ИСТИНА

ОСНОВНОЙ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМОЙ, на решение которой направлен проект, является развитие цифровых методов и систем диагностики, идентификации и магнитного управления высокотемпературной плазмой в токамаках. В рамках выбранного направления предлагается решение ряда прикладных задач магнитного управления плазмой для действующего сферического токамака Глобус-М2 (УНУ Глобус-М, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, РФ, г. С-Петербург). АППАРАТУРНОЙ ОСНОВОЙ ПРОЕКТА является разработка и создание оригинальной цифровой имитационной платформы реального времени на высокотехнологичных промышленных компьютерах типа Speedgoat Performance под операционной системой SimulinkRT со следующими характеристиками: CPUCorei7 3500-3PCI/4PCIe, SSD250GB, диапазоны напряжений ±10V, ±5V, ±2.5V, 0-5V и 0-10V, временные задержки АЦП/ЦАП порядка 20 мкс. Платформа позволяет настраивать и совершенствовать в реальном времени системы с обратной связью для управления плазмой в токамаке с последующим внедрением в практику физического эксперимента. Для работы платформы требуется следующие модули компании MathWorks: MATLAB, Simulink, MATLAB Coder, Simulink Coder, Simulink Real-Time, Control System Toolbox, Simulink Control Design, Embedded Coder. На основании полученного задела по разработке систем управления плазмой в гранте РНФ № 17-19-01022 2017-2019 гг. предлагается внедрить и развить в реальном времени на имитационной платформе и в эксперименте следующие МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ, ИДЕНТИФИКАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ положением, током и формой плазмы: - нелинейные эволюционные модели плазмы; - линейные модели плазмы с переменными параметрами, построенные относительно восстановленного равновесия плазмы по измерениям вне плазмы; - алгоритмы восстановления плазмы методами итераций Пикара, подвижных филаментов и искусственных нейронных сетей; - модели исполнительных устройств: инверторов тока в автоколебательном режиме и многофазных тиристорных выпрямителей; - алгоритмы идентификации положения, тока и формы плазмы; - система управления с прогнозирующей моделью с адаптацией параметров к изменяющимся параметрам объекта управления; - робастная система с многомерными матричными ПИД-регуляторами, настраиваемыми посредством метода линейных матричных неравенств; - робастная система с развязкой каналов управления с последующей настройкой каналов управления посредством метода количественной теории обратной связи; - робастная и адаптивная системы с согласованием контуров управления положением и формой плазмы. СООТВЕТСТВИЕ ПРОЕКТА НАПРАВЛЕНИЮ ИЗ СТРАТЕГИИ НТР РФ: Н2 Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии. Токамаки (тороидальные камеры с магнитными катушками) являются в перспективе новыми практически неисчерпаемыми источниками энергии, на которых предполагается создание термоядерных электростанций для перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике. Современные токамаки имеют вытянутое по вертикали поперечное сечение для повышения давления плазмы, которое приводит к неустойчивости плазмы, что вызывает необходимость применения систем с обратной связью для ее подавления. Также системы управления необходимы для управления током, положением и формой плазмы, поэтому без этих систем токамаки не работоспособны и требуется их развитие в реальном времени, поскольку плазма является одним из самых сложных объектов управления в природе и технике. Методы диагностики, идентификации и магнитного управления высокотемпературной плазмой в реальном времени в токамаках относятся к термоядерным технологиям, которые необходимо осваивать и развивать для будущих термоядерных электростанций на основе токамаков.

The problem of the controlled thermonuclear fusion (CTF), researches on which have been begun in the beginning of 50th years of the last century, is one of central problems in science and engineering. The solution of this problem will open a new, safe, almost inexhaustible source of energy from the synthesis of nuclei of light elements, as well as eliminate carbon dioxide emissions into the atmosphere from the combustion of natural resources and stop climate change on the Earth in an unfavorable and dangerous direction for mankind. The most perspective direction of CTF is tokamaks with D-shaped cross-section, on the basis of which it is planned to create thermonuclear neutron sources, hybrid thermonuclear reactors and thermonuclear power reactors. Heating and holding plasma in tokamaks to provide a self-sustaining thermonuclear reaction provide magnetic and kinetic plasma control systems with feedback. The existing industrial solutions for tokamak process systems could already provide the stationary operation required for the future thermonuclear reactor. But plasma in the magnetic field of tokamak chamber represents extremely difficult for diagnostics and control a nonstationary nonlinear dynamic object with distributed parameters, with structural and parametric uncertainties, subject to the influence of fast running processes of uncontrolled disturbances in the presence of broadband noises. That's why one of the main tasks of CTF has not been solved yet - prolonged holding of high-temperature plasma in tokamaks with set parameters and prevention of plasma cord breakages. Europe is a leader in solving the CTF problem. At the European tokamaks, in particular, JET (large radius R=3 m, England), ASDEX Upgrade (R=1.65 m, Germany), TCV (R=0.88 m, Switzerland), the experimental researches of high-temperature plasma are intensively conducted, new plasma control systems are developed, applied and investigated. In Europe, the first ITER thermonuclear reactor with R=6.2 m is under construction in Cadarache (France), where the assembly of the reactor itself has already started, and the first two DEMO thermonuclear power plants are being designed: a conventional tokamak with a vertical cross section with a relatively large aspect ratio of about 3 and R in the range of 8-9 m, as well as a spherical tokamak with R=2 m, a modular type. ACTUALITY. In this situation the urgency of continuing the development and research of magnetic plasma control systems in tokamaks only increases. It is explained first of all by the fact that the systems of magnetic plasma control have not yet reached a proper level of reliability and survivability for their application in thermonuclear reactors, where increased reliability of systems operation in conditions of presence of thermonuclear reaction in the plasma of reactors is required. It is especially important for round-the-clock operation of thermonuclear power plants. Moreover, modern experiments on tokamaks require more and more advanced plasma control systems, which would allow a deeper and more accurate study of plasma processes during the generated discharges, and could also guarantee not only minor disruptions, but also major disruptions, so that they do not lead to emergency situations and destruction of thermonuclear power plants. SCIENTIFIC NOVELTY. Further development of the systems of plasma magnetic control in the stated project in the continuation of the achievements in the grant RSF № 17-19-01022 2017-2019 will be carried out in real time with their high scientific novelty. The novelty will be provided primarily by the originality of the imitation computer platform created in real time. Structure and ideology of the platform: two industrial computers with feedback "plant model (PM)-control device (CD)" will simulate the "digital twin" of the digital plasma control system in the Globus-M2 tokamak, simulating the CD switching from the internal PM to the external PM and back when developing and configuring plasma control systems in real time. The third industrial computer will be connected directly to the Globus-M2 tokamak and will play the role of CD. The CD will have an internal model of the controlled plant, as well as on the digital twin, from which it will be provided to switch the CD to the tokamak and back during the adjustment of plasma control systems. Installation of new plasma control algorithms obtained on the digital twin of the control system to the digital tokamak CD will be practiced over the Internet. An application for a patent of the Russian Federation is being made for this digital imitation platform. The platform will allow setting up plasma control systems with an algorithm for plasma equilibrium reconstruction in real time, the Russian Federation patent for invention No. 2702137 was obtained in 2019 for the method of modeling such setting. The third computer will allow replacing all analog controllers in the control loops of plasma position and currents in the coils of the central solenoid and poloidal field with digital controllers (8 controllers) on the Globus-M2 tokamak itself, and will also allow applying the plasma shape control system with feedback in the experiment. Digitalization of the whole system of magnetic plasma control on the tokamak through the third platform computer will allow to set and solve a new task of optimization of joint coordinated operation of all plasma control circuits in real time. As it follows from the surveys on the systems of magnetic plasma control in tokamaks ("Control Sciences", 2018, № 1, 2, 2019, № 3, 4), such a task was not set and was not solved by anyone. The solution of this problem is necessary for an optimal integration of the system of magnetic plasma control with the system of kinetic control of plasma parameters profiles (current density, safety factor q, density, temperature, pressure) in the long term. Novelty of the plasma control systems will be provided by the fact that the control systems will be developed in the class of digital hierarchical control systems for multi-linked dynamic plants with time varying parameters. This scientific direction allows to obtain various practically unlimited combinations of different control and identification algorithms at different hierarchical levels. The main directions in development of hierarchical plasma control systems will be - identification (building models based on experimental data of observation of inputs and outputs of the controlled plant), - robust control, - adaptation, - elements of artificial intelligence. In the control directions it is supposed to develop: control systems with a predictive model with adaptation of parameters to changing parameters of the controlled plant; robust systems with multivariable PID controllers adjusted by means of Linear Matrix Inequalities; decoupling of control channels with subsequent adjustment of control channels by means of the method of Quantitative Feedback Theory; robust and adaptive systems with coordination of control loops of position and shape of plasma; method of neural networks for reconstruction of plasma equilibrium. At the same time, the development and application of new linear and non-linear plasma models will be continued. Linear models are designed for synthesis of linear magnetic plasma control systems without taking into account slow plasma processes related to the transfer of matter and energy. Non-linear models take into account the transfer processes and are aimed at future development and implementation of kinetic plasma control systems. Novelty of plasma control systems development directions of our team is confirmed by three reports at the IFAC World Congress in 2020. (IFAC WC 2020: https://www.ifac2020.org/), which was held remotely in Berlin (Germany). INTRODUCTION INTO PRACTICE OF PHYSICAL EXPERIMENTS. The digital simulation platform will provide an opportunity for the first time to implement the developed new plasma control systems in real time in the physical experiment of the operating Globus-M2 spherical tokamak. Solution of off-line identification tasks will be carried out on the existing Globus-M2 tokamak equipment, which is planned in the project for successful guaranteed application of new plasma control systems in the experiment. Approbation of new plasma control systems in the experiments of the Globus-M2 tokamak can interest groups of operating tokamaks for application of control systems developed in the project in their experiments and also in ITER.

Ожидается получение результатов магнитного цифрового управления плазмой в токамаке Глобус-М2 на платформе реального времени, доработка и сравнение систем магнитного управления в дискретном времени, а также внедрение их в эксперимент по годам: 2021 • Создание имитационной цифровой платформы на двух компьютерах Speedgoat Performance под операционной системой SimulinkRT. • Освоение цифровой платформы и ее математического обеспечения. • Внедрение на платформе линейных моделей плазмы и контуров управления положением и токами в обмотках полоидального поля, действующие на токамаке Глобус-М2. • Внедрение моделей исполнительных устройств: инверторов тока в автоколебательном режиме и многофазных тиристорных выпрямителей. • Внедрение алгоритмов восстановления равновесия плазмы. • Решение задачи идентификации тока и формы плазмы с учетом работы алгоритмов восстановления равновесия плазмы. • Внедрение итерационной настройки регуляторов положения плазмы и токами в обмотках полоидального поля. • Синтез и внедрение робастной системы управления формой плазмы методом Hinf оптимизации. • Внедрение робастной системы с согласованием контуров управления положением и формой плазмы. • Освоение переключения регулятора тока и формы плазмы с внутренней модели на внешнюю модель на диверторной фазе разряда. • Выработка требований к 3-му компьютеру Speedgoat Performance для установки на токамак Глобус-М2 по количеству каналов и быстродействию после внедрения всех предыдущих перечисленных алгоритмов и систем на платформу. 2022 • Закупка 3-го компьютера Speedgoat Performance у швейцарской компании Speedgoat (https://www.speedgoat.com/) по спецификации, выработанной в 2021 году на связке двух компьютеров с обратной связью. • Внедрение на платформу остальных разработанных систем управления плазмой: ‒ система управления с прогнозирующей моделью; ‒ робастная система с многомерными матричными ПИД-регуляторами, настраиваемыми посредством метода линейных матричных неравенств; ‒ добавление робастного контура управления по выходным сигналам с магнитных петель для повышения запаса робастной устойчивости и робастного качества управления; ‒ робастная система с развязкой каналов управления с последующей настройкой каналов управления посредством метода количественной теории обратной связи; ‒ робастная система с двойной развязкой каналов управления: RGA-Hinfinity. 2023 • Освоение 3-го компьютера Speedgoat Performance с внутренней моделью объекта управления и системами управления током и формой плазмы. • Отработка установки на 3-й компьютер алгоритмов управления по интернету (дистанционное управление) со связки на платформе двух компьютеров «модель объекта – устройство управления». • Отработка систем управления плазмой на лимитерной фазе разряда. • Отработка систем управления на всем разряде: на лимитерной и диверторной фазах, включая переключение системы управления с лимитерной на диверторную фазу. 2024 • Подключение 3-го компьютера Speedgoat Performance токамаку Глобус-М2. • Применение алгоритмов восстановления равновесия плазмы в реальном времени в эксперименте. • Применение идентификации по экспериментальным данным тока плазмы и ее формы с целью получения моделей объекта управления для настройки систем управления по идентифицированным моделям. • Применение систем управления положением, током и формой плазмы на токамаке в реальном времени на лимитерной и диверторной фазах разрядов с получением новых экспериментальных научных результатов с учетом моделей идентификации.

По тематике управления плазмой в магнитном поле токамаков научным коллективом выполнен один грант РНФ и ряд грантов РФФИ: грант РНФ № 17-19-01022, 2017-2019 гг. исследовательские гранты РФФИ № 14-08-00380, 2014-2016; № 17-08-00293, 2017-2019; № 19-31-90136, 2019-2020 гг.; издательские гранты РФФИ на монографии № 15-08-07004, 2015 г; № 20-18-00011, 2020 г. В результате решения научных задач в данных грантах по совместной реализации проектов коллективом создан научный задел, который представляет собой разработанные: - плазма-физические коды, - методы и алгоритмы восстановления равновесия плазмы по измерениям вне плазмы, - методы и системы управления плазмой, - методы оценки достижимости и управляемости положением и формой плазмы. Все коды, методы, алгоритмы, системы, оценки были исследованы в программно-вычислительной среде MATLAB/Simlink посредством ряда разработанных Simulink-схем и программ, написанных на языке Python. По результатам этой обширной работы изданы две монографии в издательской группе URSS, написан ряд статей в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых журналах: Автоматика и телемеханика, Проблемы управления, Мехатроника, автоматизация и управление, Вопросы атомной науки и техники, Серия: Термоядерный синтез, Fusion Engineering and Design (Q1), Control Engineering Practice (Q1), Automation and Remote Control (Q2), Physics of Atomic Nuclei (Q3), Advances in Systems Science and Applications (Q3). Получен патент на изобретение № 2702137, 2019 г. Результаты проведенной работы доложены и опубликованы в трудах отечественных и зарубежных конференций, наиболее значимые из которых являются IFAC WC 2017, г. Милан, Италия; 2020, г. Берлин, Германия; CDC 2017, г. Мельбурн, Австралия; EPS 2014, г. Берлин, Германия; 2018, г. Прага, Чехия, 2019, г. Милан, Италия; STAB 2016, 2018, 2020, г. Москва, Россия; ВСПУ 2019, г. Москва, Россия.

Ожидается получение результатов магнитного цифрового управления плазмой в токамаке Глобус-М2 на платформе реального времени, доработка и сравнение систем магнитного управления в дискретном времени, а также внедрение их в эксперимент: • Создание имитационной платформы для моделирования систем управления плазмой с обратной связью в реальном времени на высокотехнологичных промышленных компьютерах типа Speedgoat под операционной системой SimulinkRT. • Освоение имитационной платформы реального времени с преобразованием разработанных Simulink-схем систем управления в С-код для работы в реальном времени. • Внедрение на имитационной платформе ранее разработанных иерархических систем магнитного управления током и формой плазмы для токамака Глобус-М2: o Система с согласованием контуров управления положением плазмы и ее формой; o Системы с кодами восстановления равновесия плазмы в обратной связи: итерациями Пикара, подвижными филаментами, нейронной сетью; o Система с двойной развязкой каналов управления: RGA и H∞-оптимизацией структуры с матрицей в обратной связи; o Система с каналом стабилизации с сигналами с магнитных петель и каналами слежения с матричными ПИД-регуляторами; o Система с прогнозирующей моделью. • Внедрение систем магнитного управления плазмой в эксперимент и получение новых экспериментальных результатов при работе данных систем в эксперименте.