The ITER tokamak, the next experimental step toward the development of nuclear fusion reactors, will explore the burning plasma regime in which the plasma temperature is sustained mostly by fusion heating. Regulation of the fusion power through modulation of fueling and external heating sources, referred to as burn control, is one of the fundamental problems in burning plasma research. Active control will be essential for achieving and maintaining desired operating points, responding to changing power demands, and ensuring stable operation. Most existing burn control efforts use either non-model-based control techniques or designs based on linearized models. These approaches must be designed for particular operating points and break down for large perturbations. In this work, we utilize a spatially averaged (zero-dimensional) nonlinear model to synthesize a multi-variable nonlinear burn control strategy that can reject large perturbations and move between operating points. The controller uses all of the available actuation techniques in tandem to ensure good performance, even if one or more of the actuators saturate. Adaptive parameter estimation is used to improve the model parameter estimates used by the feedback controller in real-time and ensure asymptotic tracking of the desired operating point. In addition, we propose the use of a model-based online optimization algorithm to drive the system to a state that minimizes a given cost function, while respecting input and state constraints. A zero-dimensional simulation study is presented to show the performance of the adaptive control scheme and the optimization scheme with a cost function weighting the fusion power and temperature tracking errors.
ITERトカマクは、核融合炉の開発に向けた次の実験段階であり、プラズマ温度が主に核融合加熱によって維持される燃焼プラズマ領域を探求する。燃料供給と外部加熱源の変調による核融合出力の制御は、バーン制御と呼ばれ、燃焼プラズマ研究における基本的な問題の一つである。アクティブ制御は、目標動作点を達成・維持し、変化する出力要求に対応し、安定性を確保するために不可欠である。既存のバーン制御の取り組みのほとんどは、モデルベースでない制御手法か、線形化モデルに基づく設計のいずれかを用いている。これらの手法は特定の動作点向けに設計される必要があり、大きな摂動に対しては機能しなくなる。本研究では、空間平均化された（ゼロ次元）非線形モデルを用いて、大きな摂動を排除し、動作点間を移動できる多変数非線形バーン制御戦略を合成する。この制御器は、利用可能なすべての作動手段を併用して、一つ以上のアクチュエータが飽和しても良好な性能を確保する。適応パラメータ推定を用いて、フィードバック制御器が使用するモデルパラメータ推定値をリアルタイムで改善し、目標動作点への漸近追従を保証する。さらに、モデルベースのオンライン最適化アルゴリズムを用いて、入力制約と状態制約を尊重しながら、与えられたコスト関数を最小化する状態へシステムを駆動することを提案する。核融合出力と温度の追従誤差を重み付けするコスト関数を用いた適応制御方式と最適化方式の性能を示すため、ゼロ次元シミュレーション研究を提示する。