This paper shows that semi-empirical data-driven models based on a two-time-scale approximation for the magnetic and kinetic control of advanced tokamak (AT) scenarios can be advantageously identified from simulated rather than real data, and used for control design. The method is applied to the combined control of the safety factor profile, q(x), and normalized pressure parameter, βN, using DIII-D parameters and actuators (on-axis co-current neutral beam injection (NBI) power, off-axis co-current NBI power, electron cyclotron current drive power, and ohmic coil). The approximate plasma response model was identified from simulated open-loop data obtained using a rapidly converging plasma transport code, METIS, which includes an MHD equilibrium and current diffusion solver, and combines plasma transport nonlinearity with 0D scaling laws and 1.5D ordinary differential equations. The paper discusses the results of closed-loop METIS simulations, using the near-optimal ARTAEMIS control algorithm (Moreau D et al 2013 Nucl. Fusion53 063020) for steady state AT operation. With feedforward plus feedback control, the steady state target q-profile and βN are satisfactorily tracked with a time scale of about 10 s, despite large disturbances applied to the feedforward powers and plasma parameters. The robustness of the control algorithm with respect to disturbances of the H&CD actuators and of plasma parameters such as the H-factor, plasma density and effective charge, is also shown.
本論文は、先進トカマク（AT）シナリオの磁気・運動量制御のための二時間スケール近似に基づく半経験的データ駆動モデルが、実データではなくシミュレーションデータから有利に同定され、制御設計に使用できることを示す。本手法は、DIII-Dのパラメータとアクチュエータ（オン軸同方向中性粒子ビーム入射（NBI）パワー、オフ軸同方向NBIパワー、電子サイクロトロン電流駆動パワー、オーミックコイル）を用いて、安全係数プロファイルq(x)と規格化圧力パラメータβNの統合制御に適用される。近似プラズマ応答モデルは、MHD平衡および電流拡散ソルバを含み、プラズマ輸送の非線形性を0Dスケーリング則および1.5D常微分方程式と組み合わせた、高速収束プラズマ輸送コードMETISを用いて得られたシミュレーション開ループデータから同定された。本論文は、定常AT運転のための準最適ARTAEMIS制御アルゴリズム（Moreau D et al 2013 Nucl. Fusion53 063020）を用いた閉ループMETISシミュレーションの結果を論じる。フィードフォワードおよびフィードバック制御により、フィードフォワードパワーおよびプラズマパラメータに大きな外乱が加えられたにもかかわらず、定常状態の目標qプロファイルおよびβNは約10秒の時間スケールで良好に追従される。また、H&CDアクチュエータおよびH因子、プラズマ密度、実効電荷などのプラズマパラメータの外乱に対する制御アルゴリズムのロバスト性も示される。