使用实时目标机作为分布式高保真和低延迟等离子体控制器来推进聚变研究

来自加利福尼亚州Foothill Ranch的聚变能量研究公司TAE Technologies通过其创新的场反转配置（FRC）等离子体发生器，在等离子体物理学领域取得了进展，可产生受控的聚变反应。

TAE的使命是创造和商业化来自清洁、安全以及价格可承受的氢硼解决方案，用于将来广泛使用的可转换为电力的来源。

其第五代等离子发生器诺曼（Norman）的长度约为20 m，其中央密闭室被两个场反转的形成源和四个偏置偏滤器包围。

当两个FRC以超音速从两端互相射击时，可控的聚变反应在密闭室内发生。

产生的碰撞将动能转换为热能，将两者合并为一个FRC等离子体。 然后施加中性束以提高等离子体性能和温度。

  挑战  

聚变的一个众所周知的挑战是保持等离子体充分居中并远离密闭容器壁足够长的时间，以释放出足够量的可收集聚变能量。

该领域早期的FRC的寿命不超过一毫秒。 但是得益于Speedgoat设备的贡献， TAE的Norman聚变设备可以获得热FRC等离子体（约3000万摄氏度）的稳态运行时间等于中性束能量输入的持续时间（约30ms）。

使用最新的反馈控制技术可以稳定单个FRC。 这要求从位于等离子体外部的数百个磁场传感器以低延迟（<10μs）推断等离子体的形状和位置。

通过TAE和Google联合研究的Optometrist算法做的连续实验进一步优化了Norman融合设备的设置。

  解决方案  

Speedgoat为TAE的Norman提供了核心功能以及整个采集和控制系统的设置包括实施。

通过使用Simulink®和HDL Coder™工作流程，可以快速轻松地从基于模型的设计过渡到硬件，从而利用硬件上数千兆位收发器和Xilinx® Aurora协议。

磁传感器通过积分电路连接至差分模拟输入，该差分模拟输入具有多达16个IO335-325k I/O模块，这些模块位于Speedgoat的4个采集系统内部。 该模块化设置可支持多达384个传感器，并可以根据需要继续扩展。

每个采集系统还配备了IO342-1080k I/O模块，用作本地控制。

磁场A/D采样的数据为：

• 以2.5 MHz采样率记录并存储在板载IO335-325k的 RAM中
• 在IO335-325k I/O模块上进行了滤波和降低采样，并以166kHz的速率传输到IO342-1080k控制模块
• 使用Xilinx®Aurora协议和铜缆转发到IO342-1080k I/O模块

中央控制系统包括：

• 2个IO342-1450k I/O模块上运行多个用于预测和控制的大型状态空间模型，具有约10μs的计算时间和优良的资源优化
• 8个QSFP端口可发送新的控制值到各供
• 2个FireFly端口用于模块间数据传输和通信。

  最终结果  

下面的时间线说明了获取的数据路径和延迟：

Foothill Ranch CA, USA

tae.com

Images: TAE Technologies

Story written in collaboration with: Jesús Antonio Romero, Lead Scientist and Colin Finucane, Senior Plasma Control Scientist, TAE Technologies 

使用的Speedgoat产品:

• 7 x Performance real-time target machines
• 4 x IO342-1450k-51-51
• 5 x IO342-1080k-51-51
• 20 x IO335-325k
• IO342-1080k-51-51 HDL Coder Integration Package
• IO342-1450k-51-51 HDL Coder Integration Package

所使用的MathWorks产品:

• MATLAB®
• Simulink®
• MATLAB Coder™
• Simulink Coder™
• Simulink Real-Time™
• HDL Coder™
• Signal Processing Toolbox™
• Fixed-Point Designer™
• Stateflow®