灯丝电源功率控制回旋管束电流，从而实现对回旋管输出功率的控制。
3.根据权利要求1所述的一种长脉冲回旋管功率控制方法，其特征在于：所述的数据采集、反馈控制、灯丝功率控制三个部分是解耦合的，三个部分各自相对独立，通过SCPI和网络发布的共享变量在以太网上进行控制命令和数据的通信。
4.根据权利要求1所述的一种长脉冲回旋管功率控制方法，其特征在于：
所述的数据采集通过PXI采集设备和Labview实现，用来采集束电流和阳极电压，采样率为10kS/s，所采集的数据通过网络发布的共享变量传输至所述的反馈控制模块。
5.根据权利要求1所述的一种长脉冲回旋管功率控制方法，其特征在于：
所述的反馈控制是基于PI控制原理实现的，反馈控制模块亦可称为PI控制器；反馈控制模块通过网络发布的共享变量接收来自数据采集模块的数据，通过网络发布的共享变量将灯丝电压控制数据传输至灯丝功率控制模块。
6.根据权利要求1所述的一种长脉冲回旋管功率控制方法，其特征在于：
所述的灯丝功率控制是基于以太网实现的，灯丝功率控制模块通过网络发布的共享变量接收来自反馈控制模块的数据，灯丝功率控制模块用SCPI通过以太网将控制数据传递至灯丝电源。
7.根据权利要求6所述的一种长脉冲回旋管功率控制方法，其特征在于：具体的，灯丝电源通过以太网连接至位于回旋管现场的交换机，控制室的上位机进行灯丝功率控制，上位机通过以太网连接至位于控制室的交换机，位于回旋管现场的交换机和位于控制室的交换机通过光纤连接，以抑制长距离传输中的电磁干扰，灯丝功率控制是通过使用SCPI命令控制灯丝电源的输出电压实现的，PI控制器使能时，将控制变量MV发送给灯丝电源用于控制灯丝电压，从而控制灯丝功率。
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