基于平衡反演的 HT-7 极向场控制系统

1. 基于平衡反演的HT-7极向场控制系统 报告人： 刘有高 导 师： 王华忠

2. 目 录 • 硬 件 结 构 • 软 件 结 构 • 下一步计划

3. 硬 件 结 构 • 该系统由总控、数据服务器以及上位机、运行控制程序的下位机和CPCI机箱共同协作完成。上位机运行Windows操作系统，下位机运行Linux操作系统。

4. 采集任务由ACQ196采集卡完成，AD采集信号包括38路电磁测量信号，硬件测量的Rs 、Zs信号，以及用于位置微调的3路信号，共43路信号，采集频率选择500hz； • 3路DA输出包括，垂直场电压Vef、加热场电压Voh，水平场电压Vhf ； • 放电开始触发由前面板的触发接收-100ms信号，开始采集零点漂移以及控制计算； • -30s触发信号由背板DI输入，放电长度信号接收总控信号由DI输入。

5. 软 件 结 构 • 主要包括平衡反演计算与控制输出部分，将等离子体位置反演计算和控制输出放在同一个控制周期中，计算流程图：

6. 平衡反演计算程序介绍 程序主要包含两个线程的运算，快循环的功能是快速计算最外层磁面位置，提供控制所需位置信息，计算时间在1ms的量级；慢循环是得到一个收敛较好的平衡解，更新快循环中的初始磁通分布，从而使得快循环的每次计算都是基于前某一时刻的平衡解基础上的一次叠代结果。

7. PF控制输出程序 • 运行实际控制程序，需要测量8个采集信号，包括：等离子电流Ip、垂直场电流Iv、加热场电流Ioh、水平位移hornP、垂直位移verlP、手动微调madIP、手动微调madHp、手动微调madVp， 3路DA输出包括，垂直场电压Vef、加热场电压Voh，水平场电压Vhf；因而需要增加对离子电流、垂直场电流和加热场电流的手工调整信号，由总控的手动微调系统预设相应参数。 • 提供预设控制和反馈控制两种控制模式：在预设模式时，根据总控预设的等离子体参数和极向场保护值输出控制值；在反馈模式时，根据等离子体预设值和反馈值，包括垂直场与加热场的解耦，利用PID算法，计算出控制输出。

8. 采用计算控制单一流程的控制周期，程序各部分执行时间：采用计算控制单一流程的控制周期，程序各部分执行时间： 从表中可以看出，在一个控制周期中，快慢循环总的计算时间在2ms以内，这样极向场的控制精度可以确定在2ms。

9. 击穿前反馈控制加入时间确定 使用ACQ196的锁存计数器，根据上位机计算出采样率（选500HZ）所需要的程序控制周期数（times） current_time = acq196_get_tlatch(0)； for （i=0；i<times；i++) { while (current_time == last_time) { current_time = acq196_get_tlatch(0)； } //等待采集时钟到达 发出程序控制输出； } PF控制2ms精确计时实现 for （i=0；i<times；i++) { current_time = acq196_get_tlatch(0)； 慢循环一次计算； { while (current_time == last_time) { current_time = acq196_get_tlatch(0)； } 采集与快循环计算； PF控制计算； }

10. 在PF控制中多处需要开关量切换控制模式： 1 在等离子体击穿前需要在设定的时间点之前采用程序控制，可以采用采集卡的计数到达时，由开关量切换到反馈控制； 2 在反馈控制中可以采用开关量切换硬件测量的等离子体位置和平衡反演的Rs、Zs的值作为反馈值。

11. 尝试双线程计算，以提高采样精度： • 线程所消耗的系统资源较少，相互间的通信也较易实现。同时同一进程中的多个线程之间可以并发执行。但是线程的调用是由系统内核调度程序来实现的，由于线程之间的相互制约，致使线程在运行中呈现出间断性。 • 可以将采集任务与PF控制程序放在主线程中，利用ACQ196卡的锁存计数器实现控制1ms的精确输出；实时反演计算程序放在另一个线程中，从主线程获得诊断数据，计算完成后为主线程提供Rs、Zs值。 结果： 将采样率提高到1K后，控制线程通过查询计数器计时，同时两个线程之间的相互制约呈现出间断性，无法实现PF控制的实时性。

12. 另一种设想： 参考 pcs 中程序执行过程，将不同任务分配在两个CPU上，即实现两个线程互不干扰的计算，又可以方便不同线程间的数据交换。 因而可以将反演程序和控制程序分别放在两个CPU上，作为两个线程执行，既可以实现PF控制程序的1ms的实时控制，又可以及时执行平衡反演程序。

13. 下一步计划 • 利用实验数据测试控制输出的实时性 • 测试HT-7实验数据的反演值，比较计算结果 • 调研双CPU的分任务处理方法

14. 谢 谢！