توکامک مهمترین دستگاه برای رسیدن به شرایط همجوشی هسته ای است که در آن پلاسمای خالص بسیار گرم (حدود 100 میلیون درجه کلوین) و با ماندگاری زیاد برای رسیدن به واکنش گداخت لازم است. توکامک دستگاه چنبره ای محصورسازی پلاسما است که در آن از میدان های مغناطیسی برای محصورسازی و کنترل پلاسمای گرم استفاده می گردد. توکامک دماوند مجموعه پژوهشی در زمینه گداخت هسته ای است که در آن پلاسمایی با جریان بیشینه ka40 در مدت زمان ms21 تولید می شود. پلاسمای توکامک برای جابجایی عمودی ذاتا ناپایدار است که این ناپایداری، باعث برخورد آن با دیواره چنبره توکامک و از هم گسیختگی و اتلاف انرژی آن می شود. و باید سیستم کنترل با تولید میدانهای مغناطیسی متغیر، نیروهای مغناطیسی لازم جهت کنترل پلاسما را فراهم بیاورد. این شرایط، نیاز سیستم را برای داشتن یک سیستم کنترلی مطمئن و دقیق ضروری می نماید. در این پروژه، ضمن بررسی عملکرد سیستم کنترل مکان عمودی پلاسما در توکامک دماوند و همچنین بررسی نقاط ضعف و قوت آن، به ارائه پیشنهاداتی در جهت رفع نقصهای آن پرداخته و این پیشنهادات را در قالب بررسی های تئوری و عملی بررسی می کنیم. در بخش سخت افزاری، سیستم کنترل مکان عمودی پلاسما با درایورهای جدید و سیستم کنترل دیجیتالی در یک مدل سیمولاتوری پیاده سازی شده و نتایج تست های آن ارائه گردیده است. در بخش تئوری، به ارائه نحوه عملکرد الگوریتم ilc برروی سیستم برای بهینه سازی کنترلگر آن و پیشنهاد یک رویکرد جدید در کاربرد این الگوریتم می پردازیم. این رویکرد در بهینه سازی کنترلگر مدل سیمولاتوری شناسایی شده توکامک بکار برده شد. که نتایج آن در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد.

چکیده: از دیرباز آرزوی بشر دستیابی به منبعی از انرژی بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مدیدی از آن استفاده کند تولید پسماندهای خطرناک نیز در پی نداشته باشد. اکنون در هزاره سوم میلادی این آرزوی به ظاهر دست نیافتنی کم کم به واقعیت می پیوندد. اکنون بشر خود را آماده می کند تا با ساخت اولین راکتور هسته ای آرزوی نیاکان خود را تحقق بخشد. سوختی پاک و ارزان به نام هیدروژن با انرژی تولیدی فوق العاده زیاد و پسماندی بسیار پاک به نام هلیوم. سالهاست که دانشمندان واکنشی را که در خورشید و ستارگان رخ داده و در آن انرژی تولید می کند کشف کرده اند. این واکنش عبارتست از برخورد هسته های اتم هیدروژن و تولید یک هسته اتم هلیوم. یک تعریف پایه ای و ساده از همجوشی هسته ای عبارتست از ترکیب هسته های چند اتم سبکتر و تشکیل یک هسته سنگین تر که با آزاد شدن انرژی همراه است. همان طور که می دانیم هسته از ذرات ریزی تشکیل شده است که پروتون و نوترون جز لاینفک آن هستند. نوترون بدون بار و پروتون دارای بار مثبت است که سایر بارهای مثبت را به شدت از خود می راند. حال سوال اساسی که مطرح می شود آن است که اگر پروتون ها یکدیگر را دفع می کنند چگونه می توان آنها را در همجوشی هسته ای شرکت داد؟ راه حل اساسی آن است که به این پروتون ها آنقدر انرژی بدهیم که انرژی جنبشی آنها بیشتر از نیروی دافعه کولنی آنها شود و پروتون ها بتوانند به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شوند. اما برای این کار چیزی حدود 100 میلیون درجه سانتی گراد انرژی لازم است که هیچ محیط مادی توان مقاومت در برابر چنین انرژی را ندارد. یکی از راه های حل این مشکل محصورسازی مغناطیسی است. توکامک دستگاه چنبره ای محصورسازی پلاسماست که در آن از میدان های مغناطیسی برای محصورسازی و کنترل پلاسمای گرم استفاده می گردد. توکامک دماوند یک مجموعه پژوهشی در زمینه گداخت هسته ای است که در آن پلاسمایی با جریان بیشینه 40 کیلوآمپر در مدت زمان 20 میلی ثانیه تولید می شود. در این پروژه برای اولین بار موفق به کنترل جابجایی افقی پلاسما در توکامک دماوند در مسیر متغیر برنامه ریزی شده و در مدت زمان تخلیه الکتریکی شدیم. با بکارگیری این قابلیت پلاسما در محدوده زمانی گوناگون از یک تخلیه الکتریکی در مکان های خاصی از چنبره کنترل می شود. این کنترل امکان بررسی پارامترهای مختلف پلاسما را در شرایط مختلف زمانی و مکانی از یک تخلیه مهیا می کند. برای شناسایی مدل حلقه بسته کنترل مکان افقی پلاسما، ابتدا پس از انجام آزمایشات لازم معادلات مدارات راه انداز جریان کنترلی در پیچه ها به طور کامل تشریح گردید. سپس به بررسی روابط حاکم بر پلاسما پرداختیم. به دلیل پیچیدگی روابط حاکم بر فیزیک پلاسما امکان مدل سازی فیزیکی پلاسما وجود ندارد، به همین منظور با استفاده از تکنیک شناسایی سیستم-ها به مدل سازی دستگاه موجود پرداختیم. یکی از مشکلات موجود در شناسایی این دستگاه عدم امکان اعمال کامل و یکباره سیگنال prbs بوده که به علت کوتاه بودن زمان ماندگاری پلاسما و محدودیت سخت افزاری در راه انداز جریان کنترلی می-باشد. به همین دلیل در هر آزمایش بخشی از این سیگنال اعمال گردیده است. در این پژوهش برای مدل سازی دستگاه از دو مدل پیش بین با ساختار narx و مدل شبیه ساز با ساختار noe بر پایه شبکه عصبی mlp استفاده گردیده است. در نهایت براساس مدل شبیه ساز بدست آمده کنترل کننده غیر خطی عصبی بر پایه شبکه عصبی mlp برای جایگزینی با کنترل کننده خطی pd طراحی و ارزیابی شده است.

توکامک مهمترین دستگاه برای رسیدن به شرایط همجوشی هسته ای لازم در واکنش گداخت است. این دستگاه چنبره ای شکل برای محصورسازی پلاسما است. پلاسمای توکامک برای جابجایی عمودی ذاتا ناپایدار است که این ناپایداری، باعث برخورد آن با دیواره چنبره توکامک و از هم گسیختگی و اتلاف انرژی آن می شود. و باید سیستم کنترل با تولید میدانهای مغناطیسی متغیر، نیروهای مغناطیسی لازم جهت کنترل پلاسما را فراهم بیاورد. در این پروژه برای کنترل مکان عمودی پلاسما، ابتدا نیاز است که مدل مناسبی برای سیستم تخمین زده شود. تخمین مدل با روش شناسایی انجام می شود. شناسایی در دو حالت پیش-بین و شبیه ساز صورت می گیرد. در شناسایی مدل، با هدف بهبود تحقیقات پیش بین بر روی این دستگاه، ابتدا پراکندگی داده های موجود مورد بررسی قرار می گیرد و برای افزایش غنای ورودی شناسایی، داده های بیشتری تولید می گردد. با توجه به زمان محدود محصور سازی پلاسما محدوده زمانی مناسبی که می توان از داده ها استفاده کرد مشخص می شود و بر روی داده ها پیش پردازش صورت می گیرد و سپس با استفاده از داده های موجود با دو روش تست همبستگی خطی و تست بایکوهرنس، میزان غیرخطی بودن سیستم مورد بررسی قرار می گیرد. با استفاده از روش پیش بینی چند گام به جلو، زمان نمونه-برداری مناسب انتخاب می گردد. سپس دینامیک های موثر در ورودی تعیین می شود. در این پروژه، تحلیل ساختارهای مختلف مدل نیز مورد توجه قرار گرفته است. در شناسایی پیش بین مدل های شبکه عصبی mlp، شبکه rbf و مدل خطی محلی و مدل همرشتاین- وینر مورد بررسی قرار می گیرد و با توجه به میزان خطای بدست آمده در روش ها و مقایسه آنها با هم بهترین روش انتخاب می گردد. در شناسایی شبیه ساز نیز دینامیک های موثر در ورودی تعیین می گرددو مدل های شبکه عصبی و خطی محلی مورد استفاده قرار می گیرد. در نهایت با استفاده از مدل شبیه ساز، کنترل کننده غیرخطی طراحی می شود و نتایج به دست آمده از این کنترل کننده عصبی با نتایج بدست آمده از کنترل کننده pd واقعی مقایسه می گردد.

در این پایان نامه، ابتدا مدار محرک سیستم کنترل مکان عمودی پلاسما را که مبتنی بر تریستور بود را با مدار محرک مبتنی بر igbt جایگزین کردیم. سپس با استفاده از پردازنده dsp ممیز-ثابت tms320vc5502 از شرکت texas instruments به تحقق کنترل کننده آنالوگ pd به صورت دیجیتال بر روی این سیستم پرداختیم و در انتها به پیاده سازی کنترل کننده عصبی چند لایه دینامیک به صورت برون خط و برخط برای کنترل مکان عمودی پلاسما در دستگاه توکامک دماوند، پرداختیم. یکی از دلایلی که ما را به پیاده سازی کنترل کننده عصبی بر روی این توکامک ترغیب کرد، عدم وجود مدلی دقیق برای این دستگاه غیرخطی متغیر با زمان است. ساختار کنترل کننده عصبی مورد استفاده از نوع تطبیقی مستقیم می باشد. برای آموزش کنترل کننده عصبی به صورت برخط از الگوریتم های گرادیان نزولی با ممان و rprop استفاده کردیم. برای پیاده سازی این الگوریتم ها بر روی پردازنده ممیز-ثابت مذکور به صورت بلادرنگ، سعی شده از بهترین و سریع ترین روش ها برای کدنویسی استفاده شود تا در مدت زمان نمونه برداری سیستم(ts=100us) پردازنده مذکور بتواند هم شبکه عصبی را یکبار اجرا کند و هم پارامترهای آن را بروز نماید. در این پایان نامه هدف ما این نیست که بهترین کنترل کننده عصبی را برای کنترل مکان عمودی پلاسما پیدا کنیم، بلکه زیرساخت های لازم را برای تحقیق بیشتر در این زمینه فراهم آوریم.