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基于多线程并行计算 的 HT-7 极向场反馈控制系统

基于多线程并行计算 的 HT-7 极向场反馈控制系统. 报告人： 刘有高 导 师： 王华忠. 目 录. 课题提出 工作进展 测试结果 工作计划. 课题提出. HT-7 超导托卡马克是我国在核聚变研究领域的重要装置，而极向场控制系统是其中关键的控制子系统。主要完成装置实验期间，对等离子体电流、水平位移和垂直位移的实时控制。 原有的控制下位机采用 VxWorks 实时操作系统， HT-7 上原来的四个鞍形线圈的位移测量方法无法排除环效应影响，因此实际控制的不是等离子体最外层磁面的位置，为等离子体位置的预设和控制带来不确定性。 原有的极向场控制系统结构.

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基于多线程并行计算 的 HT-7 极向场反馈控制系统

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  1. 基于多线程并行计算的HT-7极向场反馈控制系统基于多线程并行计算的HT-7极向场反馈控制系统 报告人： 刘有高 导 师： 王华忠

  2. 目 录 • 课题提出 • 工作进展 • 测试结果 • 工作计划

  3. 课题提出 • HT-7超导托卡马克是我国在核聚变研究领域的重要装置，而极向场控制系统是其中关键的控制子系统。主要完成装置实验期间，对等离子体电流、水平位移和垂直位移的实时控制。 • 原有的控制下位机采用VxWorks实时操作系统， HT-7 上原来的四个鞍形线圈的位移测量方法无法排除环效应影响，因此实际控制的不是等离子体最外层磁面的位置，为等离子体位置的预设和控制带来不确定性。 原有的极向场控制系统结构

  4. 实时平衡反演程序是根据采集的电磁诊断数据，在毫秒级时间内计算得到准确的等离子体位置信号，完全满足实时控制对反馈量的要求。实时平衡反演程序是根据采集的电磁诊断数据，在毫秒级时间内计算得到准确的等离子体位置信号，完全满足实时控制对反馈量的要求。 • 在08年春季实验中，增加了用于平衡反演计算的工控机，实现等离子体诊断数据的实时采集和EFIT程序实时反演等离子体位形的任务，完成初步测试。 增加平衡反演算法的系统

  5. 在新的极向场控制系统下位机上添加平衡反演的算法后，增加了实时性实现、多任务调度以及同步数据通信的困难，这些都需要通过多任务并行计算来完成系统实时控制的要求。在新的极向场控制系统下位机上添加平衡反演的算法后，增加了实时性实现、多任务调度以及同步数据通信的困难，这些都需要通过多任务并行计算来完成系统实时控制的要求。 • Linux操作系统具有良好的稳定性和任务调度特性，基于目前大规模应用的多核处理器并行系统, 可以实现线程灵活调度，表现出良好的实时性能。 新的极向场控制系统

  6. 工作进展 • 利用线程并行计算方便数据通信和同步的特点，将下位机中平衡反演任务和实时控制任务分配到两个线程中，并通过亲和性设置将这两个线程分别绑定在CPU1和CPU2上，通过全局变量相互通信实时信号，实现两个线程的并行计算。 下位机线程结构

  7. 实时控制线程 完成数据采集、快循环计算与控制算法计算输出任务，在每个控制周期完成电磁诊断数据采集，快循环得到等离子体RZ位置信号，再由反馈控制算法得到控制输出； 其中采集卡采样率设置为1KHz，利用板上锁存计数器实现1ms的精确定时，达到ms级精度的控制达到ms级精度的控制输出； 同时为防止其它线程的干扰，通过设置硬CPU亲和性，将该线程绑定到CPU1上。

  8. 平衡反演线程 运行平衡反演程序中的慢循环，绑定在CPU2上； 慢循环是得到一个收敛较好的平衡解，更新快循环中的初始磁通分布，从而使得快循环的每次计算都是基于前某一时刻的平衡解基础上的一次叠代结果； 在最多的五次迭代10ms时间内，完成初始磁通分布的更新，每次迭代运算的诊断数据由实时控制线程获得，通过全局变量进行数据交换。

  9. 主要完成工作 • 1 完成VxWorks控制程序到Linux的移植，包括头文件或库文件的替换，源文件的修改，C/C++的混编； • 2 整合极向场控制程序与平衡反演程序，调整放电期间时序控制与网络通信程序； • 3 设计基于多核处理器的双线程并行计算程序，实现ms级实时控制与反馈值的快速准确计算； • 4 采用make的编译命令，通过执行makefile文件中源程序的相互关系自动完成编译工作，编写makefile文件，组织源文件的编译关系； • 5 采用同步高速CPCI采集卡DTACQ，高速、实时、高精度、同步的完成了等离子诊断数据的采集任务。

  10. 测试结果 实时控制线程控制输出时间点： The PF control time is 1132827- 1131824= 1003 us The PF control time is 1133824- 1132827= 997 us The PF control time is 1134826- 1133824= 1002 us The PF control time is 1135825- 1134826= 999 us The PF control time is 1136826- 1135825= 1001 us The PF control time is 1137827- 1136826= 1001 us

  11. 快慢线程并行化计算结果 在最坏的情况下，慢循环迭代五次由原来的11ms左右减少到现在10ms以内； 增加程序的稳定性，反演的准确性以及修改程序的灵活性。

  12. 采集卡同步性和延迟测试 ADC同步性 DAC同步性 ADC+DAC延时

  13. 下一步工作计划 • 已完成控制下位机的采购和测试，正在采购DTACQ采集卡以及PCI-PXI桥接卡； • 完善控制算法，与实验结果对比； • 下轮HT-7实验应用，完善程序；

  14. 参考文献（部分） • 1 王华忠 博士学位论文 《EAST非圆位行控制系统设计》 • 2 黄世钊 博士学位论文 《基于Compact PCI总线的多变量控制系统设计与实现》 • 3 夏海燕 硕士学位论文 《HT-7极向场控制系统的设计与实现》 • 4 王枫 硕士学位论文 《基于VxWorks的HT-7极向场控制系统》 • 5 姚广平 ，核聚变与等离子体物理，第18卷 第1期、HT -7装置极向场控制系统 • 6 王枫，计算机工程，第 29卷第16期，实时操作系统VxWorks在HT- 7极向场控制系统中的应用 • 7 HT-7装置极向场控制系统；夏海燕、罗家融；核聚变与等离子物理；第18卷第一期 1998.3 • 8 操作系统；宗大华编著；—第二版；—北京：人民邮电出版社，2006.5 • 9 Linux下的C编程；贾明、严世贤编著；北京：人民邮电出版社.2001 • 10 LUO Jia-rong Plasma Science &Technology, Vol.2,No.1(2000), Feedback Control Systems on HT-7 Tokamak

  15. 发表文章 • HT-7托克马克上实时EFIT程序的数据采集实现，计算机测量与控制，已录用 • Linux下多线程并行处理在HT-7极向场控制系统的应用，投稿中

  16. 谢 谢！

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