基于等离子体刚性模型及H∞鲁棒控制的EAST位形解耦控制研究

Accurate plasma shape control is the basis of tokamak plasma experiments andphysical research. Based on rigid plasma model and H∞ control theory, A multi-input multi-output H∞ controller will be designed for EAST shape control, and comparisons of shape control results will be made between H∞ controller and PID controller. The more accurate and control-oriented physical model will be built for plasma shape controller design. The decoupling and high control precision of all the control variables will be achieved through the H∞ controller. The response rate, overshoot and robustness of shape control system will also be improved.

精确的等离子体位形控制是进行托卡马克高水平等离子体物理研究的基础和保障。本项目依托EAST放电实验，基于等离子体刚性模型和H∞控制理论，设计EAST完全解耦的多输入多输出（MIMO）H∞控制器，并通过实验与EAST现有的PID控制器进行对比验证。项目最终通过H∞控制器实现等离子体位形各控制变量间的解耦控制，提高EAST位形控制精度，最大化EAST控制系统的鲁棒性，提高控制器的控制响应速度，减小控制超调量。

精确的等离子体位形控制是进行托卡马克高水平等离子体物理研究的基础和保障。EAST装置等离子体位形控制采用PID控制器加M矩阵（解耦矩阵）的等磁通控制算法，此方法形控制变量之间并非完全解耦，且未考虑系统的鲁棒性能。为实现位形控制的完全解耦，同时兼顾系统的鲁棒性能，本项目基于刚性等离子体模型和H∞控制理论，设计了EAST装置完全解耦、鲁棒性最优的多输入多输出（MIMO） 等离子体位形控制器。.物理建模方面，首先基于Toksys代码，分别构建了EAST装置导体结构（主动控制线圈、真空室、被动板）和等离子体的线性刚性响应（RZIp）模型。其次，构建模拟了等离子体位形各控制变量（等离子体电流Ip，等离子体电流重心位置坐标，位形边界磁面控制点磁通值，X点的磁通值、X点位置坐标）与极向场线圈电流的响应模型。.控制算法方面，使用MATLAB/Simulink，基于H_∞控制理论，设计了基于RZIP刚性线性模型的EAST装置的完全解耦、鲁棒性能最优的H_∞控制算法。由于EAST极向场电源有限的供电能力往往限制等离子体位形控制效果，为模拟其对控制结果影响，构建了包含电源输出响应延迟、最大电压输出限制条件的极向场电源模型。为使得控制器达到更好的控制性能，基于回路整形理论，通过大量数值模拟，得到了满足EAST位形控制指标的前置(W1)与后置补偿器(W2)具体形式及参数，实现了控制器的回路整形。基于以上，数值模拟结果显示，控制器可以实现等离子体位形各控制变量间的完全解耦控制，可实现快速的系统响应和追踪特性，控制超调量完全消除，整个系统的鲁棒性能得到最优。甚至在部分极向场电源电压饱和的情况下，仍能保证良好的解耦和控制追踪响应。项目最终设计了EAST装置更精确的等离子体位形控制算法。