Model order reduction, filtering, and control of a pre-heating system for nuclear fusion machines towards real-time operation

The present work deals with the noisy state reconstruction problem aimed at virtual output prediction in the context of pre-heating operation of torus-shaped nuclear fusion machines. The creation of a dynamic model based on finite-element method is first studied on a 2D domain and the full-order reconstruction problem is tackled with traditional full-state and reduced-state asymptotic, feedback, observers. A simplified thermodynamic model of a typical nuclear fusion machine is then considered and reduced by means of different model order reduction techniques. Balanced-truncation reduction is retained and studied in the state reconstruction problem with infinite-horizon, optimal H2 , and sub-optimal Hinfty estimators. From a design viewpoint, despite the system being observable, pole allocation is problematic for traditional observer design, resulting in high-gain/peaking phenomena. Computation procedures for optimal, infinite-horizon filters are more elaborate but result in admissible solution of the withstanding Riccati equation. The observability property is investigated numerically as a function sampling time and dimension of the state space. Simulation results on the quality of the virtual output prediction indicate acceptable performance of traditional observer and superior precision of optimal, infinite-horizon, estimators on nominal measurements conditions. Results further indicate that traditional observers are unsuited for virtual measurement prediction in noisy conditions while Hinfty and H2 estimators perform well with the latter being able to completely reject measurement white noise. Finally, preliminary considerations towards realistic control operations are described and the monitoring problem of the control loop during its operation is discussed.

Questo lavoro si occupa del problema di ricostruzione dello stato con il fine di stimare una serie di output virtuali nelle operazioni di pre-riscaldamento di macchine toroidali per fusione nucleare. Anzitutto, un modello termico dinamico basato su mesh 2D, e formulato secondo il metodo degli elementi finiti, viene studiato e il problema della ricostruzione viene risolto con osservatori di stato tradizionali. Poi, un modello termico semplificato di una macchina a fusione viene considerato e sottoposto a operazioni di riduzione d’ordine tramite diversi metodi. Il metodo balanced-truncation viene scelto e il problema della ricostruzione di stato viene studiato con osservatori basati su principi ottimi in norma H2 e Hinfinito . Dal punto di vista del design, nonostante il sistema analizzato sia numericamente osservabile, il problema di allocazione di poli si rivela problematico per gli osservatori tradizionali dando luogo a fenomeni di oscillazioni molto ampie. Il calcolo degli stimatori in norma ottima, invece, si conclude con soluzioni precise dell'equazione di Riccati sottostante I risultati di simulazione mostrano una qualità accettabile degli osservatori tradizionali e una precisione superiore degli stimatori in norma ottima, in condizioni di misure nominali. Si trova, inoltre, gli osservatori tradizionali non sono adatti alla stima degli output virtuali in condizioni rumorose, mentre gli osservatori H2 e Hinfinito funzionano bene in condizioni di rumore, con lo stimatore H2 che si dimostra in grado di rigettare rumore bianco. Infine, alcune considerazioni preliminari relative all’implementazione realistica di operazioni di controllo vengono discusse, e il problema del monitoraggio dell’anello di controllo durante il suo funzionamento viene presentato.