Design and application of an Optimized Adaptive Control System for the superconducting cavities of a linac

Resumen

Los trabajos de investigación presentados en esta tesis doctoral han sido realizados en el marco de sucesivos proyectos de I+D financiados por la Comisión Europea y dedicados al desarrollo del reactor de transmutación MYRRHA que poseerá la capacidad de incinerar residuos nucleares. La fiabilidad es un requisito crucial para que MYRRHA pueda convertirse en la instalación que demuestre la viabilidad del proceso de transmutación a escala industrial. El esfuerzo investigador presentado en esta tesis se ha centrado el desarrollo de un Sistema de Control Optimizado Adaptativo (SCOA) que dote de una elevada fiabilidad a las cavidades supercondutoras (SC) del acelerador de protones que conduce la operación del MYRRHA. Por consiguiente, el presente estudio combina dos campos a la vanguardia de la investigación: la aceleración de partículas y las metodologías de control avanzado. El SCOA desarrollado está basado en la metodología de control Adaptativo Predictivo Experto (ADEX) y su operación responde a una Estrategia de Control Optimizada (ECO) que comprende las principales aportaciones originales de esta tesis. A este respecto cabe destacar que el diseño de la ECO ha introducido la combinación de filtros notch y controladores ADEX, a la que se ha añadido un bloque de anticipación de las fuerzas de Lorentz y una técnica de compensación basada en filtros de Chebyshev y que ha sido previamente utilizada en cavidades SC. De esta forma, la ECO reúne las herramientas para, respectivamente, atenuar la excitación de modos resonantes que pudieran causar las propias acciones del controlador ADEX, compensar anticipadamente las fuerzas de Lorentz y minimizar las microfonías causadas por perturbaciones externas. El SCOA definido de acuerdo a la ECO ha sido sometido a rigurosas fases de evaluación en las que ha sido comparado con sistemas avanzados basados en PIDs. En primer lugar, se analizó el rendimiento de la ECO en una simulación de la cavidad elíptica de 704,4 MHz desarrollada por el CNRS. La evaluación favorable de la ECO propició que esta se embebiera en el hardware adecuado dando lugar a un SCOA plenamente funcional destinado a ser probado en una cavidad radial a temperatura ambiente (TA). Las pruebas a TA dieron lugar a resultados prometedores y finalmente se procedió a probar el SCOA en una cavidad elíptica operada a temperatura criogénica (TC). Las pruebas en simulación y la aplicación del SCOA en las cavidades a TA y TC mostraron que el SCOA consigue una reducción considerable de las oscilaciones de la frecuencia de resonancia (o de otras medidas indirectas de esta magnitud) alrededor de su consigna en comparación con los sistemas avanzados basados en PID. Esto implica que la operación del SCOA minimiza el consumo energético de la cavidad como demostraron los estudios en simulación. Adicionalmente, el SCOA demostró, tanto en simulación como en las pruebas a TC, que, bajo el efecto de perturbaciones inesperadas, es capaz de modificar su comportamiento y devolver acciones de control adecuadas para las nuevas circunstancias, siendo capaz de mantener la frecuencia de resonancia dentro de sus límites operacionales y la cavidad bajo control. Por otro lado, este mismo tipo de perturbaciones inesperadas provocaron que los sistemas avanzados basados en PID perdieran el control de la cavidad. Estos resultados se pueden explicar por el hecho de que las perturbaciones inesperadas, no solo desvían las variables bajo control, sino que también modifican la dinámica del proceso. Esto hace que controladores PID cuyos parámetros habían sido convenientemente ajustados, se encuentren deficientemente ajustados para la nueva dinámica, deteriorándose su rendimiento. Los controladores ADEX se auto‐ajustan a los cambios en la dinámica del proceso y, es por ello que pueden hacer frente a escenarios de operación inciertos con perturbaciones no previstas, incrementando considerablemente la fiabilidad operativa de las cavidades y, por tanto, de la operación del linac.