[发明专利]一种基于内分泌算法的托卡马克装置等离子体密度智能化控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物智能控制技术、高速数据采集技术以及磁约束聚变领域，主要涉及一种 基于内分泌算法的托卡马克装置等离子体密度智能化控制方法。

背景技术

托卡马克装置通过磁约束，将聚变物质等离子化，建立等离子体，并将等离子体加热至 一定高温使之足够接近而发生核聚变反应，释放出核聚变能。目前的托卡马克装置均通过控 制核聚变燃料(即氘－氚气体)的加入速度及每一次的加入量，使核聚变反应按一定的规模 连续或有节奏地进行。核聚变装置中的气体密度要很低，只能相当于常温常压下气体密度的 几万分之一。因此对等离子体密度的控制在整个聚变反应中占有及其重要的低位。

目前国内的托卡马克装置密度控制系统的密度数据采集均采用PCI9112和PCI9118数据 采集卡，该种型号的采集卡采集通道数少，采集模式简易，采集率低，造成对信号的采集丢 点现象严重。

目前国内的托卡马克装置对等离子体密度的控制方法均采用传统PID控制，对于复杂的 非线性过程而言，PID控制结构简单、稳定性好、可靠性高，能够满足基本的控制要求。然 而，由于传统的PID控制在控制过程中使用固定不变的控制参数，不能实时反应不同控制系 数对控制效果的影响，P、I、D系数的值不能随系统响应结果的值而适时调整，也就不能实 现控制过程更快速地向理想的响应状态靠拢，跟踪性能比较差。相对而言，常规PID的鲁棒 性比有自适应能力的控制算法要低，当受到扰动时往往需要耗费更多时间将响应调整到合适 的值上。

在HT-7托卡马克控制系统的设计过程中，已提出了神经网络应用于托卡马克等离子体密 度控制过程中的PID参数自整定，选择了单神经元进行PID参数的调整。单神经元作为神经 网络的基本构成单元，具有自学习和自适应能力，并且与传统PID控制一样结构简单、易于 计算，用单神经元调整PID参数能紧密联系工程指标，可以一定程度上解决传统PID在线实 时整定参数的问题。但单神经元由于结构简单，对非线性过程的逼近能力不是很强，只对响 应性能有一定程度的提高。

发明内容

本发明针对现有托卡马克装置上等离子体密度控制方法跟踪能力与鲁棒性能的不足，以 及托卡马克装置上数据采集过程的性能缺陷，提出了一种托卡马克装置上等离子体密度的智 能化控制方法，具体涉及高速数据采集通道的应用、内分泌算法对托卡马克核聚变装置等离 子体密度控制系统的PID控制过程进行参数整定以及用神经内分泌超短反馈算法实现托卡马 克核聚变装置等离子体密度控制系统的超短反馈控制，优化托卡马克核聚变装置等离子体密 度控制系统的整体性能。

本发明的一种基于内分泌算法的托卡马克装置等离子体密度智能化控制方法，托卡马克 装置通过磁约束，将聚变物质等离子化，建立等离子体，所述智能化控制方法包括托卡马克 装置上等离子体密度的信息采集、参数控制、超短反馈控制和脉冲充气；其控制过程为高速 数据采集通道采集托卡马克装置上等离子体室内的等离子体密度信息，由一工控计算机根据 设定的目标密度值和采集得到的当前密度值计算控制偏差，根据控制偏差利用基于内分泌系 统的激素调控算法进行参数控制和超短反馈控制，并计算控制过程的输出信号，控制脉冲充 气机构对托卡马克装置等离子体室的充气量，得到期望的等离子体密度；

所述的参数控制，主要指利用基于内分泌系统的激素调控算法在控制过程中自动调整 PID控制器的控制参数；其中，PID控制器是整个控制方法中最主要的控制器，它的三个控 制参数比例增益、积分时间和微分时间，由基于内分泌系统的激素调控算法根据每个控制周 期中的实时控制偏差进行在线整定，使得密度值以更快的速度到达控制目标；

所述的超短反馈控制，主要指利用神经内分泌系统的超短反馈机理，根据当前时刻PID 控制信号的变化率与当前时刻的控制偏差，计算PID控制器输出信号的超短反馈控制信号， 使得控制偏差以更快的速度减小到零，进一步提高控制系统的快速性和鲁棒性；

所述参数控制和超短反馈控制的主要计算步骤为：

①根据设定的目标密度值和采集得到的当前等离子体密度值计算当前k时刻的控制偏 差e(k)：

e(k)＝sp-x(k)，

其中，sp表示设定的目标密度值，x(k)表示采集得到的当前密度值；

②将控制偏差e(k)归一化为偏差率E(k)，以便于后续计算：