Setembro 2004 Abstract T his poster presents an approach to the problem of controlling the vertical displacement of the plasma in the ETE tokamak based.

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1 Setembro 2004 Abstract T his poster presents an approach to the problem of controlling the vertical displacement of the plasma in the ETE tokamak based on Artificial Neural Networks ( ANN ). ETE is a low aspect ratio tokamak that should operate with highly elongated plasmas, which are unstable to vertical displacements. To control the vertical position of the plasma, an intelligent controller is under development based on an ANN of the feed-forward type that uses multiple layer perceptrons trained with an error back-propagation algorithm. There are several ways available to implement a neural controller. The ETE tokamak controller will use hybrid architecture of the feedback-error-learning type ( FEL ), composed of the neural part and a classic part. The classic part (Proportional Integral Derivative – PID ) of the controller supplies the initial solution (starting point) so that the neural part can identify the problem and gradually substitute the classic one in the dynamic nonlinear control of the plasma equilibrium. To test this hybrid controller, a simple magnetic levitation (MagLev) system was constructed that in certain aspects is analogous to the tokamak plasma vertical equilibrium system. In the MagLev it is possible to implement the nonlinear control of the vertical position of a metallic sphere, both using a classic controller ( PID ) and a hybrid controller ( PID+FEL ). The controller to be installed in ETE will be implemented on a neural hardware. This intelligent controller running on neural hardware should be capable to act in a few microseconds time interval, allowing real time control of the vertical displacement of the plasma. * Levitador Magnético (MagLev) A dinâmica do MagLev, neste caso foi utilizada para testar o controlador neural. O MagLev funciona realizando o equilíbrio de uma esfera metálica a distâncias de aproximadamente 20 mm do eletroímã. Características de não-linearidade do levitador magnético possibilitaram um estudo detalhado da instabilidade do sistema com a finalidade de projetar e construir os sistemas de controle: clássico, baseado em controladores realimentados, e neurais, baseados em controladores do tipo Feedback-Error-Learning (FEL). Esfera Metálica Levitando no MagLev Estudo de um Controlador Neural para o Experimento de Fusão Termonuclear Controlada TOKAMAK ETE Requerimentos para o Controle do ETE Atuar no deslocamento vertical do plasma, para evitar o fim prematuro da descarga no ETE Atuar no deslocamento vertical do plasma, para evitar o fim prematuro da descarga no ETE Adaptar-se facilmente a novos parâmetros do plasma, para permitir ao ETE investigar plasmas com formatos mais alongados Adaptar-se facilmente a novos parâmetros do plasma, para permitir ao ETE investigar plasmas com formatos mais alongados Ser suficientemente rápido, para atuar várias vezes na instabilidade vertical do plasma no ETE Ser suficientemente rápido, para atuar várias vezes na instabilidade vertical do plasma no ETE Os principais parâmetros de controle para o equilíbrio do plasma no ETE são : Período do controlador <60  s Período do controlador <60  s Desvio vertical máximo de  5mm Desvio vertical máximo de  5mm Luis Filipe Wiltgen Barbosa 1 , Cairo L. Nascimento Jr. 2 e Gerson Otto Ludwig 1 1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE – LAP 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – EEC Luis Filipe Wiltgen Barbosa 1 , Cairo L. Nascimento Jr. 2 e Gerson Otto Ludwig 1 1 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE – LAP 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – EEC wiltgen@plasma.inpe.br, cairo@ita.br e ludwig@plasma.inpe.br Conclusão A utilização do controlador neural do tipo FEL se mostrou interessante devido a possibilidade de utilizar uma estrutura híbrida como controlador. Esta solução pode ser adotada inclusive em outras plantas de controle na indústria. Conforme os resultados experimentais, observa-se que a partir da distância de 17 mm do eletroímã, o erro do controlador FEL MLP é ~37% menor que o erro do controlador realimentado (CR). Estes resultados promissores obtidos nas simulações realizadas com os controladores neurais do tipo FEL, mostraram a necessidade de investigar outras arquiteturas de RNAs. Visto que os dados obtidos nesta pesquisa ainda podem ser otimizados e melhorados, ajustando os parâmetros da RNA, e também, com a utilização conjunta de outros controladores neurais na estrutura do FEL. Algoritmo Error Back-Propagation Tipo RNA– Linear (SLP) e Não-Linear (MLP) Controlador Neural Controlador Realimentado Controlador Analógico Tipo Avanço de Fase Lead + Componente Integral Controlador Feedback-Error-Learning (FEL) Teste do Controlador Neural no Levitador Magnético Resultados das Simulações do Controlador Neural no MagLev Plasma no Tokamak ETE T okamaks são dispositivos experimentais que produzem e confinam magneticamente o plasma no formato toroidal. Estes podem vir a ser a base das futuras instalações de geração de energia elétrica utilizando a fusão termonuclear controlada. A complexidade deste sistema de controle neste tipo de experimento se deve as características dinâmicas não- lineares do plasma, o que torna necessária a utilização de um sistema de controle não-linear que deve ser capaz de atuar em eventos muito rápidos, como o deslocamento vertical (>250us), e ainda, deve ser capaz de se adaptar as variações dos parâmetros do plasma no tokamak ETE. Deslocamento do Plasma (mm) Campo Magnético (mT) Corrente de Plasma (kA) Disparo ETE-3516 Tempo (ms) Posição do Plasma em Tokamaks Toroidal Vertical Ôhmico Configuração Magnética do Tokamak ETE Equilibrium Region VV Desvio Vertical Região de Equilíbrio do Plasma Borda do plasma Eixo magnético DISPARO ETE- 1481 O Experimento Tokamak Esférico (ETE) é uma máquina brasileira de pequeno porte, destinada ao estudo da engenharia de fusão e do plasma em máquinas de pequena razão de aspecto (esféricas) que podem proporcionar a construção de reatores compactos e de baixo custo. Sensores Controlador Neural Sistema Dinâmico O campo magnético necessário para o equilíbrio do plasma depende da magnitude da corrente de plasma, que por sua vez depende dos parâmetros de indutância interna do plasma, que está relacionada diretamente com a corrente de plasma. Uma complicação adicional decorre do fato de que os parâmetros do plasma, incluindo a própria corrente de plasma, não são estáticos. A evolução do plasma em um tokamak gera uma variação temporal dos parâmetros do plasma, o qual demanda um ajuste dinâmico e contínuo do campo magnético necessário para o equilíbrio do plasma.