Обложка Митришкин Ю.В., Карцев Н.М., Кузнецов Е.А., Коростелев А.Я. Методы и системы магнитного управления плазмой в токамаках
Id: 272671
1399 руб. Новинка недели!

Методы и системы МАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЛАЗМОЙ В ТОКАМАКАХ
Методы и системы магнитного управления плазмой в токамаках

URSS. 2021. 528 с. ISBN 978-5-396-01016-1.
  • Твердый переплет

Аннотация

В монографии рассматриваются системы магнитного управления плазмой в токамаках, связанные с управлением вертикальной скоростью, положением, током и формой плазмы. Системы применяются к действующим в России токамакам Туман-3, Глобус-М (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт Петербург) и Т-11М (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», г. Троицк), а также к сооружаемым токамакам Т-15МД (НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва) и ITER (International Thermonuclear ...(Подробнее)Experimental Reactor, г. Кадараш, Франция). Для решения поставленных задач управления в качестве моделей плазмы применяется код DINA (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»), его линеаризованные и идентифицированные модели, а также модели, полученные по экспериментальным данным токамаков ТВД (НИЦ «Курчатовский институт»), Туман-3, Глобус-М и Т-11М. Для магнитного управления плазмой развиваются и применяются различные методы управления: H∞ теория оптимизации, приводящая к синтезу робастных систем управления, метод управления с прогнозирующей моделью, адаптация, развязка каналов управления и ПИД-регуляторы, каскадное и иерархическое управление. В начале монографии делается обзор систем магнитного управления плазмой, применяемых на ряде отечественных и зарубежных токамаках: Т-14, ТВД, Туман-3, Глобус-М (Россия), JET (Англия), ASDEX Upgrade (Германия), TCV (Швейцария), DIII-D (США), EAST (Китай).

Научный труд рассчитан на специалистов, которые занимаются проектированием и применением систем управления высокотемпературной плазмой в токамаках, а также специалистов, занимающиеся разработкой и применением систем управления любыми динамическими объектами, включая студентов и аспирантов, использующих в своей научной работе системы автоматического управления

Methods and systems of plasma speed, position, current, and shape control in tokamaks

In the monograph, plasma magnetic control systems in tokamaks are considered which are connected with plasma speed, position, current, and shape control. The systems are applied to operating tokamaks in Russia namely Tuman-3, Globus-M (Ioffe Institute, St. Petersburg) and T-11M (State Research Center of Russian Federation “Troitsk institute for innovation & fusion research”, Troitsk) as well as to constructed tokamaks: T-15MD (National Research Center “Kurchatov Intstitute”) and ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Cadarache, France). The plasma models are applied such as the code DINA (State Research Center of RF “Troitsk institute for innovation & fusion research”, Troitsk), its linearized and identified models as well as the models obtained on the base of experimental data of TVD (Kurchatov Institute), Tuman-3, Globus-M, and T-11M tokamaks for the solution of the stated problems of control. For plasma magnetic control, various methods of control are developed and applied: H∞ optimization theory that leads to the synthesis of robust control systems, model predictive control method, adaptation, decoupling of control channels and PID-controllers, cascade and hierarchical control. In the beginning of the monograph the survey of plasma magnetic control systems are given which are applied in national and foreign tokamaks: Т-14, TVD, Tuman-3, Globus-М (Russia), JET (UK), ASDEX Upgrade (Germany), TCV (Switzerland), DIII-D (US), EAST (China).


Содержание
Оглавление3
Введение11
1. Проблема управляемого термоядерного синтеза11
2. Плазма в токамаках13
Литература20
Глава 1. Токамаки23
1.1. Эволюция токамаков23
1.2. Принцип действия токамаков26
1.3. Классификация современных токамаков по полоидальным системам28
1.4. Токамаки в Российской Федерации30
1.4.1. Cферический токамак Глобус-М (ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН)30
1.4.2. Токамак Т-11М (АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ»)35
1.4.3. Токамак Т-15МД (НИЦ «Курчатовский институт»)39
1.5. ITER (г. Кадараш, Франция)44
1.5.1. Магнитная система управления плазмой в ITER44
1.5.2. Варианты проекта и сценарий работы ITER46
1.6. DEMO (DEMOnstration Power Plant) — Демонстрационная термоядерная электростанция50
1.6.1. Дорожные карты разработки и создания DEMO50
1.6.2. Конструкции и полоидальные системы DEMO52
Выводы56
Литература57
Глава 2. Компоненты систем управления плазмой61
2.1. Диагностика плазмы в токамаках61
2.2. Модели плазмы64
2.2.1. Уравнения эволюционных моделей плазмы64
2.2.2. Плазмофизические коды нелинейных эволюционных моделей плазмы66
2.2.3. Линеаризация нелинейных моделей плазмы67
2.2.4. Восстановление равновесия плазмы по внешним магнитным измерениям69
2.3. Дополнительный нагрев плазмы в токамаках73
2.4. Неустойчивости и срывы74
2.5. Исполнительные устройства систем магнитного управления плазмой и их модели79
2.6. Инвертор тока как исполнительное устройство систем управления положением плазмы81
2.6.1. Режим работы инвертора тока83
2.6.2. Алгоритм управления инвертором тока86
2.6.3. Организация начальной стадии работы исполнительного устройства95
2.6.4. Элементы защиты инвертора тока98
2.6.5. Экспериментальное исследование исполнительного устройства102
2.7. Инвертор напряжения106
2.8. Управляемый многофазный выпрямитель111
2.8.1. Полная модель выпрямителя111
2.8.2. Аппроксимирующая модель выпрямителя112
Выводы113
Литература114
Глава 3. Магнитное управление плазмой119
3.1. Современные системы управления положением плазмы119
3.1.1. Токамаки Т-14, Туман-3, ТВД (Россия)119
3.1.2. Токамак Глобус-М (Россия)120
3.1.3. Токамак JET (Англия)121
3.1.4. Токамак EAST (Китай)124
3.2. Современные системы управления положением, током и формой плазмы128
3.2.1. Токамак DIII-D (США)129
3.2.2. Токамак ASDEX Upgrade (Германия)132
3.2.3. Токамак JET (Англия)134
3.2.4. Токамак TCV (Швейцария)139
3.2.5. Токамак EAST (Китай)141
3.2.6. Токамак Глобус-М (Россия)145
3.2.7. Токамак T-15МД (Россия)151
3.3. Системы магнитного управления пристеночными резистивными модами152
3.4. Реализация систем управления плазмой158
3.4.1. Стенды реального времени для токамаков158
3.4.2. Программная реализация системы управления формой плазмы в JET160
3.4.3. Система управления плазмой токамака ASDEX Upgrade161
3.4.4. Система управления токамака TCV163
3.5. Современное состояние проблемы165
Выводы166
Литература168
Глава 4. Системы магнитного управления скоростью и положением плазмы175
4.1. Адаптивная система управления горизонтальным положением плазмы в токамаке Туман-3175
4.1.1. Структурная схема системы175
4.1.2. Модель тиристорного преобразователя179
4.1.3. Алгоритм управления182
4.1.4. Адаптивный идентификатор состояния188
4.1.5. Компенсация средней составляющей смещения плазмы197
4.1.6. Экспериментальное исследование системы199
4.2. Система стабилизации горизонтального положения плазмы токамака Т-11М201
4.2.1. Структурная схема системы стабилизации201
4.2.2. Периодические решения в системе203
4.2.3. Устойчивость системы стабилизации214
4.2.4. Выбор параметров ПД-регулятора229
4.2.5. Формирование сигнала рассогласования системы230
4.2.6. Экспериментальное исследование системы стабилизации234
4.3. Система стабилизации вертикального положения плазмы токамака Глобус-М235
4.3.1. Структурная схема системы стабилизации235
4.3.2. Периодические решения в системе238
4.3.3. Устойчивость системы стабилизации242
4.3.4. Предельное значение инкремента неустойчивости плазмы248
4.3.5. Выбор параметров ПД-регулятора252
4.3.6. Формирование сигнала рассогласования системы257
4.3.7. Экспериментальное исследование системы стабилизации261
4.4. Система стабилизации вертикального положения плазмы Т-11М263
4.5. Скалярный контур управления вертикальной скоростью плазмы в ITER-2268
4.5.1. Идентификация нестационарной модели скорости вертикального движения плазмы в токамаке268
4.5.2. Стабилизация вертикальной скорости плазмы пропорциональным регулятором273
4.6. Исследование области управляемости по вертикали в ITER-2277
4.7. Системы стабилизации вертикального положения плазмы в токамаке Т-15МД для различных вариантов расположения обмотки управления286
4.7.1. Объект управления286
4.7.2. Постановка задачи управления290
4.7.3. Максимальная управляемая величина вертикального смещения плазмы291
4.7.4. Линейные системы стабилизации вертикального положения плазмы295
4.7.5. Система стабилизации вертикального положения плазмы в токамаке с импульсными исполнительными устройствами308
4.8. Система стабилизации скорости вертикального положения плазмы в токамаке ITER с неопределенностью в переменных параметрах объекта320
4.8.1. Динамическая модель нестационарного объекта управления320
4.8.2. Синтез нестационарного регулятора скорости плазмы323
4.8.3. Численное моделирование замкнутой системы управления скоростью плазмы326
4.8.4. Разрешение параметрической неопределенности в модели скорости плазмы329
4.8.5. Точность интерполяции и управления333
Выводы334
Литература338
Глава 5. Многомерные каскадные системы магнитного управления положением, током и формой плазмы в токамаках ITER, Глобус-М и Т15-МД344
5.1. Управление формой плазмы в ITER-1344
5.2. Синтез H∞-системы управления на основе структурной схемы отражения внешнего возмущения в ITER-2348
5.3. Система с прогнозирующей моделью для управления формой и током плазмы в ITER-2352
5.3.1. Постановка задачи352
5.3.2. Управление с прогнозирующей моделью в обратной связи355
5.3.3. Прогнозирование выхода объекта управления359
5.3.4. Оптимальное управление в отсутствии ограничений361
5.3.5. Учет ограничений на управляющие воздействия363
5.3.6. Моделирование системы управления формой и током плазмы на коде DINA при действии возмущений типа малого срыва364
5.4. Каскадная система слежения за током и формой плазмы в ITER-2 с развязкой каналов управления на стадии ввода плазменного тока371
5.4.1. Постановка задачи371
5.4.2. Синтез внутреннего многомерного контура управления токами в обмотках полоидального магнитного поля374
5.4.3. Синтез внешнего каскада управления током и формой плазмы с многомерным ПИ-регулятором с двойным интегрированием382
5.4.4. Моделирование каскадной системы управления с развязкой каналов на коде DINA на стадии ввода тока плазмы385
5.4.5. Управление током и формой плазмы при наличии ограничений на токи в управляющих обмотках398
5.5. Иерархические робастные системы магнитного управления положением, формой и током плазмы с адаптацией вертикального положения магнитной оси в токамаках ITER-2 и Глобус-М411
5.5.1. Постановки задач управления плазмой в токамаках411
5.5.2. Динамические модели плазмы в токамаках416
5.5.3. Иерархические робастные системы управления с адаптацией419
5.5.4. Система магнитного управления плазмой для ITER-2423
5.5.5. Система магнитного управления плазмой для Глобус-М432
5.6. Многомерная система каскадного управления формой и током плазмы в ITER-2 с развязкой каналов и H∞-регулятором441
5.6.1. Модель объекта управления — плазмы в ITER-2441
5.6.2. Линейная модель объекта и ее редукция445
5.6.3. Постановка задачи магнитного управления плазмой в ITER-2446
5.6.4. Каскадная структура системы управления с развязкой каналов447
5.6.5. Внешний каскад управления со встроенным многомерным H∞-регулятором450
5.6.6. Моделирование системы управления плазмой на нелинейной модели DINA455
5.7. Системы управления положением, формой и током плазмы в токамаке Т-15МД464
5.7.1. Объект управления464
5.7.2. Линейная модель плазмы в токамаке Т15-МД465
5.7.3. Постановка задачи468
5.7.4. Двухкаскадная система468
5.7.5. Система управления по оценке вектора состояния473
Выводы480
Литература482
Глава 6. Экспериментальная поддержка, моделирование и реализация систем управления плазмой в ITER-2489
6.1. Экспериментальная отработка сценариев для ITER-2489
6.2. Подходы в моделировании и реализации систем управления плазмой в ITER-2492
6.2.1. Алгоритм разработки систем управления плазмой492
6.2.2. Программно-вычислительная платформа493
6.2.3. Стенд реального времени495
6.2.4. Информационно-управляющая система ITER-2497
6.3. Подготовка системы управления плазмой в ITER-2 к пуску и эксплуатации502
Выводы509
Литература510
Заключение514

Об авторах
Митришкин Юрий Владимирович
Профессор физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, главный научный сотрудник Института проблем управления имени В. А. Трапезникова РАН, доктор технических наук. Работал в Culham Centre for Fusion Energy (Великобритания), в Центральной Объединенной команде ITER (Япония), The University of Tokyo (Япония). Член The IEEE Control Systems Society (CSS), The IEEE CSS Technical Committee on Power Generation (США). Участник гранта Еврокомиссии NESTER (2008–2009). Участник выставки Президиума РАН (2010). Эксперт Еврокомиссии по рецензированию грантов (Бельгия, 2012). Член оргкомитета The IFAC Conference on Manufacturing Modelling, Management and Control (РФ, 2013), сопредседатель секции Identification for Control, IFAC WC, 2020 (Германия). Руководитель грантов РНФ и РФФИ, автор свыше 200 научных публикаций, из них 20 патентов. Основные научные интересы — управление плазмой в токамаках.
Карцев Николай Михайлович
Кандидат технических наук. Старший научный сотрудник Института проблем управления имени В. А. Трапезникова РАН. Участник грантов РНФ и РФФИ, автор 11 научных работ, индексируемых в Web of Science и Scopus. Область научных интересов — управление плазмой в токамаках.
Кузнецов Евгений Александрович
Кандидат технических наук. Заместитель начальника лаборатории отделения физики токамаков-реакторов АО «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований». Автор около 80 научных публикаций. Основные научные интересы — управление положением и током плазмы в токамаках.
Коростелев Александр Яковлевич
Кандидат технических наук, выпускник кафедры «Системы автоматического управления» МГТУ имени Н. Э. Баумана. Основным направлением научной деятельности является применение методов управления с прогнозирующей моделью к многомерным динамическим объектам. Автор ряда научных и технических публикаций.