토카막(Tokamak) MHD 평형 그라드-샤프라노프 & 1,000Hz 0-Alloc C# 플라즈마 수직 변위(VDE) 능동 억제 서보 제어기

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;

namespace ZeliDesk.Defense.FusionPhysics
{
    /// <summary>
    /// 토카막 미르노프 코일 및 플라즈마 진단 센서 입력 프레임
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct TokamakDiagnosticFrame
    {
        public readonly double TimestampSeconds;
        public readonly double PlasmaCurrentAmperes;   // 플라즈마 전류 Ip (A)
        public readonly double MirnovUpperTesla;       // 상부 미르노프 자기장 Br_up (T)
        public readonly double MirnovLowerTesla;       // 하부 미르노프 자기장 Br_down (T)
        public readonly double VesselWallEddyCurrentA; // 진공용기 와전류 (A)

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TokamakDiagnosticFrame(double timestamp, double ip, double bUp, double bDown, double eddyCurrent)
        {
            TimestampSeconds = timestamp;
            PlasmaCurrentAmperes = ip;
            MirnovUpperTesla = bUp;
            MirnovLowerTesla = bDown;
            VesselWallEddyCurrentA = eddyCurrent;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 토카막 수직 제어 코일(IVC) 인버터 지령 출력
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 8)]
    public readonly struct PlasmaVerticalControlOutput
    {
        public readonly double EstimatedZpMeters;     // 추정 수직 위치 Zp (m)
        public readonly double EstimatedVelocityZ;    // 추정 수직 속도 dZp/dt (m/s)
        public readonly double CommandedCoilCurrentA; // IVC 코일 지령 전류 (A)
        public readonly double InverterDutyCycle;     // PWM 듀티비 (-1.0 ~ +1.0)
        public readonly bool IsDisruptionRiskAlarm;   // 디스럽션 위험 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PlasmaVerticalControlOutput(double zp, double vz, double coilCurrent, double duty, bool alarm)
        {
            EstimatedZpMeters = zp;
            EstimatedVelocityZ = vz;
            CommandedCoilCurrentA = coilCurrent;
            InverterDutyCycle = duty;
            IsDisruptionRiskAlarm = alarm;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 0-Alloc C# 토카막 플라즈마 수직 변위(VDE) 능동 억제 서보 제어기
    /// </summary>
    public ref struct TokamakPlasmaVdeServoEngine
    {
        private const double MajorRadius = 1.8;         // KSTAR 주반경 R0 (m)
        private const double MinorRadius = 0.5;         // 소반경 a (m)
        private const double MaxCoilCurrent = 10000.0;  // IVC 최대 전류 (10 kA)
        private const double Mu0 = 1.25663706212e-6;    // 진공 투자율 (H/m)

        // 제어 게인 (비례, 미분)
        private const double Kp = 150000.0; // A/m
        private const double Kd = 3500.0;   // A/(m/s)

        private double _lastZp;
        private double _lastTimestamp;
        private double _filteredVelocity;
        private bool _isInitialized;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            _lastZp = 0.0;
            _lastTimestamp = 0.0;
            _filteredVelocity = 0.0;
            _isInitialized = true;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz(1ms 주기) 자기 센서 스트림 기반 플라즈마 수직 제어 틱
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public PlasmaVerticalControlOutput ProcessTick(in TokamakDiagnosticFrame frame)
        {
            if (!_isInitialized)
            {
                Initialize();
            }

            double dt = frame.TimestampSeconds - _lastTimestamp;
            if (dt <= 0.0 || dt > 0.01) dt = 0.001; // 1ms 기본 주기
            _lastTimestamp = frame.TimestampSeconds;

            // 1. 미르노프 상하 차동 자속 신호로부터 플라즈마 수직 위치 Zp 실시간 추정
            double deltaB = frame.MirnovUpperTesla - frame.MirnovLowerTesla;
            double ip = Math.Max(Math.Abs(frame.PlasmaCurrentAmperes), 10000.0); // 0 나누기 방지

            // Zp 추정 공식: Zp ~ (a^2 * 2*pi * R0 / (mu0 * Ip)) * deltaB
            double scaleFactor = (MinorRadius * MinorRadius * 2.0 * Math.PI * MajorRadius) / (Mu0 * ip);
            double estimatedZp = scaleFactor * deltaB * 0.15; // 기하학적 보정 계수

            // 진공용기 와전류에 의한 유도 자속 감쇠 보상
            estimatedZp += (frame.VesselWallEddyCurrentA / ip) * 0.02;

            // 2. 수직 속도 산출 및 저역통과 필터링
            double rawVelocity = (estimatedZp - _lastZp) / dt;
            _lastZp = estimatedZp;
            _filteredVelocity = 0.8 * _filteredVelocity + 0.2 * rawVelocity;

            // 3. 고속 비례-미분(PD) 반작용 코일 전류 산출
            double targetCurrent = -(Kp * estimatedZp + Kd * _filteredVelocity);

            // 포화 제한 (-10kA ~ +10kA)
            if (targetCurrent > MaxCoilCurrent) targetCurrent = MaxCoilCurrent;
            else if (targetCurrent < -MaxCoilCurrent) targetCurrent = -MaxCoilCurrent;

            double dutyCycle = targetCurrent / MaxCoilCurrent;

            // 4. 플라즈마 수직 변위가 진공용기 한계(±5cm) 초과 시 디스럽션 경보
            bool isDisruptionAlarm = Math.Abs(estimatedZp) > 0.05;

            return new PlasmaVerticalControlOutput(
                zp: estimatedZp,
                vz: _filteredVelocity,
                coilCurrent: targetCurrent,
                duty: dutyCycle,
                alarm: isDisruptionAlarm
            );
        }
    }
}