ITER will be the first tokamak to sustain a fusion-producing, or burning, plasma. If the plasma temperature were to inadvertently rise in this burning regime, the positive correlation between temperature and the fusion reaction rate would establish a destabilizing positive feedback loop. Careful regulation of the plasma's temperature and density, or burn control, is required to prevent these potentially reactor-damaging thermal excursions, neutralize disturbances and improve performance. In this work, a Lyapunov-based burn controller is designed using a full zero-dimensional nonlinear model. An adaptive estimator manages destabilizing uncertainties in the plasma confinement properties and the particle recycling conditions (caused by plasma–wall interactions). The controller regulates the plasma density with requests for deuterium and tritium particle injections. In ITER-like plasmas, the fusion-born alpha particles will primarily heat the plasma electrons, resulting in different electron and ion temperatures in the core. By considering separate response models for the electron and ion energies, the proposed controller can independently regulate the electron and ion temperatures by requesting that different amounts of auxiliary power be delivered to the electrons and ions. These two commands for a specific control effort (electron and ion heating) are sent to an actuator allocation module that optimally maps them to the heating actuators available to ITER: an electron cyclotron heating system (20 MW), an ion cyclotron heating system (20 MW), and two neutral beam injectors (16.5 MW each). Two different actuator allocators are presented in this work. The first actuator allocator finds the optimal mapping by solving a convex quadratic program that includes actuator saturation and rate limits. It is nonadaptive and assumes that the mapping between the commanded control efforts and the allocated actuators (i.e. the effector model) contains no uncertainties. The second actuator allocation module has an adaptive estimator to handle uncertainties in the effector model. This uncertainty includes actuator efficiencies, the fractions of neutral beam heating that are deposited into the plasma electrons and ions, and the tritium concentration of the fueling pellets. Furthermore, the adaptive allocator considers actuator dynamics (actuation lag) that contain uncertainty. This adaptive allocation algorithm is more computationally efficient than the aforementioned nonadaptive allocator because it is computed using dynamic update laws so that finding the solution to a static optimization problem is not required at every time step. A simulation study assesses the performance of the proposed adaptive burn controller augmented with each of the actuator allocation modules.
ITERは、核融合を生成する、すなわち燃焼するプラズマを持続させる最初のトカマクとなるであろう。もしこの燃焼領域においてプラズマ温度が偶発的に上昇した場合、温度と核融合反応率との間の正の相関関係が、不安定化をもたらす正のフィードバックループを確立することになる。これらの潜在的に炉を損傷させる熱的逸走を防ぎ、外乱を中和し、性能を向上させるためには、プラズマの温度と密度の注意深い調整、すなわち燃焼制御が必要である。本研究では、完全な零次元非線形モデルを用いて、リアプノフに基づく燃焼制御器を設計する。適応推定器は、プラズマ閉じ込め特性と粒子リサイクリング条件（プラズマ–壁相互作用によって引き起こされる）における不安定化する不確かさを管理する。制御器は、重水素とトリチウムの粒子注入の要求によってプラズマ密度を調整する。ITER類似のプラズマでは、核融合で生成されたアルファ粒子が主にプラズマ電子を加熱し、その結果、中心部において電子温度とイオン温度が異なるものとなる。電子エネルギーとイオンエネルギーの別々の応答モデルを考慮することにより、提案する制御器は、電子とイオンに異なる量の補助パワーが供給されるよう要求することによって、電子温度とイオン温度を独立に調整することができる。特定の制御努力（電子加熱とイオン加熱）に対するこれら二つの指令は、アクチュエータ割り当てモジュールに送信され、このモジュールはそれらをITERで利用可能な加熱アクチュエータ、すなわち電子サイクロトロン加熱システム（20 MW）、イオンサイクロトロン加熱システム（20 MW）、および2基の中性粒子入射装置（各16.5 MW）に最適にマッピングする。本研究では、2つの異なるアクチュエータ割り当て器を提示する。最初のアクチュエータ割り当て器は、アクチュエータの飽和とレート制限を含む凸二次計画問題を解くことによって最適なマッピングを見つける。これは非適応的であり、指令された制御努力と割り当てられたアクチュエータとの間のマッピング（すなわちエフェクタモデル）に不確かさが含まれないことを仮定している。2番目のアクチュエータ割り当てモジュールは、エフェクタモデルの不確かさを処理するための適応推定器を有する。この不確かさには、アクチュエータ効率、プラズマ電子とイオンに堆積される中性粒子入射加熱の割合、および燃料ペレットのトリチウム濃度が含まれる。さらに、適応割り当て器は、不確かさを含むアクチュエータ動特性（作動遅れ）を考慮する。この適応割り当てアルゴリズムは、動的更新則を用いて計算されるため、前述の非適応割り当て器よりも計算効率が高い。すなわち、各時間ステップで静的最適化問題の解を求める必要がない。シミュレーション研究により、各アクチュエータ割り当てモジュールを拡張した提案の適応燃焼制御器の性能を評価する。