| Оглавление | 3
|
| Введение | 11
|
| 1. Проблема управляемого термоядерного синтеза | 11
|
| 2. Плазма в токамаках | 13
|
| Литература | 20
|
| Глава 1. Токамаки | 23
|
| 1.1. Эволюция токамаков | 23
|
| 1.2. Принцип действия токамаков | 26
|
| 1.3. Классификация современных токамаков по полоидальным системам | 28
|
| 1.4. Токамаки в Российской Федерации | 30
|
| 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 ITER | 44
|
| 1.5.2. Варианты проекта и сценарий работы ITER | 46
|
| 1.6. DEMO (DEMOnstration Power Plant) — Демонстрационная термоядерная электростанция | 50
|
| 1.6.1. Дорожные карты разработки и создания DEMO | 50
|
| 1.6.2. Конструкции и полоидальные системы DEMO | 52
|
| Выводы | 56
|
| Литература | 57
|
| Глава 2. Компоненты систем управления плазмой | 61
|
| 2.1. Диагностика плазмы в токамаках | 61
|
| 2.2. Модели плазмы | 64
|
| 2.2.1. Уравнения эволюционных моделей плазмы | 64
|
| 2.2.2. Плазмофизические коды нелинейных эволюционных моделей плазмы | 66
|
| 2.2.3. Линеаризация нелинейных моделей плазмы | 67
|
| 2.2.4. Восстановление равновесия плазмы по внешним магнитным измерениям | 69
|
| 2.3. Дополнительный нагрев плазмы в токамаках | 73
|
| 2.4. Неустойчивости и срывы | 74
|
| 2.5. Исполнительные устройства систем магнитного управления плазмой и их модели | 79
|
| 2.6. Инвертор тока как исполнительное устройство систем управления положением плазмы | 81
|
| 2.6.1. Режим работы инвертора тока | 83
|
| 2.6.2. Алгоритм управления инвертором тока | 86
|
| 2.6.3. Организация начальной стадии работы исполнительного устройства | 95
|
| 2.6.4. Элементы защиты инвертора тока | 98
|
| 2.6.5. Экспериментальное исследование исполнительного устройства | 102
|
| 2.7. Инвертор напряжения | 106
|
| 2.8. Управляемый многофазный выпрямитель | 111
|
| 2.8.1. Полная модель выпрямителя | 111
|
| 2.8.2. Аппроксимирующая модель выпрямителя | 112
|
| Выводы | 113
|
| Литература | 114
|
| Глава 3. Магнитное управление плазмой | 119
|
| 3.1. Современные системы управления положением плазмы | 119
|
| 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 плазмы | 128
|
| 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 модами | 152
|
| 3.4. Реализация систем управления плазмой | 158
|
| 3.4.1. Стенды реального времени для токамаков | 158
|
| 3.4.2. Программная реализация системы управления формой плазмы в JET | 160
|
| 3.4.3. Система управления плазмой токамака ASDEX Upgrade | 161
|
| 3.4.4. Система управления токамака TCV | 163
|
| 3.5. Современное состояние проблемы | 165
|
| Выводы | 166
|
| Литература | 168
|
| Глава 4. Системы магнитного управления скоростью и положением плазмы | 175
|
| 4.1. Адаптивная система управления горизонтальным положением плазмы в токамаке Туман-3 | 175
|
| 4.1.1. Структурная схема системы | 175
|
| 4.1.2. Модель тиристорного преобразователя | 179
|
| 4.1.3. Алгоритм управления | 182
|
| 4.1.4. Адаптивный идентификатор состояния | 188
|
| 4.1.5. Компенсация средней составляющей смещения плазмы | 197
|
| 4.1.6. Экспериментальное исследование системы | 199
|
| 4.2. Система стабилизации горизонтального положения плазмы токамака Т-11М | 201
|
| 4.2.1. Структурная схема системы стабилизации | 201
|
| 4.2.2. Периодические решения в системе | 203
|
| 4.2.3. Устойчивость системы стабилизации | 214
|
| 4.2.4. Выбор параметров ПД-регулятора | 229
|
| 4.2.5. Формирование сигнала рассогласования системы | 230
|
| 4.2.6. Экспериментальное исследование системы стабилизации | 234
|
| 4.3. Система стабилизации вертикального положения плазмы токамака Глобус-М | 235
|
| 4.3.1. Структурная схема системы стабилизации | 235
|
| 4.3.2. Периодические решения в системе | 238
|
| 4.3.3. Устойчивость системы стабилизации | 242
|
| 4.3.4. Предельное значение инкремента неустойчивости плазмы | 248
|
| 4.3.5. Выбор параметров ПД-регулятора | 252
|
| 4.3.6. Формирование сигнала рассогласования системы | 257
|
| 4.3.7. Экспериментальное исследование системы стабилизации | 261
|
| 4.4. Система стабилизации вертикального положения плазмы Т-11М | 263
|
| 4.5. Скалярный контур управления вертикальной скоростью плазмы в ITER-2 | 268
|
| 4.5.1. Идентификация нестационарной модели скорости вертикального движения плазмы в токамаке | 268
|
| 4.5.2. Стабилизация вертикальной скорости плазмы пропорциональным регулятором | 273
|
| 4.6. Исследование области управляемости по вертикали в ITER-2 | 277
|
| 4.7. Системы стабилизации вертикального положения плазмы в токамаке Т-15МД для различных вариантов расположения обмотки управления | 286
|
| 4.7.1. Объект управления | 286
|
| 4.7.2. Постановка задачи управления | 290
|
| 4.7.3. Максимальная управляемая величина вертикального смещения плазмы | 291
|
| 4.7.4. Линейные системы стабилизации вертикального положения плазмы | 295
|
| 4.7.5. Система стабилизации вертикального положения плазмы в токамаке с импульсными исполнительными устройствами | 308
|
| 4.8. Система стабилизации скорости вертикального положения плазмы в токамаке ITER с неопределенностью в переменных параметрах объекта | 320
|
| 4.8.1. Динамическая модель нестационарного объекта управления | 320
|
| 4.8.2. Синтез нестационарного регулятора скорости плазмы | 323
|
| 4.8.3. Численное моделирование замкнутой системы управления скоростью плазмы | 326
|
| 4.8.4. Разрешение параметрической неопределенности в модели скорости плазмы | 329
|
| 4.8.5. Точность интерполяции и управления | 333
|
| Выводы | 334
|
| Литература | 338
|
| Глава 5. Многомерные каскадные системы магнитного управления положением, током и формой плазмы в токамаках ITER, Глобус-М и Т15-МД | 344
|
| 5.1. Управление формой плазмы в ITER-1 | 344
|
| 5.2. Синтез H∞-системы управления на основе структурной схемы отражения внешнего возмущения в ITER-2 | 348
|
| 5.3. Система с прогнозирующей моделью для управления формой и током плазмы в ITER-2 | 352
|
| 5.3.1. Постановка задачи | 352
|
| 5.3.2. Управление с прогнозирующей моделью в обратной связи | 355
|
| 5.3.3. Прогнозирование выхода объекта управления | 359
|
| 5.3.4. Оптимальное управление в отсутствии ограничений | 361
|
| 5.3.5. Учет ограничений на управляющие воздействия | 363
|
| 5.3.6. Моделирование системы управления формой и током плазмы на коде DINA при действии возмущений типа малого срыва | 364
|
| 5.4. Каскадная система слежения за током и формой плазмы в ITER-2 с развязкой каналов управления на стадии ввода плазменного тока | 371
|
| 5.4.1. Постановка задачи | 371
|
| 5.4.2. Синтез внутреннего многомерного контура управления токами в обмотках полоидального магнитного поля | 374
|
| 5.4.3. Синтез внешнего каскада управления током и формой плазмы с многомерным ПИ-регулятором с двойным интегрированием | 382
|
| 5.4.4. Моделирование каскадной системы управления с развязкой каналов на коде DINA на стадии ввода тока плазмы | 385
|
| 5.4.5. Управление током и формой плазмы при наличии ограничений на токи в управляющих обмотках | 398
|
| 5.5. Иерархические робастные системы магнитного управления положением, формой и током плазмы с адаптацией вертикального положения магнитной оси в токамаках ITER-2 и Глобус-М | 411
|
| 5.5.1. Постановки задач управления плазмой в токамаках | 411
|
| 5.5.2. Динамические модели плазмы в токамаках | 416
|
| 5.5.3. Иерархические робастные системы управления с адаптацией | 419
|
| 5.5.4. Система магнитного управления плазмой для ITER-2 | 423
|
| 5.5.5. Система магнитного управления плазмой для Глобус-М | 432
|
| 5.6. Многомерная система каскадного управления формой и током плазмы в ITER-2 с развязкой каналов и H∞-регулятором | 441
|
| 5.6.1. Модель объекта управления — плазмы в ITER-2 | 441
|
| 5.6.2. Линейная модель объекта и ее редукция | 445
|
| 5.6.3. Постановка задачи магнитного управления плазмой в ITER-2 | 446
|
| 5.6.4. Каскадная структура системы управления с развязкой каналов | 447
|
| 5.6.5. Внешний каскад управления со встроенным многомерным H∞-регулятором | 450
|
| 5.6.6. Моделирование системы управления плазмой на нелинейной модели DINA | 455
|
| 5.7. Системы управления положением, формой и током плазмы в токамаке Т-15МД | 464
|
| 5.7.1. Объект управления | 464
|
| 5.7.2. Линейная модель плазмы в токамаке Т15-МД | 465
|
| 5.7.3. Постановка задачи | 468
|
| 5.7.4. Двухкаскадная система | 468
|
| 5.7.5. Система управления по оценке вектора состояния | 473
|
| Выводы | 480
|
| Литература | 482
|
| Глава 6. Экспериментальная поддержка, моделирование и реализация систем управления плазмой в ITER-2 | 489
|
| 6.1. Экспериментальная отработка сценариев для ITER-2 | 489
|
| 6.2. Подходы в моделировании и реализации систем управления плазмой в ITER-2 | 492
|
| 6.2.1. Алгоритм разработки систем управления плазмой | 492
|
| 6.2.2. Программно-вычислительная платформа | 493
|
| 6.2.3. Стенд реального времени | 495
|
| 6.2.4. Информационно-управляющая система ITER-2 | 497
|
| 6.3. Подготовка системы управления плазмой в ITER-2 к пуску и эксплуатации | 502
|
| Выводы | 509
|
| Литература | 510
|
| Заключение | 514
|
Митришкин Юрий Владимирович 
Карцев Николай Михайлович 
Кузнецов Евгений Александрович 
Коростелев Александр Яковлевич