KTX反場箍縮裝置中磁流體不穩(wěn)定性的反饋控制研究與設(shè)計.pdf

1、本論文闡述了KTX反場箍縮裝置中磁流體不穩(wěn)定的反饋控制系統(tǒng)的物理設(shè)計與對m=1撕裂模與電阻壁模進(jìn)行反饋控制的優(yōu)化研究。
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在建的KTX裝置是國內(nèi)第一個大型反場箍縮實驗裝置,肩負(fù)著探索先進(jìn)反場箍縮(RFP)裝置理念的使命。反場箍縮位形中同時存在多種不穩(wěn)定模式,其中電阻壁模限制了放電時間和等離子體電流的提升,撕裂?？赡軒怼版i模”現(xiàn)象,引起嚴(yán)重的等離子體-壁相互作用,甚至可能導(dǎo)致放電的提前終止。為了拉長放電時間,提供

2、約束表現(xiàn),必須同時對撕裂模和電阻壁模進(jìn)行反饋控制。
　　首先,完成了KTX反饋控制系統(tǒng)的物理設(shè)計。反饋控制系統(tǒng)由傳感器陣列、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和數(shù)字PID控制器三部分組成。根據(jù)需要控制目標(biāo)模式數(shù),設(shè)計出來的傳感器陣列由4×48個鞍形傳感器和位于其中心的磁探針構(gòu)成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是覆蓋整個表面的4×24個主動鞍形線圈,每一線圈由功放獨立供電。數(shù)字PID控制器是控制系統(tǒng)的核心,控制循環(huán)周期為200μs。在實踐中,KTX反饋控制系統(tǒng)可以工作在“智能殼”

3、和“模式控制”方案下,反場箍縮中最先進(jìn)的“清潔模式控制”的方法也將被應(yīng)用。借助KTX豐富的磁探針信號,可以利用擾動磁場的極向或環(huán)向分量進(jìn)行反饋,從實驗上探索更高效的控制方法。
　　其次,建立了一個應(yīng)用于KTX反場箍縮裝置幾何和參數(shù)的磁流體力學(xué)模型,將擾動處理為本征函數(shù)為Newcomb方程的解的形式,結(jié)合考慮了粘滯力矩和電磁力矩的平衡條件的流體運動方程組,再加上反饋率,得到一個完整的動態(tài)演化模型,邊帶的影響在原始模式控制方案中被考慮

4、。該模型可以在給定撕裂模幅度情況下,演化出模式的相位及旋轉(zhuǎn)速度、擾動磁場剖面,以及所需的反饋電流等。對電阻壁模的處理與撕裂模類似,區(qū)別是不存在有理面和僅在有理面處非零的電磁力矩?；谠撃Ｐ?使用fortan90語言編寫了代碼KTX-FC。該代碼可方便地應(yīng)用于不同的反場箍縮磁位形下,只需調(diào)整幾何和相關(guān)參數(shù)。
　　再次,數(shù)值研究了KTX中撕裂模和電阻壁模的反饋控制。發(fā)現(xiàn)KTX中主要撕裂模的鎖模閾值在1mT水平,對其反饋控制必不可少;對

5、銅殼,優(yōu)化厚度為1.5mm;首次在數(shù)值上發(fā)現(xiàn)了真空室外的徑向場傳感器表現(xiàn)出不同于極向和環(huán)向場傳感器的反饋規(guī)律;在原始模式控制方案下,欲使用徑向場傳感器反饋控制需要更多的傳感器數(shù)目,并且需要傳感器在真空室以內(nèi)。發(fā)現(xiàn)電阻壁模的不穩(wěn)定模式譜和平衡參數(shù)密切相關(guān);反饋控制不僅可以實現(xiàn)電阻壁模的穩(wěn)定,使用復(fù)數(shù)增益還可以帶來模式的旋轉(zhuǎn);實踐中的延遲越小越有利于獲得良好的反饋,根據(jù)對離散時間控制的研究,要求控制器的反饋頻率為5kHz;清潔模式控制控制對