论文部分内容阅读
核聚变是通过将等离子体加热到一定温度来克服离子间的静电斥力,发生聚变反应,产生核能。离子回旋共振加热是聚变装置中常用来加热等离子体的辅助加热方式。在加热等离子体过程中,高频发射机经由传输线将功率馈入到天线系统,进而加热等离子体。当传输线特性阻抗与天线的输入阻抗相等时,传输效率最大,加热效率最高。加热过程中,等离子体参数快速变化,天线的输入阻抗也同样快速改变,如果线路阻抗不能跟随改变,加热效率将严重下降。因此等离子体的加热效率与离子回旋共振加热(Ion cyclotron resonance heating,ICRH)装置的阻抗匹配息息相关。本文利用仿真软件模拟了H1仿星器的ICRH装置的阻抗匹配系统。主要内容如下:首先利用有限元分析软件comsol搭建了H1仿星器的ICRH装置中的天线仿真模型,得到天线的输入阻抗,分析了天线的电磁场分布情况,研究了天线不同的几何参数对天线输入阻抗的影响。然后在comsol软件中建立了ICRH天线与等离子体耦合的仿真模型,通过仿真分析,研究了等离子体电子密度随时间变化的情况,得出了天线输入阻抗随电子密度的变化规律。针对步进电机控制真空可调电容器螺杆转动,调节电容容量,实现阻抗匹配的方法,研究了步进电机的电流转速的双闭环反馈控制,设计了步进电机的模糊PID控制螺杆,利用MATLAB中simulink模块分别对步进电机的PID控制和模糊PID控制搭建仿真模型,对比了模糊PID控制和传统PID控制对可调电容控制的影响。仿真结果表明:(1)等离子体加热过程中,等离子体电子密度在短时间内急剧变化,同样时间尺度内,引起了天线输入阻抗的急剧降低,高达两个数量级,与传输线阻抗严重不匹配,这将会导致高频发射机发射的功率不能有效地馈入到负载端,导致加热效率降低。(2)实现阻抗匹配的可调电容作为一个高度非线性控制对象,变化频率高且速度快,仿真结果表明模糊PID控制的转速比PID控制的转速平稳很多,系统扰动较小。即使当步进电机控制的可调电容突变时,模糊PID控制的表现也优于PID控制。模糊PID控制步进电机的应用很好的解决了步进电机控制的失步问题,从而提高ICRH的加热效率,这将有助于仿星器ICRH装置系统的稳定工作。