Устройство для стабилизации положения плазменного шнура в токамаке Советский патент 1988 года по МПК G21B1/00 

ИчоГфетоние слтиоситот к -штомпти- lecKONiy упр.чиленич) праг(ег(1.чми п термоядерных устлпопках и может исгюльэопано п качестве тлмкнутон систс мы автоматического управления рапнонегным положением плазменного шнура как по горизонтали, так и по вертикали п токамакях.

Целью изобретения является повы- шение точности стабилизации положения плазменного шнура.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит первый 1, ото- рой 2, третий 3, четвертьп 4 и пятый 5 интеграторы} усилитель 6; первый 7, второй 8 и третий 9 масштабные усилители; первьй 10, второй 11, третий 12, четвертый 13, пятый 14, шестой 15, седьмой 16, восьмой 17, девятый 18, десятый 19 и одиннадцатый 20 сумматоры; первое 21, второе 22, третье 23, четвертое 24, пятое 25, шестое 26 седьмое 27 звенья с регулируемым коэф фициентом передачи; первое 28 и второе 29 множительные звенья; первый 30 и второй 31 фильтры высоких частот; фазовращатель 32, блок 33 задания начальных условий. Выходы сумматоров Ю и II подключены к выходу объекта 34, представляющего собой плазменный шнур в вакуумной камере. На объект действуют неконтролируемые возмущения: аддитивное Ы и параметрическое, из- меняющее коэффициент усиления К. Исполнительный орган 35, подключенный к входу объекта 34, состоит из последовательного соединения релейного преобразователя 36 аналогового сиг« нала Z в напряжение U прямоугольной формы и катутпки 37 управления. Вход датчика 38 тока подключен к катушке 37 управле)ия, а выход - к неинвертирующему входу сумматора 14. Вход исполните.1п.ног о органа 35 соединен с выходом сумматора 10.

Последовательно соединенные сум - маторы 12 и 13, интегратор 1 и звено 22 с регулируемым коэффициентом передачи образуют первьш внутренний контур отрицательной обратной связи, который совместно со звеном 23 с регулируемым коэффициентом передачи и множительным звеном 29 являются первой моделью объекта. Интегратор 1, сумматор 11 и 12, усилитель 6 и зярно 21 с регулируемым коэффициентом передачи образуют птос

Q

f 0 5 о Q

0

5

рой внутренний Контур с огрицатель- ной обратной свнз)1о - кошур оценки врлхода об1-,екта. Интегр.чторы 2 и 3, сумматор 15 и масштабные усилители 7 и 8, входы которых подключе- иы к выходу усилителя 6, представляют собой модель возмущения, выход которой (выход интегратора З) подключен к инвертирующему входу сумматора 16. Последовательно соединенные первая модель объекта, модель возмущения, сумматоры 11 и 14 и уси штель 6 образуют третий внутренний контур отрицательной обратной связи. Последовательно соединен- Hiiie cyhiMarop 20, звено 27 с регулируемым коэффициентом передачи и интегратор 5 создают четвертый внутренний контур отрицательной обратной связи, который совместно со звеном 23 с регулируемьм коэф4)ициентом передачи и множительным звеном 29 являются второй моделью объекта. Этот контур обратной связи, подключенньй lepe i фильтр 30 высоких частот, фазовращатель 32, сумматор 17, звено 25 с регулируемым коэффициентом передачи к входу множительного звена 28, а также подключенное к другому .входу множительного звена 28 последовательное соединение сумматора 18, масштабного усилителя 9, фильтра 31 высоких частот, соед1 ненного своим входом с вьЕходом объекта 34, представляют собой совместно с последовательным соединением звена 26 с регулируемым коэффициентом передачи, интегратором 4, сумматором 19, множительным звеном 29 и блоком 33 за- да}1ия начальных условий внешьпою цепь автоматической подстройки коэффициента усиления двух моделей объекта к коэффициенту усиления объекта 34. Последовательное соединение исполнительного органа 35, объекта 34 и cyNfMaTopa 10 является ос- HOBHbw контуром стабилизации положения плазмс-нног о шнура в токамаке.

Устройство работает следующим образом.

Уравнение двшкения объекта 34 - плазменного щнура с учетом вакуумной камеры - можно представить в

виде

Тх 4 X K(t) l(t) + w(t)J, d)

где X - смещение плазменного шнура

относительно требуемого значения большого радиуса;

3141

X - производная смещения плазменного ганура;

I - ток в кату1пке 37 управления Т - постоянная времени объекта; К - коэффициент усиления объекта, обратно пропорциональный току плазмы; Ы - аддитивное неконтролируемое возмущение.

Уравнение динамики второй модели бъекта имеет вид:

Т,х, , K(t)T(t) 4 (t), (2)

л

де X. - выходная величина второй

модели объекта (выход инте- гратора 5);

Xj - производная выходной величины второй модели объекта; U) - оценка возмущения; Ы - (выход интегратора З),

получаемая с помощью первой модели объекта и моде- . ли возмущения;

ос

Т. - оценочное значение посто- 25 янной времени объекта Т

881

10

15

20

второй модели, задаваемое звеном 27 с регулируемым коэффициентом передал

K(t) - коэффициент усиления второй модели объекта (выход

сумматора 19).

Этот коэффициент изменяется цепью автоматической подстройки с помощью множительного эвена 29, один из входов которого подключен к выходу сумматора 19. Уравнение динамики K(t) задается интегратором 4 с нулевыми начальными условиями:

К (х - 1, §,0, (3)

л

где К - производная коэффициента усиления второй модели объекта - общий кoэф(ициeнт усиления

цепи подстройки.

Начальные условия К(0) задаются блоком 33 задания начальных условий, подключенного к входу сумматора 19.

Если положить в (2) Tj Т; Л W, то работу цепи подстройки можно объяснить так. Пусть К 7 К, тогда х 7Х

л.А

ИХ - X 2 ;0 В этом случае величина К будет уменьшаться, так как согласно (3) . Пусть К К. тогда X - и скорость К 70; К возрастает. В обоих случаях величина К приближается к К: коэффициент усиления

7

модели К отслеживает коэффипиент yci. ления объекта К.

Величина ошибки оценки воямущенин )) тем большем, чем больше отклонение К от К. Это следует из уравнений динамики объекта (), первой модели объекта и модели возмущения:

Г x).K(OCr(t)-a.a),(.,

/

и

Л Р

Л

где X

л X

Л

р К(у. - х); Кз(х - х),

выходная величина первой модели объекта (выход интегратора 1 );

производная выходной величины первой модели объекта; вспомогательная переменная модели возмущения (выход интегратора 2);

5

0

5

0

К,, К

Kj7 О

г

л

т.

и; - л

I коэффициенты усиления внутренних контуров отрицательной обратной СВЯЗИ , оценочное значение постоянной времени объекта Т первой модели, задаваемое звеном 22 с регулируемым коэффициентом передачи; производная оценки возмущения ;

производная вспомогательной переменной модели возмущения .

Поскольку множительное звено 29 входит как во вторую, так и в первую модель объекта, то изменение его входа К в соответствии с (З) и, непрерывное приближение К к величи- 5 не коэффициента усиления объекта К обеспечивает более точную оценку возмущения cJ в (4) при Т Т, т.е. уменьшение величины Р этом более точным получается сигнал обратной связи Z, в котором используются выходт1 е величины модели возмущения Ы и Л i

0

fj- LJ + / с

-(т-1ч:-

Kj, Т| - коэффициент передачи и постоянная времени катушки управления.

514

Увеличение точности формиров иия сиг- налл 7, пс1вьш1пет точность компенсации возмущения в соответствии с (5) в ос.(5бенности на стадии ввода тоКеТ плазм1.г, когда K(t) в (1) изменяется значительно.

Поясним теперь, каким образом полу2

2

- ; в

чается разность квадратов х цепи гтодстройки, а также назначение фильтров верхних частот и фазовращателя .

Разность квадратов в (З) создается cyNtMaropaMH 17 и 18 и множительным звеном 28. На выходе сумматора 17 име ется разность х - х , на выходе сумматора 18 сумма X X,, }ia выходе множительного звена - величина, пропорциональная произведению (х+ y. х(х - й) разности квадратов X. . При этом разность х - х-j дополнительно усиливл.отся звеном 25 с регулируемым коп()х|)цциентом передачи.

Если же непосредстве нно возводить в квадрпт аналоговыми множителыйгми звеньями сигналы х и Xj для получения разности ,то при малом рассогласовании между эТ1-1Ми сигналами получить знак X практически невоз- модно из-за Нелинейности множителт - ных звеньев. Кроме того, существенную погрешность при малых рассогласованиях вносит и дрейф нуля м}{ожителъ-- ных . Опред|;ление же разности

1 2 .

квадратов х - к, с использованием произведении разности х - -г и суммы X + х свободно от этих педос . -ат- ков, так кмк каждьш из сомножителей можно предварителъяо усилить до необходимого уровня и повысить точность

) л 1 получения р-п пс ги х - х.

Ошибка опег:ки возмущения E(jj :уо-U) присутстпует в выходном сигнале второй модели, что следует из (2)

у. Х.1- К(1 - U) ) К(-Е) .

Эта ошибк.) nHiicuT погрешность при настройке ( коэф(})ициента усиления моделей К, что в некоторых случаях может Г1):ивести к неустойчивости совместной .оты двух моделей. Этот недостаток позволяют ликвидировать фильтры 30 и 31 высоких частот следующим обратом.

В замкнулых релейных автоколебательных системах стабилизации положения плачме1П1ого шнура токамаков характерное, лремя изменения неконтролируемых неличин CJ и К много больше

88176

периода автоколебаний. Поэтому фильтрами 30 и 31 верхних частот можно подавить низкочастотные составляю- щие в выходных сигналах объекта х и второй модели Xj, вызванные изменениями возмущения ы . Частота среза фильтров выбирается меньше частоты автоколебаний релейной системы ста10 билизации, но больше характерных частот изменения CJ. При этом ток управления и смещения плазменного шнура можно представить в виде

Л Я /С

I I + I,X-X + x , Xj Xj+Xj,

(6)

где f, f,

5ci - осциллирующие части тока, смещения и оценки смещения второй модели,

Т, х,

Л

Х-,

15

20

- медленно ме 1яющився составляющие тока, смещения и оценки смещения.

„с Подставляя(6) в (1), (2) и применяя разделение движений, получим уравнения для быстрых и медленных составляющих:

15 X КТ, + -2 1

30 я д

где Xj и X - производные осциллирующих частей оценки смещения второй модели и самого смещения.

35

X К(1 + , xi K(I-+ w) .

На выходе фильтров 30 и 31 выделяются осциллирующие величины соответственно X и Х2, которые, как вид- 0 но из (7), определяются только переf

менпой составляющей тока I, одинаковой для объекта ,()и второй модели (2), параметрами объекта Т, К и молл

дели, Tj, К и не зависят от и) , w

5 и EL.

Фазовращатель 32 в канале х, а также масштабный усилитель 9 в канале х i цепи настройки необходимы для устранения погрешностей неидентич0 ности фильтров 30 и 31 верхних частот данных каналов,

/изтог атическая подстройка коэффициента К Г одели к изменяющемуся в течение разряда коэффициенту К объекта

5 позволяет более точно оценивать изменяющуюся величину возмущения (j . Увеличение точности подстройки величины ш, использующейся при формировании сигнала обратной связи (5),

/

1гривпдит к yiu- . iiru HUH 1очн ч ти с.та- билизапии положения II.п,. 1т(1 проявляется в лнквиД Шнн .тгической ошибки не только на кначистационар- ной стадии разряда, но и на стадии ввода тока .

Фоомула изобретени Устройство для стабилизации положения плазменного шнура в токамаке, содержащее ис1юлн 1тельный орган, выход которого подключен к входу объекта управления и входу датчика тока, первый сумматор, выход которого соединен с входом исполнительного органа, а первый инпертиругощий вход с выходом объекта управления и с инвертирующим входом второго сумматора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого интегратора, а выход второго сумматора через последовательно соединенные усилитель и первое звено с регулируемым коэффициентом передачи - с первым неинвертирующим входом третьего сумматора, выход которого подключен к входу первого интегратора, выход первого интегратора соединен с неинвертирующим входом четвертого сумматора, выход которого через второе звено с регулируемьм коэффициентом передачи соединен с вторым неинвертирующим входом третьего сумматора,выход датчика тока подключен к неинвертирующему входу пятого сумматора, выход которого соединен с входом третьего звена с регулируемым коэффициентом передачи, выход усилителя через первый масштабный усилитель соединен с инвертирующим входом шестого сумматора, а через второй масштабный усилитель - с входом второго интегратора, выход которого подключен к неинвертирующему входу шестого сумматора, выход шестого сумматора соединен с неинвертирующим входом седьмого сумматора и входом третьего интегратора, выход которого подключен к инвертирующим входам пятого и сед |мого сумматороров, выход седьмого сумматора через четвертое зве178

с рсм улируем - - коэффи 1,иен-11 м пе- редлчи сс единен с вторым иивертир 1о- щим входом- первого сумматора, отличающееся тем, что, с це-

лью гюпьппения точности стабилизации

положения плазменного шнура, в него введены последовательно соедичег1т,1е первый фильтр верхних частот и фляовращатель, последовательно соединен- mie второй фильтр верхних частот и третий масштабШзпЧ усилитель, восьмой, девятый и десятый сумматоры, пятое звеное с регулируем1 1м коэффициентом

передачи, последовательно соединенные первое множительное звено, шестое звено с регулируемым коэ( циентом передачи и четверть интегратор, блок задания начальных услоВИЙ, второе множительное звено и последовательно соединенные одиннадцатый сумматор, седьмое звено с регулируемым коэффициентом передачи и пятый интегратор, причем вход первого

фильтра верхних частот подклк чен к выходу объекта управления, выход фазовращателя соединен с неинвертирующим входом восьмого и первым неинвертирующим входом девятого сумматоров,

выход третьего масштабтю о усилителя - с инвертирующим входом восьмого и вторым неинвертирующим входом девятого сумматоров, выход восьмого сумматора через пятое звено с регулируемым

коэффициентом передачи соединен с первым входом первого множительного звена, второй вход которого подключен к выходу девятого сумматора, выходы блока задания начальных условий и четвертого интегратора подключены к соответствующим неинвертирующим входам десятого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго множительного звена, второй вход второго

множительного звена соединен с выходом третьего звена с регулируемым коэффициентом передачи, а выход - с инвертирующими входами четвертого и одиннадцатого сумматоров, выход пятого интегратора соединен с неинверти- руюшим входом одиннадцатого cy мaтo- ра и входом второго фильтра верхних частот.

Изобретение относится к автомати ческому управлению процессами в термоядерных установках и может найти применение в качестве замкнутой системы автоматического управления равновесным положением плазменного шнура в токамаках как по горизонтали, так и по вертикали. Целью изобретения является повьш1ение точности стабилизации положения плазменного шнура. В устройстве с помощью комбинаций из сумматоров, интеграторов, масштабных усилителей, звеньев с регулируемым коэффициентом передачи, фильтров верхних частот, фазовращателя и множительньпс звеньев созданы первая модель объекта, контур оценки выхода объекта, модель возмущения и вторая модель объекта. При работе замкнутой релейной системы управления в автоколебательном режиме определяется разность между квадратами переменных составляющих величин смещения и его модельным значением. Эта разность, пропорциональная разности коэффициентов усиления объекта и модели, используется для непрерьганого приближения коэффициента усиления модели к коэффициенту усиления объекта. В результате этого слежения происходит более точная оценка неконтролируемого возмущения и повышается точность его компенсации. 1 ил. (Л