強(qiáng)流離子束實(shí)現(xiàn)束暈控制所需時(shí)間的研究.pdf

1、本文首先綜述了束暈-混沌數(shù)值模擬研究的理論模型，束暈-混沌的可控性理論。之后回顧了四種典型非線性控制器對(duì)束暈-混沌的控制結(jié)果，以及離子束在五種初始分布下，控制前后離子運(yùn)動(dòng)跟蹤的情況。在此基礎(chǔ)上，本文系統(tǒng)研究了初始分布為K-V分布（初始分布滿足均勻分布）的離子束在四種控制器控制下，實(shí)現(xiàn)束暈-混沌控制所需要的時(shí)間，以及分析不同控制器實(shí)現(xiàn)束暈控制所需時(shí)間不同的原因，并根據(jù)所得結(jié)果對(duì)原對(duì)數(shù)函數(shù)控制器的函數(shù)形式進(jìn)行改進(jìn)，使其能更快、更好地實(shí)現(xiàn)束暈

2、控制。 強(qiáng)流加速器及其離子束有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景，但是強(qiáng)流離子束會(huì)產(chǎn)生特有的束暈-混沌現(xiàn)象，造成很大的危害，這個(gè)問(wèn)題引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。中國(guó)原子能科學(xué)研究院的方錦清研究員等人首先將混沌控制的方法應(yīng)用到束暈-混沌控制上，提出了束暈-混沌的非線性控制策略。在此基礎(chǔ)上，師大小組首先找到了以均方根半徑為控制變量的小波函數(shù)控制器、延遲反饋控制器和自適應(yīng)控制器。但是由于均方根半徑在實(shí)驗(yàn)上難以測(cè)定，因此之后又提出了，以在實(shí)驗(yàn)上原則可實(shí)

3、現(xiàn)的離子數(shù)比為控制變量的對(duì)數(shù)函數(shù)控制器。模擬研究表明，這些非線性控制器在理論上均能有效實(shí)現(xiàn)束暈控制。由于束暈-混沌能得到較快控制，就能盡可能減少其所產(chǎn)生的危害。控制器要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，還有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，比如控制器實(shí)現(xiàn)控制所需要的時(shí)間。因此，在前人的基礎(chǔ)上，本文將運(yùn)用PIC多粒子模擬程序，主要做了以下兩個(gè)工作： (1)在束流失匹配較大(M=2.0)和束流失匹配較小(M=1.5)兩種情況下，當(dāng)達(dá)到相同暈度時(shí)，分別加入小波函數(shù)控

4、制器、延遲反饋控制器、自適應(yīng)控制器和對(duì)數(shù)函數(shù)控制器，對(duì)它們實(shí)現(xiàn)束暈-混沌控制所需的時(shí)間進(jìn)行模擬研究。由于束流失匹配較大即M=2.0時(shí)，束暈一開始就產(chǎn)生，因此一開始就加入控制器。而束流失匹配較小即M=1.5時(shí)，剛開始沒(méi)有暈，束暈是之后才產(chǎn)生的，因此在達(dá)到M=2.0的初始暈度時(shí)再加入控制器。模擬研究結(jié)果表明，在M=2.0，填充因子和M=1.5，填充因子兩種情況下，都是自適應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)束暈控制最快，延遲反饋控制器和小波函數(shù)控制器較慢，對(duì)于較有

5、研制可能的對(duì)數(shù)函數(shù)控制器所用的時(shí)間較長(zhǎng)。但是如果條件允許，在填充因子較大()的情況下，在束暈-混沌出現(xiàn)之前就加入對(duì)數(shù)函數(shù)控制器進(jìn)行控制，還是可以一開始就實(shí)現(xiàn)束暈控制的。 (2)在有初始暈度情況下，尋找改進(jìn)原對(duì)數(shù)函數(shù)控制器的方法。由于作用在離子上的力沿著r或者逆著r的方向，在模擬中用正、負(fù)數(shù)值表示，因此本文先從四種控制器的控制函數(shù)正、負(fù)值來(lái)分析控制力對(duì)離子的作用。之后運(yùn)用PIC程序隨機(jī)跟蹤束中的離子，分析離子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力和速度

6、隨r的變化，研究不同控制器實(shí)現(xiàn)控制所需時(shí)間不同的原因。研究結(jié)果表明，對(duì)數(shù)函數(shù)控制器實(shí)現(xiàn)束暈控制較慢是由于它提供的控制力，在離子運(yùn)動(dòng)每一圈的4個(gè)過(guò)程中，對(duì)離子沒(méi)有聚焦作用，只有排斥作用且較大，導(dǎo)致離子往外運(yùn)動(dòng)的速度減小緩慢，而運(yùn)動(dòng)到暈區(qū)形成暈離子。在知道對(duì)數(shù)函數(shù)控制器實(shí)現(xiàn)控制較慢的原因后，本文再?gòu)乃姆N控制器所提供的控制力的變化特點(diǎn)進(jìn)行分析，尋找改進(jìn)對(duì)數(shù)函數(shù)控制器的方法。小波函數(shù)控制器和延遲反饋控制器提供的控制力在每個(gè)過(guò)程都有排斥作用和聚焦

7、作用，是由于控制函數(shù)經(jīng)歷G>0和G<0兩個(gè)過(guò)程；自適應(yīng)控制器的控制力一直都有聚焦作用，是由于控制函數(shù)一直有G<0。而對(duì)數(shù)函數(shù)控制器在每個(gè)過(guò)程只有排斥作用，是因?yàn)榭刂坪瘮?shù)經(jīng)歷G>0和G=0兩個(gè)過(guò)程。因此，可以通過(guò)對(duì)原對(duì)數(shù)函數(shù)控制器的函數(shù)形式進(jìn)行坐標(biāo)平移，使其控制力發(fā)生變化，分別與小波函數(shù)控制器和延遲反饋控制器的控制力或者自適應(yīng)控制器的控制力相似。最后，應(yīng)用改進(jìn)的對(duì)數(shù)函數(shù)控制器進(jìn)行驗(yàn)證。在有初始暈度的情況下，加入第一種改進(jìn)的對(duì)數(shù)函數(shù)控制器進(jìn)

8、行控制，發(fā)現(xiàn)其實(shí)現(xiàn)束暈控制的時(shí)間有所減少，而且在填充因子較小時(shí)，也能有效實(shí)現(xiàn)束暈控制。第二種改進(jìn)的對(duì)數(shù)函數(shù)控制器的控制力對(duì)離子的作用與聚焦磁場(chǎng)的相似，本文嘗試用它來(lái)代替磁場(chǎng)后，也得到很好的模擬控制效果，實(shí)現(xiàn)控制所需要的時(shí)間明顯縮短，而且可以節(jié)省聚焦材料的使用。 本文通過(guò)研究四種典型非線性控制器實(shí)現(xiàn)束暈所需要的時(shí)間，并分析它們實(shí)現(xiàn)控制快慢的原因，找到改進(jìn)對(duì)數(shù)函數(shù)控制器的方法。通過(guò)對(duì)原對(duì)數(shù)函數(shù)控制器進(jìn)行改進(jìn)，不僅可以使控制時(shí)間得到一