EAST位形控制系统设计.ppt

EAST位形控制系统设计 EAST ASIPP 罗家融王华忠黄勤超InstituteofPlasmaPhysics ChineseAcademyofSciences P R China Outline EAST ASIPP EAST位形控制系统设计的难度EAST位形控制系统的算法EAST位形控制系统的硬件结构简解EAST位形控制对电磁测量和极向场线圈的要求 EAST位形控制系统设计的难度 EAST ASIPP 通常托卡马克的极向场由平衡成形场和欧姆加热场组成 对EAST 采用了所谓极向场一体化设计 即 加热场不仅提供伏秒数变化而且参加平衡和成形 同样 平衡场不仅维持等离子体平衡位形 而且也提供部分伏秒数变化 这样的设计简化了托卡马克的极向场系统 但使等离子体电流和平衡位形的同时控制变得比较复杂 在纯欧姆放电的情况下 由于所有极向场线圈上的电流均要变化才能维持等离子体电流而与此同时极向场线圈上电流的变化一定造成平衡和成形磁场的变化 因此 从严格意义上讲 在一体化设计的基础上 在纯欧姆放电时电流和平衡位形同时得到维持是有一定难度的 EAST ASIPP 世界上现有装置极向场线圈区分单独的欧姆加热和等离子体位形控制电流 并且靠近等离子体 ASIPP EAST的运行和控制 1 EAST的所有平衡位形全部由外部极向场线圈产生 由于一个特定的位形是由全部极向场线圈产生因此对位形的同时控制也只能用全部极向场线圈完成 此时电源 测量和负载线圈构成的系统的响应时间常数决定了这种控制方法可能控制的最快位形变化 2 EAST几种典型平衡位形及其相互关系基本设计位形 具有双零 或单零 偏滤器的大拉长非圆小截面 其他灵活性为 具有双零 或单零 偏滤器的中等拉长度下获得尽可能大体积等离子体的平衡位形 具有最大体积等离子体的位形 3 更方便对等离子体位置和形状进行灵活的控制控制执行命令是所有极向场电流的叠加极向场系统的运行和控制变得更为复杂 EAST EAST EAST ASIPP EAST位形控制系统的算法 EFIT是在DIII D托卡马克装置上开发研制的等离子体平衡拟合程序 目前 在DIII D JET JT60U ASDEX U等装置上 EFIT已广泛用于场形设计 实验运行 诊断数据集成分析等方面 按照其基本算法改写的程序 也已运用于很多装置的等离子体电流和位形实时反馈运行中 EAST ASIPP 实时位形控制系统算法的基本前提 一个前提条件是 如果起始点平衡和一个好的重建之间的差距充分小 经过一次迭代解就和收敛重建十分接近足以进行放电控制 另一前提是 一次迭代就可以使实时算法跟上放电发展中平衡的变化 EAST ASIPP 实时位形控制系统算法的基本思路 在实时平衡重建算法中 节省从诊断数据出发经过多次迭代求的一个收敛解的时间 对于每一次新的平衡重建 取得一个新的诊断数据 最近的平衡解被当作起始点 仅做一次迭代 如果平衡发展得不快 相对于上次解的变化仅用一次迭代就可解决 因此结果的准确性足以进行放电控制 如果平衡发展得非常缓慢两次诊断数据之间没有变化 那么这个算法和离线算法是相同的 EAST控制小组已经进行的工作 EAST ASIPP 硬件平台 PIII866处理器 256M内存 操作系统 RedhatLinux7 3 编译器 Fortan90 1 完全平衡重建时间 1022ms左右 2 极向场电流值作为已知量的完全平衡重建时间 895ms左右 3 极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值的完全平衡重建时间 498ms左右 4 极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值的完全平衡重建时间 310ms左右 网格点为33 33 5 极向场电流值作为已知量且去掉小探针诊断值 磁轴用网格点的最大磁通值代替的完全平衡重建时间 296ms左右 网格点为33 33 EAST控制小组已经进行的工作 EAST ASIPP 硬件平台 PIII866处理器 256M内存 操作系统 RedhatLinux7 3 编译器 Fortan90 关键子程序的时间 CURRNT 由电流剖面系数到各点电流值1MSPFLUX 求解方程方法18MSSTEPS 寻找磁轴和边界15MSGREEN 重新排格林函数6MSMATRIX 由电磁测量到电流剖面系数1MS总共41MS其中 网格点为33 33 由电磁测量到电流剖面系数 加法120000步 乘法82176步由电流剖面系数到各点电流值 加法8267步 乘法13712步求控制点的磁通误差值 ISOFLUX 20个控制点 加法326780步 乘法108920步磁通误差值到单元命令 加法15206步 乘法10138步总共 加法470253步 乘法214946步 分支和数据传输另计 和程序设计有关 实时控制中的算法步骤和时间估算 CPU时间 总的时钟周期 时钟频率但由于程序执行过程中与指令数IC有关 每个指令有其固定的指令时钟周期数即CPI 所以 CPI 总的时钟周期 IC 那么总CPU时间 CPI IC 时钟频率 如果进一步细化的话 计算机分为N种指令 其中第i种处理时间为CPIi 在程序中这种指令出现的次数为Ici次 那么程序执行的时间为 CPU时间 I 1 n CPIi ICi 时钟频率 在程序中大概有 共470253次 共214946次 占4个平均时钟周期 数据传输大概171229次 占2个平均时钟周期 分支语句大概1500次 占2个平均时钟周期 CPU的时钟频率为P4 2 0G带入上式总的CPU时间 470253 214946 4 171229 2 1500 2 2 0 10 9 1 5ms EAST EAST ASIPP EAST位形控制系统的硬件结构简解 ASIPP EAST位形控制的电磁测量 EAST ASIPP EASTTokamak位形控制数据采集和数据传输 多道电磁测量一台采集机器无法承担 势必需要多台采集机器 为了节约计算的时间和精度 原则上采集和计算分开 为了控制的准确 每毫秒发出控制命令 假设采集150道控制信号 精度12位 那么每秒1 440 000波特率的数据传输是几乎不可能达到的 网络存在阻塞和错误 有HT7的经验 因此我们可以采用 1 DSP硬件实现计算控制形式 用3到4个VXI机箱实现 2 高速网络集群形式 用3到5个64位计算机通过Myrinet实现 EAST ASIPP DSP硬件实现计算控制形式 EAST ASIPP DSP硬件实现计算控制形式 EAST EAST ASIPP Myricom公司提供网卡和交换机 其单向互连速度最高可达到2Gbps E型卡 号称达到 3 96Gbits s Myrinet提供直接点到点 基于集线器或基于交换机的网络配置 两个直接连接的节点之间的平均延迟是5到18微秒 这要比以太网快得多 而Myricom公司硬件连接可以绕过TCP IP七层协议 不但减少了延迟时间 还大大降低了所占用的CPU资源 高速网络集群形式 EAST ASIPP 计算机之间数据交换用Myrinet网络 每秒2 0GigabitsPCI接口板为了连接到远程控制 使用光导纤维的接口Linux开放资源驱动程序和软件在板DMA传输方式不占用CPU资源使用的 直接发送 的方式 将数据发送到目的地CPU所定义的地址多口的交换机为增加控制计算机提供了方便的可扩充性 EAST ASIPP 数据获得用D TACQPCI板卡 每块板上32个通道 每计算机上可插4块板卡16位分辨率 10伏Linux开放资源驱动程序和软件第1块板卡的DMA传输时间为7微秒 其他的板卡为1微秒每1块板卡传送到系统内存的时间为1微秒EAST需要5块板卡 157通道 3通道备用 160个通道的低通滤波器 800Hz EAST ASIPP 各实时控制计算机的功能 CPU13块DAQ板卡 采集电磁测量数据 每1毫秒采集1次 每1毫秒接收CPU2送来电磁测量数据 每50毫秒将采集的电磁测量数据发送至CPU2 每50毫秒接收CPU2送来的部分等离子体参数 运用等磁通算法运行实时EFIT的快循环部分 并每2毫秒将极向场电流数据发送至CPU3 每50毫秒将通过等磁通算法的部分等离子体参数数据发送至CPU2 EAST ASIPP 各实时控制计算机的功能 CPU22块DAQ板卡 采集电磁测量数据 每1毫秒采集1次 每1毫秒将发送采集的电磁测量数据至CPU1 运行实时EFIT的慢循环部分 并每50毫秒将计算得到的部分等离子体参发送至CPU1 每50毫秒将计算得到的等离子体参发送至CPU4 EAST ASIPP 各实时控制计算机的功能 CPU32块D A板卡 每2毫秒接收CPU1发来的极向场电流数据 将极向场电流数据计算为极向场各线圈的电压 这里可能还必须考虑有一定的环电压 将极向场各线圈的电压数据通过D A转换 送至极向场电源控制系统 EAST ASIPP 各实时控制计算机的功能 CPU4实时显示系统 每50毫秒接收CPU2发来的计算得到的等离子体参数 将部分等离子体参数实时显示在3至4个显示器 每50毫秒完成一次数据的存盘 EAST ASIPP EAST控制模式实现步骤大量平衡计算 建立EAST运行区间数据库可能演化控制指标算法控制等磁通控制等磁通 平衡计算控制 实时EFIT控制 多个等磁通计算 平衡计算控制MIMO 平衡计算控制 实时MIMOEFIT控制 多个MIMO 平衡计算控制 EAST位形控制的要求 等离子体的平衡由外部极向场系统完成 该系统除了能够提供按平衡计算所提出的各场波形外还应具备以下几点功能 1 能在各种放电条件下稳定保持等离子体径向位置 大半径方向 的变化在1cm之内 2 为满足特殊物理实验 等离子体能在保持形状不变的条件下 在100ms内在径向移动 3cm 3 等离子体能在保持径向不变的条件下 沿垂直 上下 方向在1秒钟内移动 3cm 4 能稳定的将上下X点的位置保持在1cm之内 5 为避免单点局部过热 X点可以在5秒内沿偏滤器耙板移动 5cm EAST位形控制对电磁测量的要求 由于EAST等离子体位形控制将采用实时EFIT控制的模式 因此其对电磁测量的精度有一是的要求 其主要原因是在于 在该控制模式下 将EFIT分为快循环和慢循环两部分 其慢循环部分主要是通过电磁测量信号 在每50毫秒之内计算出归一化磁通 并将该数据传送给快循环部分 快循环部分用该数据作为边界条件 同时利用电磁测量信号拟合计算出各极向场电流 并用等磁通算法计算出所需要的各极向场电流 每2毫秒发送给各极向场电源系统 EAST ASIPP 实时位形控制算法流程图 模拟信号反演结果 3 randomerror X piont 模拟信号反演结果 3 randomerror LastFulx 模拟信号反演结果 3 randomerror J profile EAST位形控制对极向场线圈的要求 1 能在各种放电条件下稳定保持等离子体径向位置 大半径方向 的变化在1cm之内 匝电流变化能力 400A 时间 2 为满足特殊物理实验 等离子体能在保持形状不变的条件下 在100ms内在径向移动 3cm 匝电流变化能力 900A 100ms 3 等离子体能在保持径向不变的条件下 沿垂直 上下 方向在1秒钟内移动 3cm 匝电流变化能力 1800A 秒 4 能稳定的将上下X点的位置保持在1cm之内 y方向要求匝电流变化能力 500A x方向要求 400A 时间 5 为避免单点局部过热 X点可以在5秒内沿偏滤器耙板移动 5cm 没有问题 能否快速渗透真空室 EAST控制 击穿启动模拟 1 要求有环电压 满足极向场线圈的工程要求 ASIPP EAST EAST控制 击穿启动模拟 2 从ASDEX U JT60U JET DIII D TCV的实验经验 启动阶段很不稳定 一般要求 1 先成形 然后再增大等离子体的电流 2 并且想办法使启动阶段等离子体的电流更加平坦一些 ASIPP