Design and commissioning of control algorithms for optimal ECRH power injection

This work focuses on the design of control algorithms for TCV's Electron Cyclotron Resonance Heating (ECRH) system. TCV is fusion reactor located at the Swiss Plasma Center (EPFL, Lausanne). The control system will be embedded in the ECRH assembly to improve microwave power absorption in TCV's plasma. ECRH technology exploits electron cyclotron resonance to elevate plasma temperature. The ECRH system uses various sets of mirrors to inject microwaves into the reactor vessel. Controlling these devices properly is the crucial to get most of the injected power to be absorbed. The control loops are expected to be reliable and robust, despite several issues concerning nonlinear effects and uncertainties affecting launchers and polarizers. Firstly, local controllers for polarizers and launchers will be designed, treating them as independent systems. The control synthesis will focus on determining the best technique to control each class of devices. Linear and nonlinear methods are proposed. Proportional-Integral-Derivative (PID) control is one of the most suitable linear controllers due to its versatility. Conversely, nonlinear controllers like Sliding Mode Control (SMC) are capable of compensating stronger disturbances and higher uncertainties of the system, allowing for a wider range of operations. The last part of the proposed work is a foundational study about the problem of synchronized control of launchers and polarizers. The optimal polarization angle, hence, the peak of microwave absorption in the plasma, is a function of launching angle. In TCV, the time-dependent sweet spot of absorption is computed and pursued by a tracking system to reach the optimal injection angle. However, a polarizer-launcher coupling strategy is still missing. In view of this target, this work focuses on the study of the model for microwave absorption in plasmas and on the correlation of polarization with both temperature and stray radiation. This can serve as a validation for the plasma-wave interaction models currently in use and yields an additional improvement for the ECRH system with the real-time control capabilities for polarizers.

Il lavoro riguarda lo sviluppo di algoritmi di controllo per il sistema di riscaldamento tramite risonanza elettronica ciclotronica (ECRH) di TCV. TCV è un reattore a fusione nucleare collocato presso lo Swiss Plasma Center (EPFL, Losanna). Il sistema di controllo sarà integrato nell'impianto ECRH per migliorare l'assorbimento delle microonde nel plasma di TCV. La tecnologia ECRH sfrutta la risonanza elettronica ciclotronica per aumentare la temperatura del plasma. Il sistema ECRH usa degli specchi per l'iniezione di microonde nel reattore e questo richiede un controllo preciso per massimizzare l'assorbimento della potenza iniettata. Si ritiene che gli anelli di controllo siano affidabili, nonostante i problemi legati agli effetti non lineari e alle varie incertezze che influenzano i lanciatori e i polarizzatori. In primis, saranno progettati controllori locali per polarizzatori e lanciatori, trattandoli indipendentemente. La sintesi del controllo mirerà a trovare la tecnica di controllo migliore per ogni classe di dispositivi. Vengono proposti sia controllori lineari, come il controllo Proporzionale-Integrale-Derivativo (PID) per la sua versatilità, sia non lineari come il controllo sliding mode (SMC) in grado di compensare disturbi più forti e incertezze più alte sul sistema, aumentando la gamma di operazioni possibili. L'ultima parte di questo lavoro è uno studio preliminare sulla strategia di controllo sincronizzato per lanciatori e polarizzatori. L'angolo di polarizzazione ottimo, quindi il picco di assorbimento delle microonde nel plasma, è funzione dell'angolo di lancio. In TCV un sistema di tracciamento calcola e insegue il punto massimo di assorbimento per trovare l’angolo di iniezione ottimo. Tuttavia, non esiste ancora una strategia di accoppiamento tra lanciatori e polarizzatori. A questo scopo, il lavoro punta a studiare il modello di assorbimento delle microonde nei plasmi e la correlazione della polarizzazione con temperatura e radiazioni parassite. Ciò può servire sia a validare i modelli attualmente in uso sia a fornire un miglioramento per l'iniezione di potenza ECRH grazie alle capacità di controllo in tempo reale dei polarizzatori.