本發(fā)明涉及托卡馬克磁體電源運行，具體涉及改進灰色預(yù)測的托卡馬克磁體電源容量優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、托卡馬克裝置是實現(xiàn)可控核聚變的重要裝置，其中等離子體的位移控制直接關(guān)系到可控核聚變能否成功進行。托卡馬克磁體電源能根據(jù)等離子實時位移信號快速建立相應(yīng)的磁場，實現(xiàn)對等離子體位移的磁約束控制，達到等離子體位移反饋平衡控制的目的。托卡馬克磁體電源的設(shè)計是依據(jù)等離子體最大偏移位移平衡控制所需容量來設(shè)計，由等離子體控制專家估算磁體電源所需的容量，磁體電源設(shè)計人員則根據(jù)估算的容量需求設(shè)計相應(yīng)容量的磁體電源以對負(fù)載線圈勵磁，實現(xiàn)等離子體磁約束閉環(huán)控制的目的。

2、托卡馬克裝置涉及學(xué)科領(lǐng)域廣泛，其中極向場電源和快控電源這類磁體電源運行效果取決于電源響應(yīng)速度和輸出最大電流的能力，為了實現(xiàn)較大位移偏移下的等離子體位移平衡控制，對磁體電源的容量和響應(yīng)性能提出了較高的要求。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)劉磊2015年5月的博士論文《east垂直位移被動穩(wěn)定及主動控制模擬與實驗研究》中介紹了托卡馬克磁體電源項目組在對磁體電源容量進行預(yù)估設(shè)計時，設(shè)計人員根據(jù)電源的響應(yīng)延遲和電流爬升延遲建立電源模型，設(shè)定可接受最大的等離子體初始偏移位移，以實現(xiàn)魯棒控制為要求，估算出相關(guān)的磁體電源容量。隨著可控核聚變工程的發(fā)展，對托卡馬克磁體電源容量提升的需求將會不斷提升?？紤]到可控聚變裝置最終將以并網(wǎng)發(fā)電的形式造福人類，目前這種對磁體電源容量持續(xù)大幅度增長的需求必然會嚴(yán)重影響聚變裝置實用化的進程。優(yōu)化等離子體控制系統(tǒng)，提升控制系統(tǒng)性能，將有助于降低對磁體電源容量的無限增長需求，將可控核聚變商業(yè)價值發(fā)揮到最大化。

3、以快控電源為代表的一些磁體電源控制目標(biāo)是快速跟蹤等離子體控制系統(tǒng)(plasma?control?system，pcs)給定的參考信號，輸出相應(yīng)的電流對負(fù)載線圈勵磁，實現(xiàn)等離子體垂直位移磁約束控制。輸出電流和建立負(fù)載線圈上電壓的時間越短，則能越快實現(xiàn)等離子體位移平衡控制，進一步地，越快輸出電流或者等離子體位移偏移越小的情況下，只需較小的目標(biāo)電流則能將等離子體控制到平衡位置。因此，對磁體電源輸出電流進行快速控制，或者對等離子體位移進行預(yù)測控制，是減小所需電流實現(xiàn)等離子體位移平衡控制的重要途徑，也是實現(xiàn)托卡馬克磁體電源容量優(yōu)化的重要方法。磁體電源采用數(shù)字控制結(jié)構(gòu)，提升輸出電流動態(tài)響應(yīng)速度，減小數(shù)字控制延時和電源系統(tǒng)固有延時均是提升電源控制性能的重要方法，其中系統(tǒng)固有延時即可通過提前預(yù)測等離子體位移而提前得到參考信號使得磁體電源提前快速輸出小電流這種方法解決。通過預(yù)測方法得到等離子體位移進而提前得到參考電流，使得等離子體在發(fā)生較小位移偏差時即輸出較小電流就將等離子體拉回平衡位置，是減小磁體電源容量實現(xiàn)優(yōu)化磁體電源容量目的，達到等離子體位移平衡穩(wěn)定控制的重要途徑。

4、灰色gm(1,1)預(yù)測無需預(yù)測目標(biāo)精確的數(shù)學(xué)模型即可實現(xiàn)目標(biāo)量的預(yù)測，預(yù)測過程簡單快速，計算方便?，F(xiàn)有技術(shù)中公布號為cn113190535a的中國發(fā)明專利《一種基于改進灰色-長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合模型的瓦斯?jié)舛阮A(yù)測方法》公布了一種改進灰色gm(1,1)模型預(yù)測方法，利用集成學(xué)習(xí)的方法將改進灰色預(yù)測模型和長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合進而建立改進灰色—長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測模型，實現(xiàn)瓦斯?jié)舛染_預(yù)測。安全與環(huán)境學(xué)報2023年6月發(fā)表的論文《初值修正和函數(shù)變換的改進灰色模型在管道腐蝕深度預(yù)測中的應(yīng)用》對灰色預(yù)測的初值進行改進，增大的新信息的權(quán)重，實現(xiàn)了管道腐蝕深度的精準(zhǔn)預(yù)測。測繪與空間地理信息期刊2022年12月發(fā)表的論文《基于背景值優(yōu)化改進的灰色沉降預(yù)測模型研究》利用科特斯梯形公式對背景值進行重構(gòu)，實現(xiàn)了灰色gm(1,1)模型的優(yōu)化，提高了地下沉降的預(yù)測精度。

5、上述專利申請和論文對灰色gm(1,1)預(yù)測模型進行了修改，改進了灰色gm(1,1)模型或者對原始序列和背景值進行重構(gòu)，但采用的重構(gòu)函數(shù)或者改進算法過于復(fù)雜，不利于托卡馬克磁體電源數(shù)字控制的實現(xiàn)，給數(shù)字處理器帶來較大的負(fù)擔(dān)，且在灰色預(yù)測對目標(biāo)量進行預(yù)測的過程中沒有利用原始數(shù)據(jù)進行反復(fù)預(yù)測檢驗校正，對目標(biāo)量預(yù)測的精度有待進一步提升，進而對磁體電源容量的優(yōu)化和等離子體平衡位移控制效果較差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于通過準(zhǔn)確的預(yù)測等離子體位移，提前獲得位移偏差，減小托卡馬克磁體電源容量。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)解決上述技術(shù)問題的：

3、本發(fā)明提供了一種改進灰色預(yù)測的托卡馬克磁體電源容量優(yōu)化方法，包括以下步驟：

4、s1、采集pcs給出的最近4個開關(guān)周期內(nèi)等離子體位移數(shù)據(jù)組成灰色gm(1,1)預(yù)測模型原始序列x(0)，原始序列表達式為

5、x(0)＝[x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4)]???????????????????????(1)

6、并對原始序列中各個信息的權(quán)重進行變換；

7、s2、基于原始序列x(0)，生成累加序列x(1)(k)，累加序列表達式為

8、

9、再利用簡化simpson公式重構(gòu)背景值z(1)(k)；

10、s3、根據(jù)背景值z(1)(k)和原始位移采樣數(shù)據(jù)，計算灰色發(fā)展系數(shù)a和灰色量b；根據(jù)灰色發(fā)展系數(shù)a、灰色量b以及原始序列x(0)，獲得原始位移信號的預(yù)測公式；

11、s4、根據(jù)預(yù)測公式預(yù)測的值并進行預(yù)測誤差校驗；采用滿足誤差檢驗的預(yù)測公式預(yù)測下一個周期的位移輸出值

12、s5、預(yù)測得到的位移與參考位移進行比較，得到等離子體位移偏差，根據(jù)位移偏差和參考信號計算傳遞函數(shù)，計算獲得參考信號。

13、進一步地，步驟s1所述的對原始序列中各個信息的權(quán)重進行變換，具體的變換表達式為

14、

15、進一步地，步驟s2所述的利用簡化simpson公式重構(gòu)背景值，具體為：

16、在復(fù)化simpson公式中，將k～k+1采樣周期時間等分為m個區(qū)間，累加序列曲線表達式設(shè)為f(xi)，其中有

17、

18、復(fù)化simpson公式逼近積分過程求解背景值的表達式為

19、

20、將k～k+1采樣周期時間內(nèi)累加序列x(1)(k)到x(1)(k+1)變化值進行m等分，則m個區(qū)間中累加序列變化值為

21、

22、累加序列中x(1)(k)與x(1)(k+1)值已知，因此令

23、f(xi)＝x(1)(k)+iδ,i＝0,1,…,m-1??????????????(14)

24、

25、結(jié)合公式(12)～(15)對復(fù)化simpson公式進行簡化，重構(gòu)的背景值為

26、

27、進一步地，步驟s3所述的根據(jù)背景值z(1)(k)和原始位移采樣數(shù)據(jù)，計算灰色發(fā)展系數(shù)a和灰色量b，具體計算方式為：

28、

29、xn＝[x(0)(2)x(0)(3)x(0)(4)]t。???????????????????(7)

30、進一步地，步驟s3所述的原始位移信號的預(yù)測公式具體為：

31、

32、進一步地，步驟s4所述的采用滿足誤差檢驗的預(yù)測公式預(yù)測下一個周期的位移輸出值具體為：

33、設(shè)可接受的預(yù)測誤差為e，利用誤差校驗公式判斷預(yù)測值是否滿足預(yù)測誤差，所述誤差校驗公式為：

34、

35、當(dāng)滿足誤差校驗時，則根據(jù)預(yù)測公式預(yù)測下一步位移輸出值

36、否則更新原始序列中新信息權(quán)重，再重新計算灰色發(fā)展系數(shù)a和灰色量b，根據(jù)預(yù)測公式得到新的預(yù)測值并重新校驗直到滿足誤差校驗。

37、進一步地，步驟s5所述的參考信號計算傳遞函數(shù)為：

38、

39、其中，kp、ki、kd為參考信號計算傳遞函數(shù)的系數(shù)，s為拉普拉斯算子；傳遞函數(shù)的輸入量為得到的等離子體位移偏差，輸出量為給到托卡馬克磁體電源的參考信號。

40、本發(fā)明還提供一種改進灰色預(yù)測的托卡馬克磁體電源容量優(yōu)化系統(tǒng)，系統(tǒng)運行時采用上述的方法，包括以下模塊：

41、采集模塊，用于采集pcs給出的最近4個開關(guān)周期內(nèi)等離子體位移數(shù)據(jù)組成灰色gm(1,1)預(yù)測模型原始序列x(0)，原始序列表達式為

42、x(0)＝[x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4)]???????????????????????(1)

43、并對原始序列中各個信息的權(quán)重進行變換；

44、背景值計算模塊，用于基于原始序列x(0)，生成累加序列x(1)(k)，累加序列表達式為

45、

46、再利用簡化simpson公式重構(gòu)背景值z(1)(k)；

47、灰色預(yù)測模塊，用于根據(jù)背景值z(1)(k)和原始位移采樣數(shù)據(jù)，計算灰色發(fā)展系數(shù)a和灰色量b；根據(jù)灰色發(fā)展系數(shù)a、灰色量b以及原始序列x(0)，獲得原始位移信號的預(yù)測公式；

48、誤差校驗?zāi)K，用于根據(jù)預(yù)測公式預(yù)測的值并進行預(yù)測誤差校驗；采用滿足誤差檢驗的預(yù)測公式預(yù)測下一個周期的位移輸出值

49、參考信號輸出模塊，用于預(yù)測得到的位移與參考位移進行比較，得到等離子體位移偏差，根據(jù)位移偏差和參考信號計算傳遞函數(shù)，計算獲得參考信號。

50、進一步地，所述采集模塊包括信息權(quán)重變換單元，其運行時采用的變換表達式具體為：

51、

52、進一步地，所述背景值計算模塊包括simpson背景值重構(gòu)單元，其具體運行方式為：

53、在復(fù)化simpson公式中，將k～k+1采樣周期時間等分為m個區(qū)間，累加序列曲線表達式設(shè)為f(xi)，其中有

54、

55、復(fù)化simpson公式逼近積分過程求解背景值的表達式為

56、

57、將k～k+1采樣周期時間內(nèi)累加序列x(1)(k)到x(1)(k+1)變化值進行m等分，則m個區(qū)間中累加序列變化值為

58、

59、累加序列中x(1)(k)與x(1)(k+1)值已知，因此令

60、f(xi)＝x(1)(k)+iδ,i＝0,1,…,m-1??????????????(14)

61、

62、結(jié)合公式(12)～(15)對復(fù)化simpson公式進行簡化，重構(gòu)的背景值為

63、

64、本發(fā)明的優(yōu)點在于：

65、(1)本發(fā)明改進了傳統(tǒng)灰色預(yù)測中老舊信息對預(yù)測精度的影響，對原始序列中各個信息的權(quán)重進行變換，以增加新信息的影響權(quán)重，進一步提升了灰色gm(1,1)預(yù)測模型的預(yù)測精度。

66、(2)本發(fā)明利用simpson公式代替中值定理構(gòu)造背景值，減小了傳統(tǒng)灰色gm(1,1)預(yù)測模型中背景值構(gòu)造誤差，并對復(fù)化simpson公式進行簡化，保證灰色預(yù)測的精度同時不增加計算量，保證改進灰色gm(1,1)預(yù)測模型對等離子體位移的快速準(zhǔn)確預(yù)測。

67、(3)本發(fā)明利用已知的位移信息對預(yù)測的位移進行誤差校驗，直到訓(xùn)練得到滿足誤差要求的灰色gm(1,1)預(yù)測模型，實現(xiàn)了灰色預(yù)測的閉環(huán)反饋校驗功能，利用訓(xùn)練得到滿足誤差要求的灰色gm(1,1)預(yù)測模型進行位移預(yù)測使得等離子體位移預(yù)測精度得到大幅度提升。

68、(4)結(jié)合改進的灰色gm(1,1)預(yù)測模型對等離子體位移軌跡進行超前預(yù)測，能夠提前得到參考信號，在等離子體位移發(fā)生較小偏移情況下只需托卡馬克磁體電源輸出較小電流進行負(fù)載線圈勵磁，即可通過磁場實現(xiàn)等離子體位移平衡控制，減小了對磁體電源功率容量的要求，實現(xiàn)了托卡馬克磁體電源容量的優(yōu)化。