Setembro 2004Setembro 2004

AbstractAbstractTThishis poster presents an approach to the problem of controlling the vertical displacement of the plasma in the poster presents an approach to the problem of controlling the vertical displacement of the plasma in the ETEETE tokamak based on Artificial Neural Networks ( tokamak based on Artificial Neural Networks (ANNANN). ). ETEETE is a low aspect ratio tokamak that should operate with highly 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 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 ANNANN of the feed-forward type that uses multiple layer 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 perceptrons trained with an error back-propagation algorithm. There are several ways available to implement a neural controller. The ETEETE tokamak controller will use hybrid architecture of the feedback-error-learning type ( tokamak controller will use hybrid architecture of the feedback-error-learning type (FELFEL), ), composed of the neural part and a classic part. The classic part (Proportional Integral Derivative – composed of the neural part and a classic part. The classic part (Proportional Integral Derivative – PIDPID) of the controller supplies the initial solution (starting point) so that the neural part can identify the problem and gradually substitute ) 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 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 (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 (PIDPID) and a hybrid controller () and a hybrid controller (PID+FELPID+FEL). The controller to be installed in ). The controller to be installed in ETE 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.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.

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Levitador Magnético (MagLev)Levitador Magnético (MagLev)AA dinâmica do MagLev, neste caso foi utilizada para testar o controlador dinâmica do MagLev, neste caso foi utilizada para testar o controlador neural. O MagLev funciona realizando o equilíbrio de uma esfera metálica a neural. O MagLev funciona realizando o equilíbrio de uma esfera metálica a distâncias de aproximadamente 20 mm do eletroímã. distâncias de aproximadamente 20 mm do eletroímã.

Características de não-linearidade do levitador magnético possibilitaram Características de não-linearidade do levitador magnético possibilitaram um estudo detalhado da instabilidade do sistema com a finalidade de um estudo detalhado da instabilidade do sistema com a finalidade de projetar e construir os sistemas de controle: clássico, baseado em projetar e construir os sistemas de controle: clássico, baseado em controladores realimentados, e neurais, baseados em controladores do controladores realimentados, e neurais, baseados em controladores do tipo tipo Feedback-Error-Learning Feedback-Error-Learning (FEL).(FEL).

Esfera Metálica Levitando no MagLevEsfera Metálica Levitando no MagLev

Estudo de um Controlador Neural para o Estudo de um Controlador Neural para o Experimento de Fusão Termonuclear Experimento de Fusão Termonuclear

Controlada TOKAMAK ETE Controlada TOKAMAK ETE

Requerimentos para o Requerimentos para o Controle do ETEControle do ETE

Atuar no deslocamento vertical do plasma, para evitar o Atuar no deslocamento vertical do plasma, para evitar o fim prematurofim prematuro da descarga no ETE da descarga no ETE

Adaptar-se facilmente a novos parâmetros do plasma, Adaptar-se facilmente a novos parâmetros do plasma, para permitir ao ETE investigar para permitir ao ETE investigar plasmas com formatos mais plasmas com formatos mais alongadosalongados

Ser suficientemente rápido, para Ser suficientemente rápido, para atuar várias vezesatuar várias vezes na na instabilidade vertical instabilidade vertical do plasma no ETEdo plasma no ETE

Os principais parâmetros de controle para o equilíbrio Os principais parâmetros de controle para o equilíbrio do plasma no ETEdo plasma no ETE são são::

Período do controladorPeríodo do controlador <60<60ss Desvio vertical máximo deDesvio vertical máximo de 5mm5mm

Luis Filipe Wiltgen BarbosaLuis Filipe Wiltgen Barbosa11, Cairo L. Nascimento Jr., Cairo L. Nascimento Jr.2 2 e Gerson Otto Ludwige Gerson Otto Ludwig11

11Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE – LAP Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE – LAP 22Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – EEC Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – EEC wiltgen@plasma.inpe.br, cairo@ita.br e ludwig@plasma.inpe.brwiltgen@plasma.inpe.br, cairo@ita.br e ludwig@plasma.inpe.br

Conclusão Conclusão AA utilização do controlador neural do tipo FEL se mostrou interessante devido a possibilidade de utilizar uma estrutura híbrida 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. 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 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).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 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 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 conjuntae melhorados, ajustando os parâmetros da RNA, e também, com a utilização conjunta de outros controladores neurais na de outros controladores neurais na estrutura do FEL.estrutura do FEL.

Algoritmo Error Back-PropagationAlgoritmo Error Back-PropagationTipo RNA– Linear (SLP) e Não-Linear (MLP)Tipo RNA– Linear (SLP) e Não-Linear (MLP)

Controlador NeuralControlador Neural Controlador RealimentadoControlador RealimentadoControlador Analógico Tipo Avanço de Fase Controlador Analógico Tipo Avanço de Fase

Lead + Componente IntegralLead + Componente Integral

Controlador Feedback-Error-Learning (FEL)Controlador Feedback-Error-Learning (FEL)

Teste do Controlador Neural no Levitador Magnético Teste do Controlador Neural no Levitador Magnético

Resultados das Simulações do Controlador Neural no MagLevResultados das Simulações do Controlador Neural no MagLev

Plasma no Tokamak ETEPlasma no Tokamak ETE

TTokamaks são dispositivos experimentais que produzem e okamaks são dispositivos experimentais que produzem e confinam magneticamente o plasma no formato toroidal. confinam magneticamente o plasma no formato toroidal. Estes podem vir a ser a base das futuras instalações de Estes podem vir a ser a base das futuras instalações de geração de energia elétrica utilizando a fusão termonuclear geração de energia elétrica utilizando a fusão termonuclear controlada. controlada.

A complexidade deste sistema de controle neste tipo de A complexidade deste sistema de controle neste tipo de experimento se deve as características dinâmicas não-experimento se deve as características dinâmicas não-lineares do plasma, o que torna necessária a utilização de lineares do plasma, o que torna necessária a utilização de um sistema de controle não-linear que deve ser capaz de um sistema de controle não-linear que deve ser capaz de atuar em eventos muito rápidos, como o deslocamento atuar em eventos muito rápidos, como o deslocamento vertical (>250us), e ainda, deve ser capaz de se adaptar as vertical (>250us), e ainda, deve ser capaz de se adaptar as variações dos parâmetros do plasma no tokamak ETE. variações dos parâmetros do plasma no tokamak ETE.

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Disparo ETE-3516Disparo ETE-3516

Tempo (ms)Tempo (ms)

Posição do Plasma em TokamaksPosição do Plasma em Tokamaks

ToroidalToroidal VerticalVertical ÔhmicoÔhmico

Configuração Magnética do Tokamak ETEConfiguração Magnética do Tokamak ETE

Equilibrium Region

VDesvioVertical Região de

Equilíbrio do Plasma

Borda do plasma Eixo magnético

DISPARO ETE- 1481DISPARO ETE- 1481

OO Experimento Tokamak EsféricoExperimento Tokamak Esférico (ETE) é uma máquina (ETE) é uma máquina brasileira de pequeno porte, destinada ao estudo da engenharia brasileira de pequeno porte, destinada ao estudo da engenharia de fusão e do plasma em máquinas de pequena razão de de fusão e do plasma em máquinas de pequena razão de aspecto (esféricas) que podem proporcionar a construção de aspecto (esféricas) que podem proporcionar a construção de reatores compactos e de baixo custo. reatores compactos e de baixo custo.

SensoresSensoresControlador NeuralControlador Neural

Sistema DinâmicoSistema Dinâmico

OO campo magnético necessário para o equilíbrio do plasma depende da magnitude da corrente de plasma, que por sua 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 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. 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, 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. plasma, o qual demanda um ajuste dinâmico e contínuo do campo magnético necessário para o equilíbrio do plasma.