Revisión sobre fusión nuclear y diseño del sistema de control de posición de FILD mediante PID y GPC

Abstract

Debido a la actual demanda energética, nos vemos en la necesidad de utilizar fuentes de energía poco limpias (en el caso de combustibles fósiles) que son sensibles a cambios en las ondiciones ambientales (en el caso de las renovables). Para solventar el problema se ha acudido a la fusión nuclear, la cual es capaz de generar enormes cantidades de energía con un costo en combustible ínfimo, siendo insensible a cambios atmosféricos y generando productos que, aunque radiactivos, se vuelven seguros en periodos de tiempo muy cortos. Los reactores utilizados para dichos procesos nucleares son del tipo Tokamak y del tipo Stellarator. El panorama actual, en cuanto a fusión nuclear, se basa en mantener una reacción estable para la generación continua de electricidad. Para ello, uno de los campos abiertos de investigación se centra en el estudio de las pérdidas de iones rápidos. Para medir dichas pérdidas se utiliza un diagnóstico denominado FILD ,, por sus siglas en inglés Fast –Ion. Loss Detector. Un avance en su estudio ayudaría a comprender dichas pérdidas y en la medida de lo posible evitarlas o incluso controlarlas. En el Tokamak ASDEX Up grade del Instituto Max Planck se encuentran instalados dos tipos de FILD , uno dirigido con un actuador mecánico y otro dirigido magnéticamente. La diferencia entre ambos se basa en el mecanismo que los inserta dentro del reactor. Mientras que el primero se basa en el movimiento de un tornillo sin fin, el segundo se basa el giro producido en una bobina. El diseño de control se realizará al mecanismo dirigido magnéticamente. El objetivo principal de este trabajo es la comprensión y diseño de un controlador que inserte el FILD lo más rápido posible y lo inmunice ante perturbaciones y ruidos de instrumentación. Se barajarán dos tipos de controladores, un PID (Proportional - Integral -Derivative) y un GPC (Generalized Predictive Control). El primero es el más clásico en la ingeniería y el más simple, su diseño se realizará mediante métodos frecuenciales y posteriormente se ampliará añadiéndole un controlador anticipativo para la absorción de perturbaciones. El segundo es un control predictivo basado en modelo que integra el control anticipativo de una forma más natural. El GPC consigue integrar mediante una función de coste el tipo de control que queremos y que tenga en cuenta desde la agresividad del control, hasta otros parámetros, como los esfuerzos realizados en los cojinetes del mecanismo. También es posible incluir restricciones al controlador para que nunca sobrepase un rango en la referencia y, por tanto, no sobreoscile. Para la absorción del ruido se pretende diseñar un filtro de Kalman el cual consiga rechazar todo lo posible el ruido generado por la instrumentación y los posibles errores de modelado. Dicho filtro será colocado a la entrada de cualquiera de los controladores para suministrar una versión filtrada de las variables de control. Este trabajo concluirá con un resumen y análisis de ventajas e Inconvenientes de cada controlador y los estudios futuros a realizar en el diseño de control de FILD y las posibles mejoras y modificaciones que se pretenden realizar.

Due to the current energy demand, we are in the need of us ing less clean energy sources (in the case of fossil fuels ) or are sensitive to environmental changes (in the case of newables). Nuclear fusion, which is capable to generat e huge amounts of energy with a tiny fuel cost, be ing insensitive to atmospheric changes and generating products that, although radioactive, become safe in very shorts periods , is a promissing alternative to solve this problem . The reactors used for this nuclear process are the Tokamak type and the Stellarator type. The current scenario, in terms of nuclear fusion, is based on sustaining a stable reaction for the continuous electricity generation. For this, one of .the open fields for research focuses on the study of fast ion losses detector or FILD by its acronym. An advance in its study would help to understand these losses and as far as possible avoid or even control them. In the ASDEX Upgrade tokamak two types of FILDs are installed , one mechanical and other magnetically driven. The difference between both is based on the mechanism that inserts them inside .the reactor chamber. While the first one is based on the movement of a worm, the second one is based on the rotation induced by a coil. The control system of the magnetically driven FILD will be the sco pe of this work. The main objective of this work is the understanding and design of a controller that inserts the FILD as fast as possible and immunizes it against disturbances and instrumentation noise. Two types of controllers are considered, a Proportional -Integral -Derivative (PID) and a Generalized Predictive Control (GPC) . The first one is the most classic in engineering and the simplest, its design will be done by frequency methods and later it will be expanded by adding a feedforward controller to ab sorbdisturbances. The second one is a predictive control based on a model that integrates the feedforward controller in a more naturally way. The GPC manages to integrate through a cost function the way that we want to perform the control and takes into a ccount its aggressiveness and other parameters such as the forces in the mechanism. It is also possible to include restrictions on the controller so that the response never exceeds a range in the reference and, therefore, is not overdamped For the absorpti on of noise, it is intended to design a Kalman filter, which will reject as much as possible the noise generated by the instrumentation and possible modelling errors. The filter will be placed at the entrance of any of the controllers to supply a filtered version of the control variables. This work will conclude with a summary,analysis of advantages and disadvantages of each controller and future studies to be carried out in the design of FILD control along with the possible improvements and modifications that are intended to be made.