佳拉潔雅裝置時(shí)序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

在能源危機(jī)愈演愈烈的今天，核能作為一種高效清潔的能源一直受到廣泛研究，佳拉潔雅裝置是一種核聚變約束裝置，它通過載流線圈產(chǎn)生的磁場對聚變產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行約束從而實(shí)現(xiàn)可控核聚變。裝置主要由產(chǎn)生等離子體的等離子體槍，對等離子進(jìn)行輸運(yùn)的等離子體通道以及由線圈構(gòu)成的磁阱組成。時(shí)序控制系統(tǒng)是裝置總控系統(tǒng)的重要一環(huán)，它擔(dān)負(fù)著保障整個(gè)裝置平穩(wěn)運(yùn)行的任務(wù)。由于整個(gè)裝置運(yùn)行時(shí)間極短大約持續(xù)幾十毫秒，所以對運(yùn)行精度要求較高，因此需要構(gòu)建精確的時(shí)序控制系統(tǒng)精確控制等離子槍，等離子通道和磁阱這三部分的工作順序和工作時(shí)間，同時(shí)為了對裝置中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行精確采集，時(shí)序控制系統(tǒng)還需要對裝置中探針的工作時(shí)序進(jìn)行控制，因此構(gòu)建一個(gè)精確可行的時(shí)序控制系統(tǒng)十分有必要[1-2]。

佳拉潔雅裝置系統(tǒng)使用脈沖電源為等離子體槍、等離子通道、溜槽線圈、磁阱和探針供電。

因此時(shí)序控制系統(tǒng)通過延時(shí)脈沖信號(hào)對裝置各部分和采集探針的脈沖電源進(jìn)行控制，在既保障裝置能夠進(jìn)行等離子體產(chǎn)生、輸運(yùn)、篩選以及約束等一系列功能的基礎(chǔ)上，完成等離子體參數(shù)采集這一任務(wù)。本文結(jié)合佳拉潔雅裝置相關(guān)參數(shù)，建立了各部分的時(shí)序控制模型，提出了使用延時(shí)脈沖控制各部分啟停的具體過程，通過PCI-1780U開關(guān)量板卡和LabVIEW作為系統(tǒng)的軟硬件核心，進(jìn)行了時(shí)序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 時(shí)序控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

佳拉潔雅裝置的時(shí)序控制如圖1所示。整個(gè)時(shí)序控制的流程為：脈沖1控制等離子槍開始工作，發(fā)射等離子體，在等離子體進(jìn)入等離子通道之前，脈沖2控制全等離子體電源開始工作，完成等離子的輸運(yùn)工作，在輸運(yùn)的等離子體未到達(dá)溜槽線圈時(shí)，脈沖4控制溜槽線圈電源開始工作，實(shí)現(xiàn)等離子體的注入，脈沖5則控制磁阱電源實(shí)現(xiàn)等離子體的約束，脈沖3、6分別控制等離子體通道和磁阱中的探針工作以實(shí)現(xiàn)等離子體參數(shù)的采集。本文從這一過程出發(fā)，分析了佳拉潔雅裝置中等離子體槍、全等離子體通道、溜槽線圈、磁阱和測量探針的時(shí)序控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。探針則針對通道探針和磁阱探針分別研究。

1.1 佳拉潔雅裝置時(shí)序控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

1.1.1 等離子體槍

佳拉潔雅裝置通電運(yùn)行時(shí)，等離子體槍率先工作[3]，將其工作的起始時(shí)刻記為tpg0，則在時(shí)序控制系統(tǒng)中等離子體槍工作時(shí)間T1應(yīng)該改滿足式(1)：

(1)

式中,tpgs為等離子體槍從通電到正常工作所需要的時(shí)間，tpi為等離子體開始電離和激發(fā)所需時(shí)間，tpj為等離子體從槍中射出所需要時(shí)間，tpgsp為等離子體槍的脈沖電源接受脈沖到開始供電所需要時(shí)間，tpgsu為等離子體槍電源的輸出滿足裝置要求所需時(shí)間。

對佳拉潔雅裝置進(jìn)行分析可知，等離子體槍啟動(dòng)時(shí)間、等離子體電離和激發(fā)時(shí)間以及噴射時(shí)間之和應(yīng)該小于等離子槍的工作時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間包含脈沖反應(yīng)時(shí)間和輸出脈沖電壓上升時(shí)間這兩部分[4]，電離時(shí)間為氫氣經(jīng)過電離和激發(fā)變?yōu)榈入x子體所需要的時(shí)間[5]，噴射時(shí)間計(jì)算則以等離子體到達(dá)出口時(shí)的時(shí)刻為準(zhǔn)。

1.1.2 全等離子體通道

等離子槍發(fā)射出等離子體后，全等離子體通道開始工作以實(shí)現(xiàn)對等離子體的輸運(yùn)，記其工作的起始時(shí)刻為tpc0，則其工作時(shí)間T2應(yīng)滿足式(2)：

(2)

式中,tpcs為全等離子體通道從通電到正常工作所需要的時(shí)間，tpct為全等離子體通道的等離子體輸運(yùn)時(shí)間，tpch為全等離子體通道的保持時(shí)間，tpcsp為全等離子體通道脈沖電源的接受脈沖到開始供電所需要時(shí)間，tpcsu為等離子體通道電源輸出滿足運(yùn)行要求所需時(shí)間。

通道啟動(dòng)時(shí)間、等離子體輸運(yùn)時(shí)間及保持時(shí)間之和應(yīng)當(dāng)小于等離子體工作時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間包含脈沖反應(yīng)時(shí)間和輸出脈沖電壓上升時(shí)間這兩部分；輸運(yùn)時(shí)間即等離子體在通道中通過所持續(xù)的時(shí)間。由于等離子通道的脈沖電源輸出電壓幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等離子體槍電壓幅值所以通道中脈沖電壓的上升時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于等立體槍中脈沖電壓上升時(shí)間。

1.1.3 溜槽線圈

對佳拉潔雅裝置原理分析可知，溜槽線圈的磁場方向與磁阱中盲鰻線圈的磁場方向是相反的，為了避免其磁場影響磁阱中的磁約束，故溜槽線圈應(yīng)該短暫啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)刻應(yīng)該在等離子體進(jìn)入磁阱之前，記為tpl0，其工作時(shí)間T3滿足式(3)：

(3)

式中,tpls為溜槽線圈從通電到正常工作所需要的時(shí)間，tpli為等離子體注入時(shí)間，tplsp為溜槽線圈脈沖電源的啟動(dòng)時(shí)間，tplsu為脈沖電源輸出滿足溜槽線圈要求的時(shí)間。

溜槽線圈啟動(dòng)時(shí)間、等離子體注入時(shí)間及全等離子體通道保持時(shí)間之和應(yīng)小于溜槽線圈工作時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間包含脈沖反應(yīng)時(shí)間和輸出脈沖電壓上升時(shí)間這兩部分；等離子體注入時(shí)間為等離子體從溜槽線圈注入磁阱的時(shí)間。在這一過程中存在著短暫的束流保持現(xiàn)象，這一點(diǎn)與全等離子體通道中是相同的。

1.1.4 磁阱

磁阱在等離子體進(jìn)入前啟動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對等離子體的約束，記磁阱的工作時(shí)刻為tmt0，其工作時(shí)間T4滿足式(4)：

(4)

式中,tmls為磁阱從通電到正常工作所需要的時(shí)間，tmlc為磁阱對等離子體的約束時(shí)間，tmlsp為磁阱脈沖電源的啟動(dòng)時(shí)間，tmlsu為脈沖電源輸出滿足磁阱要求的時(shí)間，Δt為延時(shí)。

磁阱啟動(dòng)時(shí)間、等離子體約束時(shí)間、全等離子體通道保持時(shí)間和延時(shí)之和應(yīng)該小于磁阱工作時(shí)間，磁阱啟動(dòng)時(shí)間包含脈沖反應(yīng)時(shí)間和輸出脈沖電壓上升時(shí)間這兩部分；約束時(shí)間為等離子體從受到約束到全部擺脫束縛所精力的時(shí)間。這是一個(gè)復(fù)雜的過程，為了方便今后對逃逸后裝置中空間參數(shù)的研究，故增加延時(shí)以方便實(shí)際分析。

1.2 測量探針時(shí)序控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

由于我們希望獲得全等離子體通道和磁阱中的等離子體參數(shù)，所以在這兩部分中分別放置探針進(jìn)行測量，對這兩部分的時(shí)序控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析如下。

1.2.1 全等離子體通道探針時(shí)序控制數(shù)學(xué)模型

磁探針置于全等離子體通道中，它的工作時(shí)間介于等離子體注入等離子體通道到離開通道這一過程之間，記磁探針的起始工作時(shí)刻為tpcp0，它的工作時(shí)間T5滿足式(5)：

(5)

式中,tcsu為從通電到正常工作所需要的時(shí)間，Δtc為通道探針的延遲時(shí)間。

為了保證采集參數(shù)的完整性，全等離子體的工作時(shí)間應(yīng)包含在探針工作時(shí)間之內(nèi)，同時(shí)通道工作時(shí)間、磁探針的啟動(dòng)時(shí)間和磁探針延遲時(shí)間之和應(yīng)小與全等離子體通道中磁探針的工作時(shí)間。

1.2.2 磁阱探針時(shí)序控制數(shù)學(xué)模型

探針安放于磁阱中用來測量等離子體密度和電子溫度等參數(shù)，其工作時(shí)間介于等離子體注入磁阱的時(shí)刻和逃逸時(shí)刻之間，記Langmuir探針的工作起始時(shí)刻為tmtp0，工作時(shí)間T6滿足式(6)：

(6)

式中,tpsu為Langmuir探針通電到正常工作所需要的時(shí)間，Δtmt為Langmuir探針的延遲時(shí)間。

磁阱工作時(shí)間、探針啟動(dòng)時(shí)間和探針延遲時(shí)間之和應(yīng)小于Langmuir探針的工作時(shí)間。Langmuir探針在等離子體注入磁阱并完成逃逸之后停止工作。

由1.1和1.2節(jié)分析，結(jié)合佳拉潔雅裝置工作過程和系統(tǒng)需求，建立裝置中各部分的時(shí)序控制系統(tǒng)模型。輸出脈沖的示意圖如圖2所示。

圖2 時(shí)序控制輸出脈沖示意圖

2 延時(shí)脈沖產(chǎn)生過程分析

建立佳拉潔雅裝置時(shí)序控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型之后，考慮到系統(tǒng)需求和構(gòu)建系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

選取合適的軟硬件構(gòu)建時(shí)序控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對佳拉潔雅裝置的時(shí)序控制。本文選擇PCI-1780U板卡輸出脈沖信號(hào)，上位機(jī)通過LabVIEW實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和時(shí)序控制并構(gòu)建用戶友好的人機(jī)界面。

LabVIEW是由美國NI公司開發(fā)的一種程序開發(fā)環(huán)境，也是虛擬儀器技術(shù)中運(yùn)用最多也最方便的一種編程語言[6]，它使用圖形化的編程語言，可以讓使用者無需了解程序的底層實(shí)現(xiàn)即可根據(jù)需要定制自己的程序，非常適合時(shí)序控制領(lǐng)域，使用LabVIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)更加簡單也更加直觀高效，而LabVIEW提供了海量的函數(shù)庫和接口，足以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的系統(tǒng)，滿足各種各樣的設(shè)計(jì)需求。時(shí)序控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 時(shí)序控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

時(shí)序控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、延時(shí)觸發(fā)模塊和隔離濾波模塊三部分組成。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將設(shè)好的裝置中各部分電源的控制脈沖參數(shù)傳輸至開關(guān)量板卡PCI-1780U，板卡通過PCI接口與PC機(jī)相連；延時(shí)觸發(fā)模塊根據(jù)控制參數(shù)輸出相應(yīng)的脈沖，隔離濾波模塊通過光電耦合電路防止輸出的各路信號(hào)相互干擾，通過濾波電路濾除輸出脈沖中的噪聲。從而實(shí)現(xiàn)對裝置各部分的精確控制。

結(jié)合佳拉潔雅裝置特點(diǎn)以及選取的硬件的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了更加靈活的對裝置進(jìn)行時(shí)序控制，進(jìn)行脈沖寬度和延時(shí)都可變的參數(shù)控制，使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，由PCI-1780U資源配置，輸出4路時(shí)序延時(shí)脈沖。

圖4 延時(shí)脈沖的產(chǎn)生過程示意圖

3 時(shí)序控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合時(shí)序脈沖產(chǎn)生過程的分析，進(jìn)行時(shí)序控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)，硬件部分由PCI-1780U定時(shí)器板卡和ADAM3968接線端子構(gòu)成，軟件部分則由LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)軟件編寫，實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制和友好的人際界面。

3.1 PCI-1780U板卡的功能及參數(shù)

PCI-1780U是一個(gè)PCI接口的多通道計(jì)數(shù)器板卡，它的芯片型號(hào)是AM9513[7]，它由8個(gè)16位計(jì)數(shù)器、8個(gè)時(shí)鐘源和八個(gè)I/O口構(gòu)成，而它的技術(shù)器和時(shí)鐘源都是相互獨(dú)立的，所以可以實(shí)現(xiàn)多路時(shí)序控制，通過CPLD來實(shí)現(xiàn)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的功能，可以通過編程靈活實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式輸出和延遲輸出等功能。

3.2 時(shí)序控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)界面和時(shí)序控制系統(tǒng)的編寫[8]，圖5為時(shí)序控制系統(tǒng)流程圖，上位機(jī)界面如圖6所示。在人機(jī)界面可以對各個(gè)通道的脈沖脈沖上升時(shí)間和延時(shí)進(jìn)行設(shè)置，運(yùn)行程序進(jìn)行脈沖輸出前，先根據(jù)需求和理論分析合理的設(shè)置各通道的相關(guān)參數(shù)即可輸出滿足需求的脈沖。DAQNavi為LabVIEW提供了驅(qū)動(dòng)程序，使得上位機(jī)程序可以對板卡進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)軟件輸出到硬件輸出的轉(zhuǎn)化。同時(shí)設(shè)有錯(cuò)誤狀態(tài)監(jiān)測顯示，方便出現(xiàn)不正常輸出時(shí)進(jìn)行問題分析和錯(cuò)誤排查。該前面板的程序通過事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，添加了空閑時(shí)間事件可以更加合理有效的分配資源防止CPU被長期占用而導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，也使整個(gè)程序更加高效。

圖5 時(shí)序控制系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 LabVIEW人機(jī)交互界面

4 時(shí)序控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與分析

上節(jié)進(jìn)行了佳拉潔雅裝置時(shí)序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，本節(jié)利用接線端子和示波器將輸出信號(hào)進(jìn)行量化，構(gòu)建系統(tǒng)測試平臺(tái)來驗(yàn)證脈沖電源控制信號(hào)的精確性與準(zhǔn)確性。

在上位機(jī)設(shè)定各通道脈沖上升沿時(shí)間和電平持續(xù)時(shí)間之后，該參數(shù)通過PCI接口傳入PCI-1780U板卡[9]，板卡的輸出通過ADAM3968接線端子導(dǎo)出至示波器，本文我們選取接線端子的DO0～DO7通道，從而通過量化驗(yàn)證脈沖電源輸入脈沖的精確性。

分別導(dǎo)出示波器中裝置各部分的時(shí)序控制信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算得到：

1)等離子體槍脈沖信號(hào)：當(dāng)在上位機(jī)設(shè)置輸出脈沖寬度為600 μs，示波器實(shí)際測量得到的脈沖寬度為619 μs，誤差為3.3%。

2)全等離子體通道脈沖信號(hào)：當(dāng)在上位機(jī)設(shè)置輸出脈沖寬度為2 ms，示波器實(shí)際測量得到的脈沖寬度為2.036 ms，誤差為1.76%。

3)溜槽線圈脈沖信號(hào)：當(dāng)在上位機(jī)設(shè)置輸出脈沖寬度為1 ms，在示波器上實(shí)際測量得到的輸出脈沖寬度為1.037 ms，誤差為3.7%。

4)磁阱：設(shè)置輸出脈沖寬度為15 ms，示波器測得的輸出脈沖寬度為15.6 ms，誤差為4%。

5)磁阱探針：理論控制脈沖寬度為17 ms，實(shí)際測得的輸出脈沖寬度為17.5 ms，誤差為2.9%。

6)全等離子體通道探針：理論輸出脈沖寬度為4 ms，實(shí)際測得的輸出脈沖寬度為3.98 ms，誤差為0.5%。

由以上分析可知，佳拉潔雅裝置中等離子體槍、全等離子體通道、溜槽線圈、磁阱、通道和磁阱中的電源實(shí)際輸入脈沖與設(shè)定值的誤差滿足設(shè)計(jì)需求。而實(shí)際使用脈沖信號(hào)對脈沖電源進(jìn)行控制時(shí)還要考慮到裝置中各部件的反應(yīng)時(shí)間和啟動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間等參數(shù)，因此應(yīng)該預(yù)先進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)確定相關(guān)參數(shù)后對起始時(shí)刻和脈沖寬度進(jìn)行校準(zhǔn)[10]來確保裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

為了進(jìn)一步研究裝置中各部分輸入脈沖間的對應(yīng)關(guān)系，設(shè)置等離子槍脈沖寬度為1.5 ms、脈沖起始時(shí)刻為1 ms，全等離子體通道脈沖寬度為為3 ms、脈沖起始時(shí)刻為1.4 ms，溜槽脈沖寬度為1.5 ms、脈沖起始時(shí)刻為3.4 ms，磁阱脈沖寬度為8 ms、脈沖起始時(shí)刻為3 ms，裝置中各部分的脈沖電源和輸入脈沖的對應(yīng)關(guān)系如圖7、8、9所示。

圖7 等離子體槍和通道電源輸入脈沖的對應(yīng)關(guān)系

圖8 溜槽線圈和通道電源輸入脈沖的對應(yīng)關(guān)系

圖9 溜槽線圈和磁阱電源輸入脈沖的對應(yīng)關(guān)系

對測試結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算可知：等離子體槍和全等離子體通道間延時(shí)為455 μs，溜槽線圈和全等離子體通道間延時(shí)為1.91 ms，溜槽線圈和磁阱間延時(shí)為780 μs。將此延時(shí)與期望脈沖輸出時(shí)刻進(jìn)行對比可得到時(shí)序控制誤差，結(jié)果如表1所示。由表1可知，等離子體通道和溜槽線圈中脈沖的實(shí)際輸出時(shí)刻與期望輸出時(shí)刻幾乎沒有誤差，而磁阱中脈沖輸出時(shí)刻間的誤差較大，可以通過增大磁阱工作脈寬的方式進(jìn)行改善，使其滿足裝置需求完成等離子體約束工作。

表1 脈沖輸出誤差分析

5 總結(jié)

本文使用LabVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境，PCI-1780U板卡及其接線端子作為硬件核心，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了佳拉潔雅裝置的時(shí)序控制系統(tǒng)。通過建立裝置中各部分和探針的時(shí)序控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了整個(gè)時(shí)序控制系統(tǒng)延時(shí)脈沖的產(chǎn)生過程，構(gòu)建了時(shí)序控制系統(tǒng)的測試平臺(tái)，通過量化的方式對時(shí)序控制脈沖進(jìn)行誤差分析并且分析了輸入脈沖間的對應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)精度滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要和時(shí)序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了對佳拉潔雅裝置的精確時(shí)序控制。