La progettazione e la validazione sperimentale
di nuovo controllore della forma
del plasma nel tokamak JET
G. Ambrosino, M. Ariola, G. De Tommasi and A. Pironti
presented by
ALFREDO PIRONTI
Plasmi e tokamak
Plasmi e tokamak
• I tokamak sono dispositivi per la fusione termonucleare controllata che
hanno come scopo il confinamento magnetico di plasmi ad alta
temperature
• La possibilità di ottenere una reazione di fusione autosostenuta è legata
alla soluzione di molteplici problemi ingegneristici
• Tra questi problemi c’è quello della stabilizzazione del plasma e del
controllo di forma e di corrente
• La stabilizzazione e il controllo della forma del plasma sono condotti
utilizzando controlli in retroazione che agiscono variando le correnti in
appositi avvolgimenti distribuiti intorno alla camera di fusione
• Prima implementazione di un controllore progettato con tecniche moderne
(H∝) per il controllo della forma del plasma sul tokamak TCV (Ambrosino,
Ariola, Pironti, Lister, Vyas, CST 2002)
Il tokamak JET ed il progetto XSC
• Il JET è il più grande tokamak oggi
esistente, e rappresenta la punta di
diamante della ricerca europea sulla fusione
termonucleare controllata.
• Il progetto XSC è stato sviluppato da una
collaborazione tra il CRPP di Losanna,
l’ENEA, il DIS di Napoli, il DIMET di Reggio
Calabria, ed il DAEIIMI di Cassino
• L’XSC è stato implementato ed il suo
impiego è attualmente una delle opzioni
disponibili
per
i
responsabili
degli
esperimenti al JET. Si prevede che esso
verrà
intensamente
impiegato
nelle
campagna sperimentali 2005-2006.
Il tokamak JET ed il progetto XSC (2)
• Il miglioramento più significativo rispetto la vecchio controllore di forma
consiste nella possibilità di riuscire a mantenere con buona
approssimazione la forma del plasma anche in presenza di variazioni
significative di parametri interni del plasma.
• Il progetto ha dimostrato la possibilità di costruire un nuovo sistema di
controllo sulla base di un modello dell’impianto: il controllore infatti non
ha richiesto alcun tuning sperimentale.
Il modello del sistema plasma-circuiti
Il sistema composto dal plasma, dai circuiti di controllo e dai circuiti passivi può essere
descritto da un modello, che linearizzato nell’intorno di una configurazione di equilibrio,
assume la forma
dove
*
*
⎛ L11
⎞ ⎛ x& a ⎞ ⎛ R1 0 ⎞ ⎛ x a ⎞ ⎛ E~1 ⎞
L12
⎛I ⎞
⎜
⎟
⎜ *
⎟
&
⎜
⎟
⎜
⎟
⎜
⎟
+
+
=
w
⎜⎜ ⎟⎟ u
* ⎟ ⎜x
⎟ ⎜ 0 R ⎟ ⎜ x ⎟ ⎜ E~ ⎟
⎜L
&
L
⎝0⎠
⎝
2⎠⎝ p⎠
⎝ 21
22 ⎠ ⎝ p ⎠
⎝ 2⎠
⎛ xa ⎞
Ariola, Pironti, Portone, Fusion
y = (C1 C 2 )⎜⎜ ⎟⎟ + Fw
x
Technology 1999
⎝ p⎠
• x, il vettore di stato, rappresenta le correnti che circolano negli avvolgimenti
attivi (xa), nei circuiti passivi e nel plasma (xp)
• u, il vettore degli ingressi di controllo, rappresenta le tensioni sugli
avvolgimenti attivi
• y, il vettore delle uscite, rappresenta le grandezze geometriche da controllare
• w, il vettore dei disturbi, rappresenta i disturbi agenti sul plasma (i disturbi
sono modellati come variazioni dei parametri li e βp)
Metodologia di progetto del controllore
• La frontiera del plasma è una curva piana
• Una caratterizzazione completa di tale curva richiede un elevato
numero di descrittori geometrici. Nel caso del JET questo numero è
pari a 32
• A fronte dell’elevato numero di grandezze da controllare il numero di
ingressi di controllo è pari a 8
• L’obiettivo del sistema di controllo è quello di poter inseguire forme
del plasma lentamente variabili nel tempo
Ambrosino, Ariola, Pironti, CDC04
Progettazione dell’XSC
• La chiusura di un ciclo per la stabilizzazione verticale, e di un controllore
di disaccoppiamento per le correnti negli avvolgimenti attivi, consente di
descrivere il sistema sul quale progettare l’XSC su di un modello
semplificato nella forma
Riduzione dell’ordine attraverso
C
Y (s ) =
X ar (s )
1 + sτ
tecnica delle perturbazioni
(Ariola, Pironti, EJC 2003)
• Applicando la metodologia del paragrafo precedente,
progettato in maniera da minimizzare l’indice di qualità
l’XSC
la
singolari
viene
lim ( y r − y (t ))T Q( y r − y (t ))
t → +∞
dove il vettore yr rappresenta il vettore dei riferimenti dei descrittori
geometrici della forma del plasma.
SC vs. XSC
SC
• A few geometric parameters are
controlled, usually ROG and two
strike points
• The desired shape is achieved
precalculating
the
needed
currents
and
putting
these
currents as references to the SC
• This gives a good tracking of the
references on ROG and on the
strike points but the shape cannot
be guaranteed precisely
• Shape
modifications
due
to
variations of βp and li cannot be
counteracted
XSC
• The session leader decides the
shape to be achieved
• The XSC receives the errors on 32
descriptors of the plasma shape
and calculates the “smallest”
currents needed to minimize the
error on the “overall” shape
• This has given in the experiments
done so far a good tracking of the
desired shape
• The controller manages to keep
the shape more or less constant
even in the presence of large
variations of βp and li
Steps needed for an XSC design
In general, the XSC needs a different configuration for each scenario.
In order to prepare an XSC configuration for a discharge, the following
steps are needed:
1.
plasma modeling
2.
controller design
3.
preparation of a configuration file
4.
commissioning
Plasma modeling
Ready for the design?
Controller design
Take experimental data from
an existing plasma shot and
derive a linearized model
(tools:
CREATE-NL
and
CREATE-L)
Choose
weights
for
the
currents and the geometric
descriptors and design the
controller
(tool:
XSC
GENERATOR)
Iterate if equilibrium currents
do not leave enough space for
control
Iterate until the simulation of
the closed-loop behavior is
satisfactory
Need for other models?
Was anything wrong?
Commissioning
Configuration file
Run the basic shape on a tail
of a pulse
By means of the graphic tool
CREATE EGENE, it is possible
to generate a set of similar
configuration, along with the
equilibrium currents
Assess the XSC performance
READY FOR OPERATION
The tool then produces the
configuration file needed by
Level1 to run XSC
Exit
Some experimental results
Ambrosino, Ariola, Pironti, Sartori, IFAC05
• Shot 61995
Ariola, Pironti, CSM 2005
- XSC takes controls at t=68s until the end of the discharge
- The plasma current varies from 2MA to 0.8MA and li from 1 to 1.5
• Shot 62292
- XSC takes controls at t=43.5s to t=50s
- βp goes from 0.7 to 1.6 and then down to 0.07
• Shot 62837
- XSC takes controls at t=54s
- Two time windows are used to track two different shapes
Some other features of the XSC
• Due to its flexibility, besides the geometrical descriptors, one can choose to
control linear combinations of them, so as to account for variables like the
linearized pseudo-elongation, triangularity, …;
• It is also possible to directly control some currents; this obviously reduces
the degrees of freedom to control the shape, but it can be useful during
critical phases of the shot, e.g. plasma formation, current ramp-up and
ramp-down, …