本发明属于等离子体加热领域，具体涉及一种极化器与天线实时联动的控制系统。
背景技术：
在核聚变研究中，电子回旋共振加热在受控磁约束核聚变中是一种重要的加热和调控手段，具有可接近性好、加热效率高和定域性好的特性，其功能主要在于等离子体启动、电流剖面控制、抑制新经典撕裂膜和电流驱动等。为了利用此系统实现以上功能，要求电子回旋波的注入角度能够根据实验需求实时改变，新研制的微波发射天线已经具备此功能。但是，随着微波注入角度的改变，带来了耦合模式纯度降低从而导致波与等离子体耦合效率降低的问题。电子回旋共振加热系统普遍采用双极化器能够对微波实现任意极化来提高波与等离子体的耦合效率。
之前极化器的控制主要是通过手动方式来控制极化器的旋转角度，无法在实验期间与天线进行实时联动，一旦天线角度变化，而极化器不能与天线联动，就会导致微波在等离子体中耦合效率低，其不但导致加热或驱动效果降低，而且不能吸收的微波会传播到装置边缘损坏诊断设备等从而产生严重后果。根据实时抑制新经典撕裂膜实验的要求，一旦诊断到撕裂膜，必须发射微波到撕裂膜的中心处对其精准抑制，为了提高抑制效率，减小微波对诊断设备损坏的可能性，极化器必须与天线进行实时联动。由于等离子体放电时间短，微波功率沉积位置精度要求高，因此在运算时间、反应速度、控制精度、远程控制等方面需要达到实验要求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种极化器与天线实时联动控制系统，其能够控制极化器与天线进行实时联动，且运算时间、反应速度、控制精度等满足要求。
本发明的技术方案如下：
一种极化器与天线实时联动控制系统，包括控制部分和联动部分，所述的联动部分由线极化器、椭圆极化器、聚焦镜、旋转平面镜和伺服电机组成，其中聚焦镜和旋转平面镜组成天线平面镜；
所述的线极化器安装在微波发射方向上，经线极化器将微波方向改变，椭圆极化器安装在改变后的微波方向上，将微波方向再次改变发射到聚焦镜上，经过镜面反射到旋转平面镜上，经过旋转平面镜发射至等离子体，通过伺服电机控制旋转平面的旋转方向；
所述的控制部分由中央控制器、两个反射内存卡、两个主控制器、两个以太网交换机、两个plc板、两个控制器组成；
在控制部分中，反射内存卡、主控制器、以太网交换机、plc板、控制器组成两路结构相同的控制回路，其分别与中央控制器连接；
两路控制回路上的控制器，即第一控制器和第二控制器，其中第一控制器通过控制伺服电机控制旋转平面镜的转动，第二控制器控制控制椭圆极化器和线极化器的转动角度；
两路控制回路上的plc板，及第一plc和第二plc，根据设置的伺服电机转动的参数和分别接收到的旋转平面镜和极化器转动角度信号，分别对第一控制器和第二控制器发送转动命令；
两路控制回路上的主控制器，即第一主控制器和第二主控制器，用于接收中控指令；
两路控制回路上的以太网交换机，即第一以太网交换机和第二以太网交换机，用于实现所分别对应的第一主控制器和第二主控器分别发送旋转平面镜和双极化器的实时转动角度的远距离传输；
两路控制回路上的反射内存卡，即为第一反射内存卡和第二反射内存卡，用于中央控制器分别与第一主控制器和第二主控制器之间的实时光纤信号传输。
所述的第一主控制器用于完成旋转平面镜的实时转动角度的计算，以及发送实时转动角度信号和电机启动信号到第一plc模块；所述的第二主控制器用于完成双极化器的实时转动角度的计算，以及发送实时转动角度信号到第二plc模块。
所述的双极化器的实时转动角度计算方法如下：
3.1)对于线极化器可旋转到的角度取值范围为(001800]内的任意一个角度m,均有椭圆极化器内可旋转到的角度取值范围为(001800]内的任意一个角度n与之对应；
3.2)通过对3240000种组合进行理论计算，可以得到一个1800×1800的二维矩阵。矩阵中的第i行第j列元素按照ηij形式表示，ηij表示椭圆极化器旋转到i-1角度，线极化器的旋转到j-1角度时波在等离子体中的耦合效率η；
3.3)在这所有的耦合效率中寻找到最大值ηij，并返回该最大效率ηij对应的椭圆极化器的角度i-1，线极化器的角度j-1，该角度i-1和j-1即为椭圆极化器和线极化器分别需要旋转到的角度；
3.4)如果在所有的耦合效率中出现有多个相同的最大值ηij，则需要判断选择哪个最大值；
3.5)设椭圆极化器的当前角度为ic，线极化器的当前角度为jc，则所有最大值ηij对应的椭圆极化器的角度i-1和线极化器的角度j-1与椭圆极化器和线极化器的当前角度之间的距离为s
在所有的s值中，取最小值所对应的椭圆极化器的角度i-1，线极化器的角度j-1为椭圆极化器和线极化器所需要分别旋转到的角度。
从中央控制器发送信号到发射内存卡接收信号的通信时间控制为0～50微秒。
第一主控制器的实时控制方式时间小于10微秒，第二主控制器的实时控制方式时间小于10毫秒。
所述的第一主控制器和第二主控器通过modbustcp/ip协议发送至旋转平面镜和双极化器的实时转动角度，基于以太网交换机和mobdustcp/ip协议构成的远程通信单元的传输时间在40毫秒以内。
第一控制器控制天线平面镜的转动精度为0.146°，第二控制器控制极化器的转动精度为0.1°
本发明的显著效果如下：通过极化器与天线联动来实时改变微波极化特性，保证电子回旋波与等离子体的耦合效率，防止损坏诊断设备。通过反射内存卡、主控制器、以太网交换机和plc、控制器实现从中控信号到极化器与天线实时联动的控制，能够在复杂的实验环境下进行高效、准确的远程控制，结构简单，反应速度快、控制精度高、系统稳定。
附图说明
图1为一种极化器与天线实时联动控制系统示意图；
图2为控制流程图。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种极化器与天线实时联动控制系统，控制部分由中央控制器、两个反射内存卡、两个主控制器、两个以太网交换机、两个plc板、两个控制器组成；联动部分由线极化器、椭圆极化器、聚焦镜、旋转平面镜和伺服电机组成，其中聚焦镜和旋转平面镜组成天线平面镜。
线极化器安装在微波发射方向上，经线极化器将微波方向改变，椭圆极化器安装在改变后的微波方向上，将微波方向再次改变发射到聚焦镜上，经过镜面反射到旋转平面镜上，经过旋转平面镜发射至等离子体。通过伺服电机控制旋转平面的旋转方向。
控制部分包括中央控制器、及与中央控制器分别连接的两路控制回路，每路控制回路包括与中央控制器依次连接的反射内存卡、主控制器、以太网交换机、plc板和控制器。
其中，两路控制回路上的控制器，即第一控制器和第二控制器，第一控制器通过控制伺服电机控制旋转平面镜的转动，第二控制器控制控制椭圆极化器和线极化器的转动角度。
两路控制回路上的plc板，及第一plc和第二plc，根据设置的伺服电机转动的参数和分别接收到的旋转平面镜和极化器转动角度信号，分别对第一控制器和第二控制器发送转动命令；
两路控制回路上的以太网交换机，即第一以太网交换机和第二以太网交换机，用于实现所分别对应的第一主控制器和第二主控器通过modbustcp/ip协议发送至旋转平面镜和双极化器(椭圆极化器和线极化器)的实时转动角度的远距离传输；
两路控制回路上的主控制器，即第一主控制器和第二主控制器，用于接收中控指令。
第一主控制器用于完成旋转平面镜的实时转动角度的计算，以及发送实时转动角度信号和电机启动信号到第一plc模块；第二主控制器用于完成双极化器的实时转动角度的计算，以及发送实时转动角度信号到第二plc模块，
其中，双极化器(椭圆极化器和线极化器)的实时转动的角度通过下面方法进行计算。
入射微波经过双极化器反射后，反射波(exreyr)与入射波(exieyi)的关系为：
式中，ξ1＝tan-1(tanφ1cosθ)，
当入射波到达了等离子边界之后，波主要包含x模和o模两部分，这两部分的电场分别用ex和eo来表示。如果入射到等离子体里面的波中只含有ex，则表明入射波的所有功率以x模耦合，同理，入射到等离子体里面的波中只含eo，则表明入射波的所有功率以o模耦合。
按照冷等离子体的色散理论，确定入射波电场分量ep在x轴和y轴两个方向所占的比率关系如下：
式中，ψ是波矢
微波在等离子体中进行耦合的情况下，ex和eo所占的比率可以表示为：
微波入射到等离子体里面后会耦合成x模和o模，其中x模和o模的比率关系如下：
从上面的表达式可以看出，(exreyr)由双极化器决定，(kxko)由等离子体边界的磁场强度b和入射波的波矢k和磁场强度b之间的夹角χ来决定。而夹角χ由入射波的入射角度
对应每一个
微波与等离子体能否高效耦合与等离子体磁场强度、天线的入射角度和微波的极化特性匹配度有关。等离子体实验是以物理需求为导向，因此物理需求会决定等离子体的磁场强度和天线的入射角度。为了保证微波能够与等离子体高效耦合，采用微波的极化特性主动与磁场强度和天线的入射角度进行匹配的策略。
根据接收到的等离子体的磁场强度和天线入射角度，计算出波在等离子体中的耦合效率与线极化器和椭圆极化器的旋转角度的关系。
1)对于线极化器可旋转到的角度取值范围为(0°180°]内的任意一个角度m,均有椭圆极化器内可旋转到的角度取值范围为(0°180°]内的任意一个角度n与之对应。
线极化器和椭圆极化器的旋转角度精度为0.1°，全部(mn)的组合形式共有1800×1800＝3240000种，即共有3240000个耦合效率值。
2)通过对3240000种组合进行理论计算，可以得到一个1800×1800的二维矩阵。矩阵中的第i行第j列元素按照ηij形式表示。ηij表示椭圆极化器旋转到i-1角度，线极化器的旋转到j-1角度时波在等离子体中的耦合效率η。
3)在这所有的耦合效率中寻找到最大值ηij，并返回该最大效率ηij对应的椭圆极化器的角度i-1，线极化器的角度j-1，该角度i-1和j-1即为椭圆极化器和线极化器分别需要旋转到的角度。
4)如果在所有的耦合效率中出现有多个相同的最大值ηij，则需要判断选择哪个最大值ηij。
5)设椭圆极化器的当前角度为ic，线极化器的当前角度为jc，则所有最大值ηij对应的椭圆极化器的角度i-1和线极化器的角度j-1与椭圆极化器和线极化器的当前角度之间的距离为s，s定义如下：
在所有的s值中，取最小的s值所对应的椭圆极化器的角度i-1，线极化器的角度j-1为椭圆极化器和线极化器所需要分别旋转到的角度。
两路控制回路上的反射内存卡，即为第一反射内存卡和第二反射内存卡，用于中央控制器分别与第一主控制器和第二主控制器之间的实时光纤信号传输；
从中央控制器发送信号到发射内存卡接收信号的通信时间控制为0～50微秒。
第一主控制器的实时控制方式时间小于10微秒，第二主控制器的实时控制方式时间小于10毫秒。
基于以太网交换机和mobdustcp/ip协议构成的远程通信单元的传输时间在40毫秒以内；
第一控制器控制天线平面镜的转动精度为0.146°，第二控制器控制极化器的转动精度为0.1°
中央控制器发送的信号包含等离子体边界极向磁场、磁轴处的极向磁场、等离子体边界的环向磁场、托卡马克大半径位置、计算区域的大半径尺寸、最小径向位置、极向磁通格点、环向磁场格点、等离子体密度。
从中央控制器发送信号至旋转平面镜和双极化器到达指定的位置的时间小于250毫秒。
结合图2说明极化器与天线实时联动的控制系统的控制工作流程。
中央控制器对等离子体诊断的信息进行处理后，经过第一反射内存卡和第二发射内存卡将信息同时发送到第一主控制器和第二主控制器。第一主控制器根据信息运行实时波轨迹程序，计算出天线平面镜需要旋转的角度，然后将该入射角度通过第一以太网传输到第一plc，第一plc计算电机转动的参数并发送到第一控制器，第一控制器控制伺服电机转动来驱动平面镜到达指定位置；与此同时，第二主控制器根据信息运行实时波轨迹程序和波与等离子体耦合程序，计算出极化器需要旋转的角度，然后将该角度通过第二以太网传输到第二plc，第二plc计算电机转动参数并发送到第二控制器，第二控制器驱动线极化器和椭圆极化器旋转到指定角度。
1.一种极化器与天线实时联动控制系统，包括控制部分和联动部分，其特征在于：
所述的联动部分由线极化器、椭圆极化器、聚焦镜、旋转平面镜和伺服电机组成，其中聚焦镜和旋转平面镜组成天线平面镜；
所述的线极化器安装在微波发射方向上，经线极化器将微波方向改变，椭圆极化器安装在改变后的微波方向上，将微波方向再次改变发射到聚焦镜上，经过镜面反射到旋转平面镜上，经过旋转平面镜发射至等离子体，通过伺服电机控制旋转平面的旋转方向；
所述的控制部分由中央控制器、两个反射内存卡、两个主控制器、两个以太网交换机、两个plc板、两个控制器组成；
在控制部分中，反射内存卡、主控制器、以太网交换机、plc板、控制器组成两路结构相同的控制回路，其分别与中央控制器连接；
两路控制回路上的控制器，即第一控制器和第二控制器，其中第一控制器通过控制伺服电机控制旋转平面镜的转动，第二控制器控制控制椭圆极化器和线极化器的转动角度；
两路控制回路上的plc板，及第一plc和第二plc，根据设置的伺服电机转动的参数和分别接收到的旋转平面镜和极化器转动角度信号，分别对第一控制器和第二控制器发送转动命令；
两路控制回路上的主控制器，即第一主控制器和第二主控制器，用于接收中控指令；
两路控制回路上的以太网交换机，即第一以太网交换机和第二以太网交换机，用于实现所分别对应的第一主控制器和第二主控器分别发送旋转平面镜和双极化器的实时转动角度的远距离传输；
两路控制回路上的反射内存卡，即为第一反射内存卡和第二反射内存卡，用于中央控制器分别与第一主控制器和第二主控制器之间的实时光纤信号传输。
2.如权利要求1所述的一种极化器与天线实时联动控制系统，其特征在于：所述的第一主控制器用于完成旋转平面镜的实时转动角度的计算，以及发送实时转动角度信号和电机启动信号到第一plc模块；所述的第二主控制器用于完成双极化器的实时转动角度的计算，以及发送实时转动角度信号到第二plc模块。
3.如权利要求1所述的一种极化器与天线实时联动控制系统，其特征在于，所述的双极化器的实时转动角度计算方法如下：
3.1)对于线极化器可旋转到的角度取值范围为(0°180°]内的任意一个角度m,均有椭圆极化器内可旋转到的角度取值范围为(0°180°]内的任意一个角度n与之对应；
3.2)通过对3240000种组合进行理论计算，可以得到一个1800×1800的二维矩阵。矩阵中的第i行第j列元素按照ηij形式表示，ηij表示椭圆极化器旋转到i-1角度，线极化器的旋转到j-1角度时波在等离子体中的耦合效率η；
3.3)在这所有的耦合效率中寻找到最大值ηij，并返回该最大效率ηij对应的椭圆极化器的角度i-1，线极化器的角度j-1，该角度i-1和j-1即为椭圆极化器和线极化器分别需要旋转到的角度；
3.4)如果在所有的耦合效率中出现有多个相同的最大值ηij，则需要判断选择哪个最大值；
3.5)设椭圆极化器的当前角度为ic，线极化器的当前角度为jc，则所有最大值ηij对应的椭圆极化器的角度i-1和线极化器的角度j-1与椭圆极化器和线极化器的当前角度之间的距离为s
在所有的s值中，取最小值所对应的椭圆极化器的角度i-1，线极化器的角度j-1为椭圆极化器和线极化器所需要分别旋转到的角度。
4.如权利要求1所述的一种极化器与天线实时联动控制系统，其特征在于：从中央控制器发送信号到发射内存卡接收信号的通信时间控制为0～50微秒。
5.如权利要求1所述的一种极化器与天线实时联动控制系统，其特征在于：第一主控制器的实时控制方式时间小于10微秒，第二主控制器的实时控制方式时间小于10毫秒。
6.如权利要求1所述的一种极化器与天线实时联动控制系统，其特征在于：所述的第一主控制器和第二主控器通过modbustcp/ip协议发送至旋转平面镜和双极化器的实时转动角度，基于以太网交换机和mobdustcp/ip协议构成的远程通信单元的传输时间在40毫秒以内。
7.如权利要求1所述的一种极化器与天线实时联动控制系统，其特征在于：第一控制器控制天线平面镜的转动精度为0.146°，第二控制器控制极化器的转动精度为0.1°。
技术总结