A controller is designed for the tokamak safety factor profile that takes real-time-varying operational and physics limits into account. This so-called model predictive controller (MPC) employs a prediction model in order to compute optimal control inputs that satisfy the given limits. The use of linearized models around a reference trajectory results in a quadratic programming problem that can easily be solved online. The performance of the controller is analysed in a set of ITER L-mode scenarios simulated with the non-linear plasma transport code RAPTOR. It is shown that the controller can reduce the tracking error due to an overestimation or underestimation of the modelled transport, while making a trade-off between residual error and amount of controller action. It is also shown that the controller can account for a sudden decrease in the available actuator power, while providing warnings ahead of time about expected violations of operational and physics limits. This controller can be extended and implemented in existing tokamaks in the near future.
トカマク安全係数プロファイルに対して、実時間で変動する運転上および物理上の制限を考慮したコントローラを設計する。このいわゆるモデル予測制御器(MPC)は、与えられた制限を満たす最適な制御入力を計算するために予測モデルを用いる。参照軌道の周りで線形化されたモデルを用いることで、オンラインで容易に解くことができる二次計画問題が得られる。コントローラの性能は、非線形プラズマ輸送コードRAPTORを用いてシミュレーションされた一連のITER Lモードシナリオにおいて解析される。モデル化された輸送の過大評価または過小評価による追従誤差を、残留誤差と制御動作量の間のトレードオフを行いつつ、コントローラが低減できることが示される。また、コントローラが利用可能なアクチュエータ電力の急激な低下に対応でき、運転上および物理上の制限の予想される違反について事前に警告を提供できることも示される。このコントローラは、近い将来に既存のトカマクへ拡張および実装することができる。