Plasma Physics ReportsPlasma Physics ReportsФизика плазмы0367-29213034-6371The Russian Academy of Sciences66890110.31857/S0367292123600760APGEWXTOKAMAKSТОКАМАКИUnknownReal-Time Plasma Magnetic Control System with Equilibrium Reconstruction Algorithm in the Feedback for the Globus-M2 TokamakСИСТЕМА МАГНИТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЛАЗМОЙ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ С АЛГОРИТМОМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАВНОВЕСИЯ В ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ДЛЯ ТОКАМАКА ГЛОБУС-М2KonkovA. E.КоньковА. Е.konkov@physics.msu.ruKorenevP. S.КореневП. С.pkorenev@ipu.ruMitrishkinYu. V.МитришкинЮ. В.pkorenev@ipu.ruBalachenkovI. M.БалаченковИ. М.pkorenev@ipu.ruKiselevE. O.КиселевЕ. О.pkorenev@ipu.ruTrapeznikov Institute of Control Sciences, Russian Academy of SciencesИнститут проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наукMoscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваIoffe Institute, Russian Academy of SciencesФизико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук0112202349121348135627022025Copyright ©; 2023, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2023, Российская академия наук2023Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0367-2921/article/view/668901

To control the plasma shape during a tokamak discharge, it is necessary to calculate the plasmashape in real-time. The rate requirements for the shape calculations are especially high for tokamaks with asmall radius, such as Globus-M2 (St. Petersburg, Russia). A real-time magnetic plasma control system forthe Globus-M2 tokamak with flux and current distribution identification (FCDI) algorithm for the plasmaequilibrium reconstruction in feedback is presented. The control system contains discrete one-dimensionaland matrix proportional-integral-derivative controllers synthesized by the matrix inequality method usingthe plasma LPV model calculated on experimental data, and carries out the coordinated control of the plasmaposition and shape as well as the compensation for the scattered field of the central solenoid. The FCDI algorithmis improved for the operation in the real-time mode, and makes it possible to reconstruct the plasmashape in 20 μs. The digital control system with a feedback algorithm was simulated on a real-time test bench,consisting of two Speedgoat Performance Real-Time Target Machines (RTTM), and demonstrated the averageTask Execution Time (TET) value in 67 μs.

Для управления формой плазмы во время разряда в токамаке необходимо рассчитывать форму плазмы в реальном времени. Требования к скорости расчета формы особенно высоки для токамаков с небольшим радиусом, таких как Глобус-M2 (Санкт-Петербург, Россия). Представлена система магнитного управления плазмой реального времени для токамака Глобус-М2 с алгоритмом восстановления равновесия плазмы FCDI в обратной связи. Система управления содержит дискретные одномерные и матричные ПИД-регуляторы, синтезированные методом матричных неравенств на LPV‑модели плазмы, рассчитанной на экспериментальных данных, и осуществляет согласованное управление положением и формой плазмы, а также компенсацией рассеянного поля центрального соленоида. Алгоритм FCDI (Flux and Current Distribution Identification) был улучшен для работы в режиме реального времени, и позволяет восстанавливать форму плазмы за \(20\) мкс. Моделирование цифровой системы управления с алгоритмом в обратной связи было проведено на стенде реального времени, состоящего из двух целевых машин реального времени (ЦВРМ) Speedgoat Performance, и продемонстрировало среднее значение TET (Task Execution Time, время расчета за такт) в 67 мкс.

Ferron J., Walker M., Lao L., John H.S., Humphreys D., Leuer J. // Nuclear Fusion. 1998. T. 38. C. 1055. https://doi.org/10.1088/0029-5515/38/7/308Moret J.-M., Duval B., Le H., Coda S., Felici F., Reimerdes H. // Fusion Engineering and Design. 2015. T. 91. C. 1. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2014.09.019Huang Y., Xiao B., Luo Z., Yuan Q. // Fusion Engineering and Design. 2018. T. 128. C. 82. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2018.01.043Minaev V.B., Gusev V.K., Sakharov N.V., Varfolome-ev V.I. // Nuclear Fusion. 2017. T. 57. C. 066047. https://doi.org/10.1088/1741-4326/aa69e0Коренев П.С., Коньков А.Е., Митришкин Ю.В., Балаченков И.М., Киселев Е.О., Минаев В.Б., Сахо-ров Н.В., Петров Ю.В. // Письма ЖТФ. 2023. Т. 49. С. 36. https://doi.org/10.21883/PJTF.2023.07.54920.19468Mitrishkin Y.V., Korenev P.S., Kartsev N.M., Kuzne-tsov E.A., Prokhorov A.A., Patrov M.I. // Control Engineering Practice. 2019. T. 87. C. 97. https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2019.03.018Mitrishkin Y.V., Prokhorov A.A., Korenev P.S., Pat-rov M.I. // Control Engineering Practice. 2020. T. 100. C. 104446. https://doi.org/10.1016/j.conengpraс.2020.104446Konkov A.E., Mitrishkin Y.V., Korenev P.S., Patrov M.I. // IFACPapersOnLine. 2020. T. 53. C. 7344. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2020.12.1000Ariola M., Pironti A. Magnetic Control of Tokamak Plasmas. Springer International Publishing, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-29890-0Wesson J., Campbell D. Tokamaks. Clarendon Press, 2004. (International series of monographs on physics).Хайрутдинов Р.Р., Лукаш В.Э., Пустовитов В.Д. // Физика плазмы. 2021. Т. 47. С. 1007. https://doi.org/10.31857/s0367292121120039Пустовитов В.Д. // Физика плазмы. 2019. Т. 45. С. 1088. https://doi.org/10.1134 / s0367292119120072Swain D., Neilson G. // Nuclear Fusion. 1982. T. 22. C. 1015. https://doi.org/10.1088/0029-5515/22/8/002Kuznetsov Y., Nascimento I., Galvao R., Yasin I. // Nuclear Fusion. 1998. T. 38. C. 1829. https://doi.org/10.1088/0029-5515/38/12/308Forsythe G., Malcolm M.M.C. Computer methods for mathematical computations. USA, NJ: Englewood Cliffs, 1977.Mitrishkin Y.V., Korenev P.S., Konkov A.E., Kruzhkov V.I., Ovsiannikov N.E. // Mathematics. 2021. T. 10. C. 40. https://doi.org/10.3390/math10010040Boyd S., Hast M., Åström K.J. // Intern. J. Robust Nonlinear Control. 2016. T. 26. T. 1718. https://doi.org/10.1002/rnc.3376.11Mitrishkin Y., Korenev P., Konkov A., Kartsev N., Smir-nov I. // Fusion Engineering and Design. 2022. T. 174. C. 112993. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112993Konkov A.E., Mitrishkin Y.V. // IFAC-PapersOnLine. 2022. T. 55. C. 327. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2022.07.057Митришкин Ю., Коньков А., Коренев П. // Устойчивость и колебания нелинейных систем управления (конференция Пятницкого): Материалы XVI Международной конференции. 2022. С. 286.