DIII-D experimental results are reported to demonstrate the potential of physics-model-based safety factor profile control for robust and reproducible sustainment of advanced scenarios. In the absence of feedback control, variability in wall conditions and plasma impurities, as well as drifts due to external disturbances, can limit the reproducibility of discharges with simple pre-programmed scenario trajectories. The control architecture utilized is a feedforward + feedback scheme where the feedforward commands are computed off-line and the feedback commands are computed on-line. In this work, a first-principles-driven (FPD), physics-based model of the q profile and normalized beta () dynamics is first embedded into a numerical optimization algorithm to design feedforward actuator trajectories that steer the plasma through the tokamak operating space to reach a desired stationary target state that is characterized by the achieved q profile and . Good agreement between experimental results and simulations demonstrates the accuracy of the models employed for physics-model-based control design. Second, a feedback algorithm for q profile control is designed following an FPD approach, and the ability of the controller to achieve and maintain a target q profile evolution is tested in DIII-D high confinement (H-mode) experiments. The controller is shown to be able to effectively control the q profile when is relatively close to the target, indicating the need for integrated q profile and control to further enhance the ability to achieve robust scenario execution. The ability of an integrated q profile + feedback controller to track a desired target is demonstrated through simulation.
DIII-D実験結果は、先進シナリオの堅牢かつ再現可能な維持のための、物理モデルに基づく安全係数プロファイル制御の可能性を実証するために報告される。フィードバック制御がない場合、壁条件の変動やプラズマ不純物、さらには外部擾乱によるドリフトが、単純なプリプログラムされたシナリオ軌道を用いた放電の再現性を制限し得る。利用される制御アーキテクチャは、フィードフォワード＋フィードバック方式であり、フィードフォワード指令はオフラインで計算され、フィードバック指令はオンラインで計算される。本研究では、第一原理駆動（FPD）の物理モデルに基づくqプロファイルおよび規格化ベータ（ ）動力学が、まず数値最適化アルゴリズムに組み込まれ、所望の定常目標状態に到達するためにトカマク運転空間を通じてプラズマを導くフィードフォワード作動指令を設計する。ここで、目標状態は達成されたqプロファイルおよび によって特徴づけられる。実験結果とシミュレーションの良好な一致は、物理モデルに基づく制御設計に用いられるモデルの精度を実証している。次に、FPDアプローチに従ってqプロファイル制御のためのフィードバックアルゴリズムが設計され、目標とするqプロファイル時間発展を達成・維持する制御器の能力がDIII-D高閉じ込め（Hモード）実験において試験される。制御器は、 が目標値に比較的近い場合にqプロファイルを効果的に制御できることが示され、堅牢なシナリオ実行を達成する能力をさらに向上させるためには、qプロファイルと の統合制御が必要であることが示唆される。統合されたqプロファイル＋ フィードバック制御器が所望の目標を追跡する能力は、シミュレーションを通じて実証される。