Vertical position control is essential for stabilizing plasma with elongated configurations. The EAST tokamak is equipped with a set of in-vessel control (IC) coils dedicated to this purpose. Currently, a PD controller with fixed parameters is used for the vertical position control of EAST plasma. However, the response of the plasma in the vertical position changes with changes in plasma configuration, which can result in different control parameter requirements. It is essential to develop a model-based fast-tuning control algorithm for ensuring stability in the vertical position under different configurations. In this study, a model-based vertical position controller tuning method based on a linear quadratic regulator algorithm (LQR) is proposed. Compared with contemporary PD controllers, the proposed model-based LQR controller can enable adjusting controller parameters based on the response of the system, achieving stable control under different vertical position responses. In the EAST experiment, the model-based LQR controller achieved stable control under a shot with a continuously increasing growth rate and reached a maximum controllable vertical displacement growth rate of 968 s−1. The robustness of the system was also demonstrated in a free drift experiment. The new vertical displacement control method can be adapted to different system states and plasma configurations and improve the controllability and safety of future devices.
垂直位置制御は、細長い配位を持つプラズマの安定化に不可欠である。EASTトカマクには、この目的に特化した一連の容器内制御(IC)コイルが装備されている。現在、EASTプラズマの垂直位置制御には、固定パラメータのPDコントローラが使用されている。しかしながら、プラズマの垂直位置応答はプラズマ配位の変化に伴って変化し、その結果、異なる制御パラメータ要件が生じ得る。異なる配位下での垂直位置の安定性を確保するためには、モデルベースの高速チューニング制御アルゴリズムの開発が不可欠である。本研究では、線形二次レギュレータアルゴリズム(LQR)に基づくモデルベースの垂直位置コントローラチューニング手法を提案する。従来のPDコントローラと比較して、提案するモデルベースLQRコントローラは、システムの応答に基づいてコントローラパラメータを調整することを可能にし、異なる垂直位置応答下での安定した制御を達成できる。EAST実験において、モデルベースLQRコントローラは、成長率が連続的に増加するショットにおいて安定した制御を達成し、最大制御可能な垂直変位成長率968 s−1に達した。システムのロバスト性は、自由ドリフト実験でも実証された。新しい垂直変位制御方法は、異なるシステム状態やプラズマ配位に適応でき、将来の装置の制御性と安全性を向上させることができる。