First experimental demonstration of plasma shape control in a tokamak through Model Predictive Control

📄 arXiv: 2506.20096v1 📥 PDF

作者: Adriano Mele, Maria A. Topalova, Cristian Galperti, Stefano Coda, TCV team, Eurofusion Tokamak Exploitation Team

分类: physics.plasm-ph, eess.SY

发布日期: 2025-06-25

备注: 6 pages, accepted for CCTA2025

💡 一句话要点

提出基于模型预测控制的等离子体形状控制方法

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 模型预测控制 等离子体形状控制 托卡马克 核聚变 实时控制

📋 核心要点

  1. 现有的等离子体控制方法在动态响应和形状优化方面存在不足，难以满足复杂的约束条件。
  2. 论文提出的模型预测控制器通过优化参考信号，结合线性化模型与状态空间描述，实现了对等离子体形状的精确控制。
  3. 实验结果表明，该控制器在实际托卡马克中有效地实现了等离子体形状控制，展示了其在实时应用中的潜力。

📝 摘要（中文）

本研究提出了一种模型预测控制器（MPC），用于控制托卡马克（TCV）中的等离子体形状。该控制器依赖于通过线性化等离子体响应模型与核心磁控系统的状态空间描述相结合而获得的模型。通过优化输入信号以实现期望的等离子体形状，同时满足输出约束，研究者们在实时中解决了适当的二次规划问题。通过模拟和实验结果，验证了该控制器的有效性。这是首次在真实托卡马克上实验测试基于MPC的等离子体形状控制解决方案。

🔬 方法详解

问题定义：本论文旨在解决托卡马克中等离子体形状控制的挑战，现有方法在动态响应和约束处理上存在局限性，难以实现高效的形状控制。

核心思路：提出的模型预测控制器（MPC）通过实时优化参考信号，结合线性化的等离子体响应模型与核心磁控系统的状态空间描述，旨在实现对等离子体形状的精确控制。

技术框架：整体架构包括模型建立、信号优化和实时控制三个主要模块。首先，建立等离子体响应模型；其次，利用二次规划问题优化控制信号；最后，实时应用于托卡马克系统中。

关键创新：本研究的主要创新在于首次在真实托卡马克中实验验证了基于MPC的等离子体形状控制方法，填补了这一领域的空白。

关键设计：在设计中，采用了适当的二次规划问题来优化控制信号，确保在满足约束条件的同时实现期望的等离子体形状。

📊 实验亮点

实验结果显示，所提出的模型预测控制器在等离子体形状控制中表现出色，成功实现了预期形状的控制，且在动态响应方面较传统方法有显著提升，具体性能数据尚未披露。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括核聚变研究和等离子体物理，能够为未来的核聚变反应堆设计提供重要的控制策略。其实际价值在于提升等离子体的稳定性和可控性，推动核能的可持续发展。

📄 摘要（原文）

In this work, a Model Predictive Controller (MPC) is proposed to control the plasma shape in the Tokamak à Configuration Variable (TCV). The proposed controller relies on models obtained by coupling linearized plasma response models, derived from the \texttt{fge} code of the Matlab EQuilibrium toolbox (MEQ) suite, with a state-space description of the core TCV magnetic control system. It optimizes the reference signals fed to this inner control loop in order to achieve the desired plasma shape while also enforcing constraints on the plant outputs. To this end, a suitable Quadratic Programming (QP) problem is formulated and solved in real-time. The effectiveness of the proposed controller is illustrated through a combination of simulations and experimental results. To the best of our knowledge, this is the first time that a plasma shape control solution based on MPC has been experimentally tested on a real tokamak.