Устройство для стабилизации положения плазменного шнура в токамаке

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„.$У„„НИВ! 7

ы)4 С 21 В1 00

ВСЕЮИ >5%%

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Rlg qg

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4088873/24-25 (22) 09.07.86 (46) 23.08.88. Бюл. У 31 (72) Ю.В. Грибов, Ю.А. Косцов, Е.A. Кузнецов, Ю.В. Митришкин и К.Г. Шаховец (53) 621.039.6(088.8) (56) Грибов Ю,В., Митришкин Ю.В., Чуянов В.А, Исследование системы управления равновесием плазмы в токамаке. Препринт Института проблем управления.-М., 1982.

Авторское свидетельство СССР

У 1153698, кл. С 05 D 3/00, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ

ПОЛОЖЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ШНУРА В ТОКАМАКЕ (57) Изобретение относится к автоматическому 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 иэобретения является повышение 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 множительных 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 непрерывного приближения коэффициента усиления модели к коэффициенту усиления объекта. В результате этого слежения происходит более точная оценка неконтролируемого возмущения и повышается Фочность его компенсации. 1 ил.

I <)HH) j

Из<<бретение оти«сит< я к л»<т««<л ги—

»е< к?му уир;»вленик1 ироце«.лми в тер— и< ядерных установках и м<3жет бь»ть исиользовлио»3 клчестве .Замкнутой системы лвт

Целью изобретения явпяется повышение точности стабилизации положе10, ния плазменного шнура.

Ня чертеже 1»редстлвлена структурная схема устройства.

Устройство содержит первый 1, вто- !5 рой 2, третий 3, четвертьп» 4 и пятый

5 интеграторы) усилитель 6; первый 7, второй 8 и третий 9 масштабные усилители, первьп» )О, второй 11, третий

12, четвертый 13, пятый )4, шестой 20

l5, 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-25 фициентом передачи; первое 28 и второе 29 мш<3житель»»ые звенья; первый 30 и второй 31 фильтры высоких частот, фазовращатель 32, блок 33 задания начл»»ь»»ь»х условий. Выходы сумматоров 10 30 и 1) подключены к выходу объекта 34, предстлвляющег<> собой плазменнь»й шнур в влкуумной камере. На объект действуют неконтролируемые возмущения: аддитивное (d и параметрическое, изменяющее коэффициент усиления К. Исполнительный орган 35, подключе»»ный» к входу объекта 34, состоит из последовательного соединения релейного преобраэовлтепя 36 аналогового сигw 40 нала Е в нл»»ряже»»ие») прямоугольной формы и клтушки 37 управления. Вход датчика 38 тока подключен к ка.тушке

37 управления, а выход — к неинвертирующему входу сумматора 14. Вход исполнител»,ного органа 35 соединен с выходом сумматора 10.

Послецовательно соединенные сумматоры 12 и I 3, интегратор 1 и звено 22 с регулируемым коэффициентом передачи образуют первьп» внутренний контур отрицательной обратной связи, который совместно со звеном

23 с регулируемым коэффициентом передлчи и множительным звеном 29

55 являются первой моделью объекта. Интегратор 1, сумматор 11 и 12, усилитель 6 и з 3< но 21 с регулируемым коэффициеи.ом передачи образуют вт — к< и I ур 1»енки выходя объекта. Интегр;»горы 2 и 3, сумматор 15 и мл<шт;<биые усилители 7 и 8, входы которых подключены к выходу усилителя 6, представляют собой модель возмущения, выход которой (выход интегратора 3) подключен к инвертирующему входу сумм;»тора 16. Последовательно соединенные первая модель объекта, моцель возмущения, сумматоры ll и !4 и усилитель 6 образук т третий внутренний контур отрицательной обратной связи. Последовательно соединенные сумматор 20, звено 27 с регулируемым коэффицйентом передачи и интегратор 5 создают четвертый внутренний контур отрицательной обратной связи, который совместно со звеном

23 с регулируемым коэффициентом передачи и множительнь»м звеном 29 являются второй моделью объекта. Этот контур обратной связи, подключенный чере, фильтр 30 высоких частот, фаловрлщятель 32, сумматор )7, 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, соединенного своим входом с выходом объекта 34, представляют собой совместно с последовательным соединением звена 26 с ре1 улируемым коэффициентом передачи, интегратором 4, сумматором 19, множительным звеном 29 и блоком 33 задания начал»,ных условий внешнюю цепь автоматической подстройки коэффициента усиления двух моделей объекта к коэффициенту усиления объекта 34. l!оследовательное соединение исполнительного органа 35, объ" екта 34 и сумматора 10 является основным контуром стабилизации положения п»»лзмгнного шнура в токамаке.

Устройство работает следующим образом.

Уравнение движения объекта 34 плазменного шнура с учетом вакуумной камеры — можно представить в в»»де тх + x = K(t) CI(t) + u! (t)J, !) где х — смещение плазменного шнура относительно требуемого значения большого радиуса;

14!88 х — производная смещения плазменного шнура;

I — ток в катушке 37 управления

Т вЂ” постоянная времени объекта;

К вЂ” коэффициент усиления объекта, обратно пропорциональный току плазмы, у — аддитивное неконтролируемое возмущение.

Уравнение динамики второй модели объекта имеет вид:

Т + х = К(С)(r() + (СЛ, (2) л где ха

10 выходная величина второй 15 модели объекта (выход интегратора 5); — производная выходной величины второй модели объекта; оценка возмущения; 20 (выход интегратора 3), получаемая с помощью первой модели объекта и модели возмущения;

Т вЂ” оценочное значение посто2 янной времени объекта Т второй модели, задаваемое звеном 27 с регулируемым коэффициентом передачи; и

К(С) — коэффициент усиления вто- рой модели объекта (выход сумматора 19).

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

К= (х — х ), 0, 30

40 (3) бо

Если положить в (2) Т = Т; м = И то работу цепи подстройки можно объясл лг а нить так. Пусть К К, тогда х х

1 п2 х — х (О, В этом случае величина будет уменьшаться, так как согласно л л л1 1 (3) К О. Пусть К с К тогда х ах, Z л л х — х 0 и скорость ) 0; К возрастает. В обоих случаях величина К приближается к К: коэффициент усиления где К вЂ” производная коэффициента усиления второй модели объекта, (— общий коэффициент усиления 4S цепи подстройки. л Начальные условия К(0) задаются блоком 33 задания начальных условий, подключенного к входу сумматора 19. л т xõ -x =к(а) ТИ)-озН))+К,(x- ) (х х) л A р = К (х — х,) л где х

1 выходная величина первой модели объекта (выход интегратора 1), производная выходной величины первой модели объекта; вспомогательная переменная модели возмущения (выход интегратора 2); л х, 1

К 7 0 — коэффициенты усиления внут3 ренних контуров отрицательной обратной связи; и

Т„ — оценочное значение постоянной времени объекта Т первой модели, задаваемое звеном 22 с регулируемым коэф° фициентом передачи; и (d — производная оценки возмущения, п ,и — производная вспомогательной переменной модели возмущения.

Поскольку множительное звено 29 входит как во вторую, так и в первую модель объекта, то изменение и его входа К в соответствии с (3) и, непрерывное приближение К к величине коэффициента усиления объекта К обеспечивает более точную оценку и возмущения с) в (4) при Т, = Т, т. е. уменьшение величины I E I . При этом более точньм получается сигнал обратной связи Z, в котором используются выходные величины модели возмущения Й и gj; с к = — (+ — -"-), (5) К1 где К L Т вЂ” коэффициент передачи и постоянная времени катушки управления.

17

4 модели Отслежива pT коэффициент усl. ления объекта К.

Величина ошибки опенки «озмущени» г л> тем большем, чем больше отклонение К от К. Это следует из уравнений динамики объекта (1), первой модели объекта и модели возмущения:

1418817

Этл ошибк:1 1111 сиг погрешность при нлстройк:,3, коэфФициента усиления

A моделей К, ч-. О в некоторых случаях

b1()impò п1 плести к неустойчивости сов— мес-.ной рл," ты двух моделей, Этот

Hp IEî(1 тл ток позволяют ликвидировать фильтры 30 и 31 высоких частот следующим Обрл1ом.

В 3,vllêíóEI lx релейных автоколебательнь(х си(тем:IX стабилизации положения пл.1 «I pII HAE шнура ток лмлков характерное ремя IEçìåíåíèÿ неконтролируемы:« нс.пичин . . . и К много больше

55

Уг,еличение точности формирон,(ния сигнала: 11(>Hblvl1 p T точность к(1миеHcñl ции возмущения в соответствии с (5) в Особенности нл стадии ввода тока пллзмы, когда K(t) н (1) изменяется значительно.

Поясним теперь, каким образом полу чается разность квлдратон х — х в г л г г цепи подстройки, л также назначение 10 фильтров верхних частот и фазоврлщателя.

Разность кнлдрлтон í (3) создлется суммлторлми 17 и 18 и множительным звеном 28. Пл выходе сумматора 17 име-15 ется разность х — x 7, нл выходе суми маторл 1Я вЂ” сумма х + х, нл выходе множительного звена — величина, пропорциональная произведению (х+ х,> п

«(х — х ), т. е. рлзности квлдрлтон 20 г г п х — х г. При этом р;I 1ность х — х г до г полнительно усилпнлется звеном 25 с регулируемым коэффициентом передачи.

Если же непосредственно возводить в квадр:1т лпллогоными множитель1н1ми 25 п звеньями сиг(палы х и хг для получения г разности х — X q, то при малом pac(-olласовлнии между этими сигналами полу"

7 пг чить знлк х — хг практически неноз— г модно и 1 э г! нсл11неЙ НО сти множит ел1> 30 ных звеньев. Кроме того, существенную погрешность при малых рассогллсоBRHHRx вносит и дрейф нуля множительных энен1,ен, (1пред .ление же рлзности и кнадрл1(н x — (g c HcIEoJEE зона нием 35 произнедe!(11я р (зно ..ти х — .". 1 и сум и

Mb1 х + xn свободно от этих недос. лтков, тлк к (к 1(лжи(яй1 из сомножителей можно преднлри-.ельно усилить до необходимого ур(ння и повысить точность 40 л г получения р,1 (1 Ости х — х

Ошибка iIIIP I I и возмущения Е,„= л

=1л(-(: 1(рисутстпует н выходном сигнлле второй мод".:I«, что следует из (2) и л 45 х.,=- К(I + () ) - К(-E. ) . где I, осциллирующие части тока, смещения и оценки смещения второй модели, х, х хг — медленно меняющиеся состанляющие тока, смещения и оценки смещения.

Подставляя(6) в (1), (2) и применяя разделение движений, получим уравнения для быстрых и медленных состав- . ляющих: п и л

ТЯ + х = KI Тгхг + X .г = KI и где х и х — произнодные осциллируюZ щих частей оценки смещения второй модели и самого смещения, h х = K(I + 1,1), х — — K(I + b) На выходе фильтров 30 и 31 выде;(яются осциллирующие величины соответственно х и хг, которые, как вид" но из (7), определяются только переменной составляющей тока I, одинаковой для объекта (1)и второй модели (2), параметрами объекта Т, К и мол и дели Т., К и не зависят от (1, Ы и FLd °

Фазовращлтель 32 в канале х, а также масштабный усилитель 9 в канал ле х т цепи настройки необходимы,цля устранения погре1аностей неидентичности фильтров 30 и 31 верхних часI тот данных каналов, Автоматическая подстройка коэффициента К модели к изменяющемуся в те( чение разряда коэффициенту К объекта позволяет более точно оценивать изменяющуюся величину возмущения

Увеличение точности подстройки величины iu, использующейся при формировании сигнала обратной связи (5), пери(1дл лвтоколеблний. Поэтому фильтрлми 30 и 31 верхних частот можно подавить низкочастотные составляющие в выходных сигналах объекта х и и второй модели хг, вызванные изменениями возмущения ((. Частота среза фильтров выбирается меньше частоты автоколебаний релейной системы стабилизлции, Но больше характерных частот изменения ((. При этом ток управления и смещения плазменного шнура можно представить в виде

I — I + Т Х вЂ” Х + Х1 Х вЂ” лг+ Хг (6) I iiH

lIpHH< цит к ув е Ill < < пп< 1 > < н е ти cTа билиэации пол<1женпя пла iл<ь<. Эт

Фоомула изобретения

Устройство для стабилизации положения плазменнага шнура в токамаке, содержащее исполнительный орган, выход которого подключен к входу объекта управления и входу датчика тока, первый сумматор, выход которого соединен с входом исполнительного органа, а первый инвертирующий вход— с выходом объекта управления и с инвертируюшим 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 регулируемым коэффициентом передачи соединен с вторым неинвертирующим входом третьего сумматора, выход датчика тока подключен к неинвертирующему входу пятого сумматора, выход коI торого 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 седь(мого сумматороров, выход седьмого сумматора через четвертое зве10

50 на е р гулпру< M< "< к< эффпцнеH1 <и передачи «единея с вт< рым инв< ртп<ру« щим входом первого сумматора, < т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности стабилизации положения плазменного шнура, в него введены последовательно соединенные первый фильтр верхних частот и фаэавращатель, последовательно соединеH ные второй фильтр верхних частот и третий масштабный усилитель, восьмой, девятый и десятый сумматоры, пятое звеное с регулируемым коэффициент< м передачи, последова тельна соединенные первое множительное звено, mec тое звено с регулируемым коэффициентам передачи и четвертый интегратор, блок задания начальных условий, второе множительное звена и последовательно соединенные одиннадцатый сумматор, седьмое звено с регулируемым коэффициентом передачи и пятый интегратор, причем вход первого фильтра верхних частот подключен к выходу объекта управления, выход фаэовращателя соединен с неинвертирующим входом восьмого и первым неинвертирующим входом девятого сумматоров, выход третьего масштабного усилителяс инвертирующим входом восьмого и вто. рым неинвертирующим входом девятого сумматоров, выход восьмого сумматора через пятое звено с регулируемым коэффициентом передачи соединен с первым входом первого множительноro sвена, второй вход которого подключен к выходу девятого сумматора, выходы блока задания начальных условий и четвертого интегратора падключень| к соответствующим неинвертирующим входам десятого сумматора, выход которого подключен к первому входу второго множительного звена, второй вход вт poro 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 неинвертируюшим входом одиннадцатого сумматора и входом второго фильтра верхних частот.

1418817

Составитель А. Ястребсв

Техред И.Ререс

Корректор Л. Патай

Редактор Г. Гербер

Заказ 416!/51

Тираж 395

ВНИИЛИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий .

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полигр;фическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4