面向CFETR等离子体控制系统的算法集成开发平台研究与设计

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等离子体控制系统(PCS)是托卡马克装置的关键子系统之一,控制等离子体放电全过程并提供装置安全的第一级保护。中国聚变工程实验堆(CFETR)PCS作为CFETR关键研发任务之一,目前处于详细设计阶段。CFETRPCS由实时控制软硬件基础架构和装置特定的控制算法构成,通过在高性能实时框架中开发集成复杂丰富的控制算法满足装置的高参数运行控制要求。传统的控制算法开发集成基于纯文本和命令行方式,要求开发人员熟悉PCS整体框架并掌握算法集成规则,此种开发模式对物理学家不够友好,致其无法专注控制功能及逻辑的实现,难以满足物理实验对算法高效开发集成的需求。基于以上背景,结合CFETRPCS算法结构特征以及算法基于实时框架的角色要求,提出为等离子体控制系统算法的开发集成构建辅助平台的思想,并成功研发了 CFETRPCS算法集成开发平台。该平台对等离子体控制系统算法数据进行抽象建模,将模型数据映射成特定的可视化图形元素表示算法数据的变换过程,屏蔽了编程细节以及框架使用细节,且平台可扩展复用于不同特征的等离子体控制系统,面向算法开发人员实现了透明和便捷的开发集成模式,最终提升了等离子体控制系统算法的开发集成效率。本论文的主要工作内容和贡献如下:1.可视化交互环境研发。遵循MVC(模型-视图-控制器)设计思想,基于Eclipse平台及其插件机制,定制了算法开发的可视化交互环境,针对等离子体控制算法特性开发了一系列算法通用功能组件,如波形输入、解耦矩阵、PID控制器等,实现了所见即所得的可拖拽开发方式。扩展了编辑器、算法向导、CDT(C/C++开发环境插件)、可视化版本管理、帮助等插件,所有插件在Eclipse平台中无缝集成,即插即用。该环境具有跨平台、可扩展特性,以易操作的图形元素替代文本编程,面向开发人员屏蔽了编程细节。同时这些控件可不断复用,减少了冗余开发,最终实现高效便捷直观的交互环境。2.算法自动集成解决方案。构建了 CFETRPCS算法组件框架模板,分析了算法输入数据来源,结合框架数据引擎的发布订阅机制,利用代码自动生成技术映射自动生成算法组件和算法输入数据接口,实现了算法的自动集成。该方法面向开发人员屏蔽了框架使用细节和数据来源细节,降低了算法开发难度,缩短了系统开发周期。3.算法自动集成过程中数据异构解决方案。提出采用IDL(接口定义语言)对算法预设数据接口对象进行统一描述,并利用代码自动生成技术将IDL编译为框架和功能组件所需要的可执行的C++代码和Python代码。该方法避免了算法预设数据接口对象的重复定义以及跨组件、跨语言传输导致的语法语义不统一问题,为接口对象的高效管理提供了保障。4.平台的测试和验证。为了验证平台的可行性和可靠性,将算法集成开发平台部署在EASTPCS中,开发并集成了线圈电流控制算法和密度控制算法,将算法计算结果与历史数据进行了对比测试,计算结果与历史结果相吻合,算法整体逻辑正确。平台基于EASTPCS的验证,不仅提升了目前EASTPCS软件开发效率,改善了开发体验,同时为未来在CFETRPCS的应用奠定了基础。
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