基于模糊PID控制器一體化反應(yīng)堆協(xié)調(diào)控制技術(shù)

劉 妍，夏 虹

(哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150001)

與其他工業(yè)生產(chǎn)過程相比，核動(dòng)力裝置的生產(chǎn)過程要求保持生產(chǎn)的連續(xù)性和機(jī)動(dòng)性、高度的安全性和經(jīng)濟(jì)性.控制理論和技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計(jì)更先進(jìn)、更合理的新一代核動(dòng)力裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)提供了一系列理論和方法.早期的核動(dòng)力裝置控制系統(tǒng)由一系列相對(duì)獨(dú)立的局部控制回路組成，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，功能比較單一，適應(yīng)機(jī)組不同運(yùn)行方式和工況的能力也較差.協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)充分利用了裝置的動(dòng)態(tài)特性方面的特點(diǎn)，采用多種控制策略，使控制系統(tǒng)具有合理、可靠、易于維護(hù)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)［1－2］.所謂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就是把整個(gè)核動(dòng)力裝置作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，采用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把自動(dòng)調(diào)節(jié)、邏輯控制、聯(lián)鎖保護(hù)等功能有機(jī)地結(jié)合起來，構(gòu)成一種具有多種控制功能，滿足不同運(yùn)行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統(tǒng)［3－4］.基于現(xiàn)代控制理論的核動(dòng)力裝置協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是目前的發(fā)展方向.

1 基于常規(guī)PID控制方法

1.1 PID 控制原理

其中:kP為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù).

1.2 基于常規(guī)PID控制器的一體化反應(yīng)堆控制

1.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

一體化反應(yīng)堆的布置方案是將蒸汽發(fā)生器裝在反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，冷卻劑主泵直接與壓力容器相連，完全取消了主管道和主閘閥，整個(gè)冷卻劑都在壓力容器內(nèi)循環(huán)流動(dòng).一體化壓水堆具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、一回路流動(dòng)阻力小、自然循環(huán)能力高等特點(diǎn).由于取消了主管道，因而消除了主管道雙端斷裂的大破口失水事故和由此造成的堆芯熔化事故，具有較高的安全可靠性.

本文針對(duì)某小型一體化反應(yīng)堆的控制方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，研究流程如圖1.

PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差

將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，其控制規(guī)律為

圖1 實(shí)驗(yàn)方案流程圖

在Simulink仿真環(huán)境下，建立仿真模型，對(duì)該小型一體化反應(yīng)堆的反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器給水流量控制系統(tǒng)以及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)PID控制.根據(jù)“堆跟機(jī)”運(yùn)行方案，令汽輪機(jī)負(fù)荷由0% ～100%階躍變化，觀察反應(yīng)堆功率、蒸汽發(fā)生器給水流量、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等相關(guān)量的變化趨勢(shì).仿真時(shí)間設(shè)為1 000 s.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2～6分別為核功率隨汽輪機(jī)負(fù)荷變化響應(yīng)情況、核功率的測(cè)定值與額定值之間的比較、蒸汽發(fā)生器給水流量的測(cè)定值與額定值之間的比較、冷卻劑平均溫度的測(cè)定值與額定值之間的比較、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定值與額定值之間的比較，表1為常規(guī)PID控制方法時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖2 核功率隨汽輪機(jī)變化響應(yīng)情況

圖3 核功率隨時(shí)間變化情況

圖4 蒸汽發(fā)生器給水流量隨時(shí)間變化情況

2 基于模糊自整定PID控制方法

2.1 模糊PID控制原理

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變

圖5 冷卻劑平均溫度隨時(shí)間變化情況

化或干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.自適應(yīng)控制運(yùn)用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，適時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識(shí)模型的精確度，這對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)，這樣就出現(xiàn)了智能PID控制器.這種控制器把古典的PID控制與先進(jìn)的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制.這種控制必須精確地確定對(duì)象模型，首先將操作人員(專家)長期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理便可對(duì)PID參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整.

圖6 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化情況

表1 常規(guī)PID控制方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

模糊自整定PID控制器以偏差E和偏差變化率EC作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻偏差E和偏差變化率EC對(duì)PID參數(shù)自整定的要求.利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正，便構(gòu)成了模糊自整定PID控制器，其結(jié)構(gòu)圖7所示.

2.2 基于模糊自整定PID控制器的一體化反應(yīng)堆協(xié)調(diào)控制

2.2.1 實(shí)驗(yàn)方案

在Simulink仿真環(huán)境下，建立仿真模型，對(duì)該小型一體化反應(yīng)堆的反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器給水流量控制系統(tǒng)以及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊自整定PID控制.根據(jù)“堆跟機(jī)”運(yùn)行方案，令汽輪機(jī)負(fù)荷由0% ～100%階躍變化，觀察反應(yīng)堆功率、蒸汽發(fā)生器給水流量、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速等相關(guān)量的變化趨勢(shì).協(xié)調(diào)控制實(shí)驗(yàn)方案流程圖見圖8.仿真時(shí)間設(shè)為1 000 s.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9～13分別為核功率隨汽輪機(jī)負(fù)荷變化響應(yīng)情況、核功率的測(cè)定值與額定值之間的比較、蒸汽發(fā)生器給水流量的測(cè)定值與額定值之間的比較、冷卻劑平均溫度的測(cè)定值與額定值之間的比較、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定值與額定值之間的比較.表2為模糊自整定PID控制方法時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖7 模糊控制器結(jié)構(gòu)

圖8 實(shí)驗(yàn)方案流程圖

圖9 核功率隨汽輪機(jī)變化響應(yīng)情況

圖10 核功率隨時(shí)間變化情況

圖11 蒸汽發(fā)生器給水流量隨時(shí)間變化情況

圖12 冷卻劑平均溫度隨時(shí)間變化情況

表2 模糊自整定PID控制方法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖13 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化情況

4 結(jié)論

本文通過對(duì)一體化反應(yīng)堆建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Simulink軟件進(jìn)行仿真，將兩種控制方法研究對(duì)比得到以下結(jié)論:

1)反應(yīng)堆核功率隨汽輪機(jī)負(fù)荷從0% ～100%變化時(shí)，模糊PID控制較常規(guī)PID控制方法:快0.2 s達(dá)到峰值、快12 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)、超調(diào)量減少72.61%、核功率與汽輪機(jī)負(fù)荷穩(wěn)態(tài)誤差減少9.35%.

2)從核功率的測(cè)量值與額定值的變化趨勢(shì)看，模糊PID控制較常規(guī)PID控制方法:快0.1 s達(dá)到峰值、快9 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)、超調(diào)量減少72.6%、測(cè)量值與額定值的穩(wěn)態(tài)誤差減少9.35%;

3)從蒸汽發(fā)生器的給水流量的測(cè)量值與額定值的變化趨勢(shì)看，模糊PID控制較常規(guī)PID控制方法:快1.5 s達(dá)到峰值、快20 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)、超調(diào)量減少53.94%、測(cè)量值與額定值的穩(wěn)態(tài)誤差減少24.32%.

4)從冷卻劑平均溫度的測(cè)量值與額定值的變化趨勢(shì)看，模糊PID控制較常規(guī)PID控制方法:同時(shí)達(dá)到峰值、同時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)、超調(diào)量減少10.01%、測(cè)量值與額定值的穩(wěn)態(tài)誤差減少2.82%.

5)從汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量值與額定值的變化趨勢(shì)看，模糊PID控制較常規(guī)PID控制方法:快2 s達(dá)到峰值、快3s達(dá)到穩(wěn)態(tài)、超調(diào)量減少7.93%、測(cè)量值與額定值的穩(wěn)態(tài)誤差減少32%.

通過以上對(duì)比結(jié)果可以看出，該控制器自整定能力及魯棒性比傳統(tǒng)PID控制器更強(qiáng)，響應(yīng)速度快、精度高，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的智能化，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)參數(shù)能夠自動(dòng)整定.但對(duì)于蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)來說，控制效果不夠理想，穩(wěn)態(tài)誤差較大，由于采用模糊推理，所以在干擾作用下影響了其穩(wěn)態(tài)精度.總的來說，針對(duì)“堆跟機(jī)”運(yùn)行方案的控制效果更理想，控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)精度都有明顯改善，具有更高的可靠性.

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