Real-time simultaneous control of several radially distributed magnetic and kinetic plasma parameters is being investigated on JET, in view of developing integrated control of advanced tokamak scenarios. This paper describes the new model-based profile controller which has been implemented during the 2006–2007 experimental campaigns. The controller aims to use the combination of heating and current drive (H&CD) systems—and optionally the poloidal field (PF) system—in an optimal way to regulate the evolution of plasma parameter profiles such as the safety factor, q(x), and gyro-normalized temperature gradient, . In the first part of the paper, a technique for the experimental identification of a minimal dynamic plasma model is described, taking into account the physical structure and couplings of the transport equations, but making no quantitative assumptions on the transport coefficients or on their dependences. To cope with the high dimensionality of the state space and the large ratio between the time scales involved, the model identification procedure and the controller design both make use of the theory of singularly perturbed systems by means of a two-time-scale approximation. The second part of the paper provides the theoretical basis for the controller design. The profile controller is articulated around two composite feedback loops operating on the magnetic and kinetic time scales, respectively, and supplemented by a feedforward compensation of density variations. For any chosen set of target profiles, the closest self-consistent state achievable with the available actuators is uniquely defined. It is reached, with no steady state offset, through a near-optimal proportional-integral control algorithm. Conventional optimal control is recovered in the limiting case where the ratio of the plasma confinement time to the resistive diffusion time tends to zero. Closed-loop simulations of the controller response have been performed in preparation for experiments, and typical results are shown. Finally, in the last section of the paper, the first experimental results using this dynamic-model approach to control the plasma current and the safety factor profile on JET, either with the three H&CD systems or also with the PF system as an additional actuator, are presented and discussed.
JETにおいて、先進トカマクシナリオの統合制御の開発を見据え、複数の径方向に分布した磁気的・運動論的プラズマパラメータのリアルタイム同時制御が研究されている。本論文では、2006年から2007年の実験キャンペーン中に実装された新しいモデルベースのプロファイルコントローラについて述べる。このコントローラは、加熱・電流駆動（H&CD）システムと、必要に応じてポロイダル磁場（PF）システムの組み合わせを最適な方法で用いて、安全係数q(x)やジャイロ正規化温度勾配などのプラズマパラメータプロファイルの時間発展を制御することを目的とする。論文の第一部では、輸送方程式の物理的構造と結合を考慮しつつ、輸送係数やその依存性に関する定量的な仮定を一切置かずに、最小動的プラズマモデルを実験的に同定する手法について述べる。状態空間の高次元性と関与する時間スケール間の大きな比に対処するため、モデル同定手順とコントローラ設計の両方において、特異摂動系の理論を二時間スケール近似により用いる。論文の第二部では、コントローラ設計の理論的基礎を提供する。プロファイルコントローラは、それぞれ磁気的および運動論的時間スケールで動作する二つの複合フィードバックループを中心に構成され、密度変動のフィードフォワード補償によって補完される。任意の選択された目標プロファイルに対して、利用可能なアクチュエータで達成可能な最も近い自己無撞着状態が一意に定義される。この状態は、定常オフセットなしに、準最適比例積分制御アルゴリズムを通じて到達される。プラズマ閉じ込め時間と抵抗性拡散時間の比がゼロに近づく極限では、従来の最適制御が回復される。実験準備としてコントローラ応答の閉ループシミュレーションが実施され、典型的な結果が示されている。最後に、論文の最終部では、JETにおいてプラズマ電流と安全係数プロファイルを制御するためのこの動的モデルアプローチを用いた最初の実験結果が、三つのH&CDシステムを用いた場合と、追加のアクチュエータとしてPFシステムも用いた場合の両方について提示され、議論される。