本發(fā)明屬于等離子體加熱領(lǐng)域，涉及一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高功率微波是磁約束聚變等離子體研究中一種重要的電流驅(qū)動(dòng)和加熱手段，高功率微波加熱系統(tǒng)通常采用高功率微波天線鏡子控制微波的入射角度。為了使高功率微波天線鏡子具有實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，需要采用實(shí)時(shí)主控制器對(duì)入射角度進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，并發(fā)送入射角度指令到伺服電機(jī)來(lái)控制天線鏡子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)時(shí)波軌跡程序是實(shí)時(shí)主控制器的核心，其需要完成不同角度的波束的實(shí)時(shí)的波軌跡的計(jì)算，并得到不同角度的波束在等離子體內(nèi)部的歸一化沉積位置。

早期控制高功率微波天線鏡子的轉(zhuǎn)動(dòng)主要通過(guò)離線手動(dòng)的方式使用上位機(jī)連接plc直接控制電機(jī)的啟停使天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度，這樣只能在實(shí)驗(yàn)間歇期間對(duì)天線鏡子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，而無(wú)法在實(shí)驗(yàn)期間根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求對(duì)天線鏡子進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。在磁約束聚變實(shí)驗(yàn)期間，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，經(jīng)常需要在等離子體放電過(guò)程實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)天線鏡子的角度，實(shí)現(xiàn)高功率微波在等離子體內(nèi)的不同位置不同時(shí)刻進(jìn)行沉積，并且根據(jù)診斷的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)反饋控制天線鏡子的轉(zhuǎn)動(dòng)。并且由于等離子體放電時(shí)間很短，對(duì)于高功率微波沉積在等離子體內(nèi)部的位置精度要求高，這就需要開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)反饋控制的天線鏡子的控制系統(tǒng)，在運(yùn) 算時(shí)間、反應(yīng)速度、控制精度、遠(yuǎn)程通信、穩(wěn)定性等方面都達(dá)到上述實(shí)驗(yàn)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要提供一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)高功率微波天線鏡子的遠(yuǎn)程反饋控制，運(yùn)行精度不高和反應(yīng)速度不快的問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)包括：

反射內(nèi)存卡，用于中控與實(shí)時(shí)主控制器之間的實(shí)時(shí)光纖信號(hào)傳輸；

實(shí)時(shí)主控制器，用于接收中控指令，完成天線鏡子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的計(jì)算以及發(fā)送實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)和電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)到plc模塊；

以太網(wǎng)交換機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主控制器通過(guò)modbustcp/ip協(xié)議發(fā)送天線鏡子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸；

plc模塊，用于設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的參數(shù)，并根據(jù)接收到的天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)，對(duì)伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)命令；

電機(jī)伺服器，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制；

伺服電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)天線鏡子的轉(zhuǎn)動(dòng)；

所述反射內(nèi)存卡、實(shí)時(shí)主控制器、以太網(wǎng)交換機(jī)、plc模塊、電機(jī)伺服器和伺服電機(jī)，依次串聯(lián)連通，所述實(shí)時(shí)主控制器通過(guò)反射內(nèi)存卡接收中控?cái)?shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)波軌跡程序計(jì)算出天線鏡子所要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)、plc模塊、電機(jī)伺服器和伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)天線鏡子的遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步從中控發(fā)送的信號(hào)到反射內(nèi)存卡接收信號(hào)的通信時(shí)間在50微妙以 內(nèi)。

進(jìn)一步實(shí)時(shí)主控制器的實(shí)時(shí)控制方式為10ms級(jí)。

進(jìn)一步基于以太網(wǎng)交換機(jī)和mobdustcp/ip協(xié)議構(gòu)成的遠(yuǎn)程通信單元的傳輸時(shí)間在36毫秒以內(nèi)。

進(jìn)一步所述伺服電機(jī)絲軸移動(dòng)距離的控制精度為0.1mm，在高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)期間，對(duì)應(yīng)的天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為0.146°。

一種利用高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在磁約束聚變實(shí)驗(yàn)對(duì)經(jīng)典撕裂模的控制方法，包括以下步驟：

步驟一、mirnov探針陣列對(duì)經(jīng)典撕裂模磁島進(jìn)行探測(cè)；

步驟二、當(dāng)mirnov探針陣列探測(cè)到的經(jīng)典撕裂模磁島出現(xiàn)后，mirnov探針陣列診斷系統(tǒng)發(fā)送經(jīng)典撕裂模磁島信號(hào)給中控；

步驟三、中控接收到經(jīng)典撕裂模磁島信號(hào)后，中控計(jì)算該經(jīng)典撕裂模的磁島的歸一化位置；

步驟四、中控發(fā)送電子回旋管啟動(dòng)命令，同時(shí)通過(guò)反射內(nèi)存卡給實(shí)時(shí)主控制器發(fā)送等離子體基本參數(shù)和經(jīng)典撕裂模的磁島歸一化位置信號(hào)，實(shí)時(shí)主控制器計(jì)算出天線鏡子需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)，發(fā)送天線鏡子需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信號(hào)和伺服電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)給plc模塊，plc模塊將信號(hào)傳輸給電機(jī)伺服器控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高功率微波天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高功率微波天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)分為徑向轉(zhuǎn)動(dòng)和環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步所述等離子體基本參數(shù)為等離子體邊界極向磁通、磁軸處的極向磁通、托卡馬克大半徑位置、計(jì)算區(qū)域的大半徑尺寸、最小徑向位置、計(jì)算區(qū)域的垂直高度尺寸、計(jì)算區(qū)域中心點(diǎn)垂直高度、極向磁通格點(diǎn)、環(huán)向磁場(chǎng)格點(diǎn)。

進(jìn)一步實(shí)時(shí)主控制器通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)給plc模塊以50ms控制周期持續(xù)發(fā)送天線鏡子角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果是：

本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，通過(guò)反射內(nèi)存卡、實(shí)時(shí)主控制器器、以太網(wǎng)交換機(jī)和plc單元實(shí)現(xiàn)從中控信號(hào)到天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制，滿足在復(fù)雜惡劣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下遠(yuǎn)程控制的要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定，通信速度快，控制精度高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的正弦波形圖；

圖3為本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)典撕裂模實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋控制波形圖；

圖3a是電子回旋管發(fā)射功率隨時(shí)間的變化圖；

圖3b是經(jīng)典撕裂模幅度隨時(shí)間的變化圖；

圖3c伺服電機(jī)控制位置與反饋位置隨時(shí)間變化圖；

圖3d是高功率微波天線鏡子極向入射控制角度與極向入射反饋角度隨時(shí)間變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，包括：

反射內(nèi)存卡，用于中控與實(shí)時(shí)主控制器之間的實(shí)時(shí)光纖信號(hào)傳輸；從中控發(fā)送計(jì)算實(shí)時(shí)波軌跡所需的等離子體基本參數(shù)信號(hào)到反射內(nèi)存卡接收信號(hào)的通信時(shí)間在50微妙以內(nèi)；

實(shí)時(shí)主控制器，用于接收中控指令，完成天線鏡子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的計(jì)算以及發(fā)送實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)和電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)到plc模塊；實(shí)時(shí)主控制器的實(shí)時(shí)控制方式為10ms級(jí)；

以太網(wǎng)交換機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主控制器通過(guò)modbustcp/ip協(xié)議發(fā)送天線鏡子的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸；基于以太網(wǎng)交換機(jī)和mobdustcp/ip協(xié)議構(gòu)成的遠(yuǎn)程通信單元的傳輸時(shí)間在36毫秒以內(nèi)；

plc模塊，用于設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的參數(shù)，并根據(jù)接收到的天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)角度信號(hào)，對(duì)伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)命令；

電機(jī)伺服器，用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制；

電機(jī)，用于驅(qū)動(dòng)天線鏡子的轉(zhuǎn)動(dòng)。

所述反射內(nèi)存卡、實(shí)時(shí)主控制器、以太網(wǎng)交換機(jī)、plc模塊、電機(jī)伺服器和電機(jī)，依次串聯(lián)連通，所述實(shí)時(shí)主控制器通過(guò)反射內(nèi)存卡接收中控?cái)?shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)時(shí)波軌跡程序計(jì)算出天線鏡子所要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)、plc模塊、電機(jī)伺服器和電機(jī)實(shí)現(xiàn)天線鏡子的遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)動(dòng)。

在高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)期間，天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)的最小角度為0.146°，對(duì)應(yīng)電機(jī)絲軸移動(dòng)的距離為0.1mm。

在高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)期間，實(shí)時(shí)主控制器可以實(shí)時(shí)計(jì)算徑向和環(huán)向多個(gè)角度的波束在等離子體里的歸一化沉積位置。

在高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)期間，實(shí)時(shí)主控制器可以根據(jù)歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)定一個(gè)天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)的目標(biāo)角度，然后以這個(gè)角度為中心根據(jù)實(shí)驗(yàn)精度的要求計(jì)算20-40個(gè)角度所對(duì)應(yīng)的波束在等離子體歸一化沉積位置，每個(gè)角度的間隔步長(zhǎng)為0.146°。

本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)性能測(cè)試如圖2所示；

首先，將正弦控制信號(hào)(測(cè)試信號(hào))離散為128個(gè)點(diǎn)的正弦控制離散信號(hào)，該正弦離散信號(hào)對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)絲軸移動(dòng)距離以1.8mm為中心，下幅值為1.5mm，上幅值為2.1mm；

然后，實(shí)時(shí)主控制器以每隔36ms分別給plc模塊發(fā)送控制電機(jī)絲軸移動(dòng)距離的這128個(gè)正弦控制離散信號(hào)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)時(shí)讀取電機(jī)絲軸反饋的位置。

從圖2中可以看出，電機(jī)絲軸反饋的位置信號(hào)基本上都能很好的跟蹤實(shí)時(shí)主控制器發(fā)出的控制位置信號(hào)，這說(shuō)明本發(fā)明的高功率微波天線鏡子控制系統(tǒng)在控制電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)方面的性能滿足設(shè)計(jì)的要求。

本發(fā)明一種高功率微波天線鏡子實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在磁約束聚變實(shí)驗(yàn)中控制經(jīng)典撕裂模的具體應(yīng)用實(shí)例如圖3所示：

mirnov探針陣列探測(cè)到的經(jīng)典撕裂模磁島出現(xiàn)后，mirnov探針陣列診斷系統(tǒng)發(fā)送磁島信號(hào)給中控，中控會(huì)計(jì)算該經(jīng)典撕裂模的磁島的歸一化位置，同時(shí)中控發(fā)送電子回旋管啟動(dòng)命令，并通過(guò)反射內(nèi)存卡給實(shí)時(shí)主控制器發(fā)送等離子體基本參數(shù)和經(jīng)典撕裂模的磁島歸一化位置信號(hào)，實(shí)時(shí)主控制器計(jì)算出天線鏡子需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，實(shí)時(shí)主控制器發(fā)送天線鏡子需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度信號(hào)和伺服電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)給plc，plc將信號(hào)傳輸給電機(jī)伺服器，控制伺服電機(jī)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高功率微波天線鏡子轉(zhuǎn)動(dòng)；天線鏡子的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍分為徑向轉(zhuǎn)動(dòng)和環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)；

等離子體基本參數(shù)為等離子體邊界極向磁通、磁軸處的極向磁通、托卡馬克大半徑位置、計(jì)算區(qū)域的大半徑尺寸、最小徑向位置、計(jì)算區(qū)域的垂直高度尺寸、計(jì)算區(qū)域中心點(diǎn)垂直高度、極向磁通格點(diǎn)、環(huán)向磁場(chǎng)格點(diǎn)等。

圖3b中所示的是由mirnov探針陣列探測(cè)到的經(jīng)典撕裂模的幅度隨時(shí)間的變化圖；在時(shí)間290ms左右經(jīng)典撕裂模的幅度開(kāi)始出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)刻中控會(huì)接收到診斷系統(tǒng)發(fā)出的出現(xiàn)經(jīng)典撕裂模的信號(hào)，然后中控會(huì)計(jì)算該經(jīng)典撕裂模的磁島的歸一化位置，同時(shí)給電子回旋管發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，如圖3a所示，并通過(guò)反射內(nèi)存卡給高功率微波天線鏡子控制系統(tǒng)發(fā)送等離子體基本參數(shù)和經(jīng)典撕裂模的磁島的歸一化位置信號(hào)；在時(shí)間300ms左右，實(shí)時(shí)主控制器通過(guò)實(shí)時(shí)波軌跡程序計(jì)算出天線鏡子需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)給plc以50ms控制周期持續(xù)發(fā)送天線鏡子角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)。

從圖3c和圖3d中可以看出電機(jī)在350ms左右時(shí)接收到實(shí)時(shí)主控制器發(fā)出的角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)并開(kāi)始啟動(dòng)，在550ms左右到達(dá)指定角度，然后持續(xù)跟蹤角度轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)；在這個(gè)過(guò)程中，從圖3b中可以看出，電子回旋管產(chǎn)生的微波對(duì)經(jīng)典撕裂模進(jìn)行了有效的控制。