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    TMSR核功率控制系統(tǒng)的PID設(shè)計與仿真

    2015-12-01 07:36:48汪全全尹聰聰孫雪靜韓利峰陳永忠李勇平
    核技術(shù) 2015年2期
    關(guān)鍵詞:傳統(tǒng)型控制棒堆芯

    汪全全 尹聰聰 孫雪靜 韓利峰 陳永忠 李勇平 劉 衛(wèi)

    1(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800)

    2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

    3(中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室 上海 201800)

    TMSR核功率控制系統(tǒng)的PID設(shè)計與仿真

    汪全全1,2,3尹聰聰1,2,3孫雪靜1,3韓利峰1,3陳永忠1,3李勇平1,3劉 衛(wèi)1,3

    1(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800)

    2(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

    3(中國科學(xué)院核輻射與核能技術(shù)重點實驗室 上海 201800)

    功率控制系統(tǒng)(Power Control System, PCS)是反應(yīng)堆控制系統(tǒng)(Reactor Control System, RCS)的重要組成部分,它完成功率提升、功率保持與功率調(diào)節(jié)的作用。在釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)核能系統(tǒng)固態(tài)堆設(shè)計方案中,功率控制器根據(jù)實測功率與設(shè)定功率值之間的偏差和偏差的變化趨勢,按照經(jīng)典的比例-積分-微分(Proportional Integral Derivative, PID)控制算法,給出調(diào)節(jié)控制棒的運動距離和運動方向等信號。PCS的PID算法設(shè)計與基于反應(yīng)堆中子物理、熱工及控制棒的傳動性能構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性有關(guān),其不同參數(shù)的確定與系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能指標的要求相對應(yīng)。本文從控制的角度出發(fā),在已有的控制棒樣機中設(shè)計的棒控棒位系統(tǒng)及相關(guān)中子物理的基礎(chǔ)上對PCS的PID算法進行多層次仿真與參數(shù)分析,并對系統(tǒng)的可控性與可測性進行分析驗證。分析及仿真結(jié)果表明兩種控制模型下的系統(tǒng)均是完全可控及完全可測的,在合適的PID參數(shù)集下均能體現(xiàn)響應(yīng)的快速性及系統(tǒng)的良好魯棒性和抗干擾能力,具有實際的應(yīng)用意義。

    釷基熔鹽堆,功率控制系統(tǒng),PID,棒控棒位系統(tǒng)

    釷基熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor, TMSR)核能系統(tǒng)項目是中國科學(xué)院先導(dǎo)專項之一,以研發(fā)第四代裂變反應(yīng)堆核能系統(tǒng)為其戰(zhàn)略目標[1]。在固態(tài)熔鹽實驗堆的概念設(shè)計方案中,由控制棒、控制棒驅(qū)動機構(gòu)及棒控棒位控制器構(gòu)成的棒控棒位系統(tǒng)和核功率測量裝置構(gòu)成的功率控制系統(tǒng)(Power Control System, PCS)是熔鹽堆控制系統(tǒng)的重要組成部分。PCS包括反應(yīng)堆的核功率控制系統(tǒng)和堆芯熱功率控制系統(tǒng)。由于從堆芯導(dǎo)出的熱功率變化值在特定的控制模式下與反應(yīng)堆的核功率變化一致,所以核功率的控制設(shè)計對堆芯導(dǎo)出的熱功率變化值至關(guān)重要。

    反應(yīng)堆的啟動、停堆和功率調(diào)節(jié)主要通過一定數(shù)量的控制棒上下移動來調(diào)節(jié)反應(yīng)性[2]而實現(xiàn)。在TMSR固態(tài)堆上,設(shè)計有16根控制棒,PCS根據(jù)堆物理對堆芯功率分布的控制要求,將16根控制棒分成若干棒束。功率控制器根據(jù)核功率測量裝置的輸出信號與設(shè)定功率值之間的誤差及其變化趨勢,根據(jù)比例-積分-微分(Proportional Integral Derivative, PID)控制算法,從而給出調(diào)節(jié)控制棒的運動距離和運動方向等信號,相應(yīng)的控制棒束在該信號的驅(qū)動下以指定的速度運行到指定位置[3],從而達到調(diào)節(jié)核功率的目的。

    由于反應(yīng)堆在運行過程中受到的不確定性因素的影響(如在不同運行功率下導(dǎo)致的模型參數(shù)的變化等),使得PCS的控制特性會變差,使用近似線性化得到的系統(tǒng)模型的傳統(tǒng)PID設(shè)計的效果在控制精度與魯棒性方面不太理想。故在傳統(tǒng)PID設(shè)計的基礎(chǔ)上,提出改進型PID多環(huán)路設(shè)計,用于改善PCS的動態(tài)特性和魯棒性。

    本文在已設(shè)計完成的控制棒樣機的基礎(chǔ)上,從控制的角度出發(fā),首先提取控制棒驅(qū)動機構(gòu)(Control Rod Drive Mechanism, CRDM)各單元的數(shù)學(xué)模型,并對其系統(tǒng)模型進行可控性與可測性分析,然后在MATLAB環(huán)境下進行兩種PID設(shè)計仿真并對不同方式PID參數(shù)下的系統(tǒng)靜態(tài)性能和動態(tài)性能進行分析比較,為PCS控制器提供PID參數(shù)集。

    1 核功率控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及分析

    核功率控制系統(tǒng)在當(dāng)前棒控棒位系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)上實現(xiàn),棒控棒位系統(tǒng)的機械與電氣設(shè)計如圖1所示。步進電機通過離合器實現(xiàn)與CRDM的掛接,離合器在斷電落棒操作中處于分離狀態(tài),在正常棒運行的過程中,離合器處于吸合狀態(tài)。減速器采用三級齒輪減速,可獲得435的減速比,從而將步進電機的負載能力提高近450倍。CRDM采用鏈輪鏈條型設(shè)計,在鏈條的傳動下控制棒體能夠在引棒的帶動下完成預(yù)定的精確到毫米級的上下直線運動。

    核功率控制系統(tǒng)的最終輸出信號傳遞給棒控棒位系統(tǒng),進而完成指定的控制棒或棒束的運動。核功率控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。在棒控棒位系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)上,核功率控制系統(tǒng)可分為功率執(zhí)行機構(gòu)和系統(tǒng)測量裝置。功率執(zhí)行機構(gòu)由棒控系統(tǒng)控制實現(xiàn)對控制棒的調(diào)節(jié),從而起到直接控制反應(yīng)堆功率的作用。系統(tǒng)測量裝置包括反應(yīng)堆輸出功率測量裝置、步進電機轉(zhuǎn)速測量裝置及控制棒位置測量系統(tǒng),可以實時地檢測反應(yīng)堆的工作狀態(tài)。

    從控制的角度出發(fā),需提取各個單元的數(shù)學(xué)模型,最后得出整個控制對象的數(shù)學(xué)模型??刂茖ο蠹礊榭刂破骺刂频囊幌盗性骷鶚?gòu)成的復(fù)合系統(tǒng),系統(tǒng)的傳遞函數(shù)即為各個單元串聯(lián)后的電氣傳遞函數(shù)之積。

    圖2 核功率控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of nuclear power control system.

    1.1 各單元的數(shù)學(xué)模型

    1.1.1 堆芯數(shù)學(xué)模型

    反應(yīng)堆在運行過程中,堆芯物理過程的復(fù)雜使得堆芯中子動力學(xué)性能多變,從而無法簡單地確定堆芯的具體線性數(shù)學(xué)模型。從控制設(shè)計角度出發(fā),諸多文獻[4?5]中普遍采用單組點堆中子動力學(xué)模型來替代實際的復(fù)雜多變的運行時堆芯中子動力學(xué)模型。因此,TMSR核功率控制系統(tǒng)在設(shè)計階段擬采用等效單組緩發(fā)中子點堆模型,其傳遞函數(shù)[6?7]為:式中,ΔN(s)表示堆芯中子密度的變化量;Δρ(s)表示控制棒引入的反應(yīng)性變化量;K1表示反應(yīng)堆的傳遞系數(shù);Ta及τ表示反應(yīng)堆的時間常數(shù)。

    1.1.2 測量裝置數(shù)學(xué)模型

    功率測量裝置是采用裂變電離室來測量中子密度,根據(jù)額定功率對電離室的要求及電離室的靈敏度與定值器設(shè)定值,可得電離室的傳遞函數(shù)[7]為:

    式中,R為定值器參考電阻;ΔIk為電離室的靈敏度;Δn為額定功率時的中子密度。

    控制棒位置測量裝置可等效為時間常數(shù)100 ms的一階慣性模型環(huán)節(jié),即其傳遞函數(shù)為:

    1.1.3 CRDM數(shù)學(xué)模型

    CRDM由鏈輪鏈條、減速器、離合器、步進電機及其驅(qū)動器等組成,其傳遞函數(shù)為:

    式中,K2為減速裝置的減速比,減速裝置等效為比例環(huán)節(jié);K3為步進電機的傳遞系數(shù);T1為步進電機的時間常數(shù);K4為電機驅(qū)動器的放大系數(shù);T2為驅(qū)動器的時間常數(shù);τcs為鏈輪鏈條等的延時常數(shù),在后續(xù)的公式推導(dǎo)中該項可忽略不計。

    控制棒的微分當(dāng)量ΔKcr=1.28×10?5[7?8]。

    1.2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及分析

    根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計方案提取出不同的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,可分為僅考慮功率測量裝置的傳統(tǒng)型控制對象模型及同時考慮電機速度、控制棒位置及功率測量的改進型多環(huán)路控制對象模型,然后再針對不同的系統(tǒng)模型進行可控性與可測性的控制型分析。

    1.2.1 傳統(tǒng)型控制系統(tǒng)對象及分析

    傳統(tǒng)型核功率控制系統(tǒng)由PLC控制器、CRDM、控制棒及功率測量裝置來實現(xiàn),其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    圖3 傳統(tǒng)型控制對象模型Fig.1 Traditional control object model.

    根據(jù)圖3及各單元的傳遞函數(shù)及基礎(chǔ)開閉環(huán)理論,傳統(tǒng)型核功率控制系統(tǒng)對象的閉環(huán)數(shù)學(xué)模型為:

    式(5)的零極點模型是通過MATLAB計算得出。由該式可知,GTr(s)的極點均在復(fù)平面的左半平面,即該系統(tǒng)是穩(wěn)定的,且可知系統(tǒng)階數(shù)為4。

    由卡爾曼提出的可控性與可測性的概念在現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計中起著重要的作用。如果在一個有限的時間間隔內(nèi)施加一個無約束的控制向量,使得系統(tǒng)由任意初始狀態(tài)x(t0)轉(zhuǎn)移到任意其他狀態(tài),則稱系統(tǒng)在時刻t0是狀態(tài)可控的[9]。將式(5)的傳遞函數(shù)型系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間描述模型[A,B,C,D],進而得到系統(tǒng)的可控性變換矩陣:

    由式(6)可得Γc的秩為rank(Γc)=4,等于該系統(tǒng)模型的階數(shù),即該系統(tǒng)在任何時刻是狀態(tài)完全可控的,此外,也可證明該系統(tǒng)是輸出完全可控的。

    若系統(tǒng)的狀態(tài)x(t0)在有限的時間間隔內(nèi)可由輸出的觀測值確定,那么稱系統(tǒng)在時刻t0是可測的[9]。同可控性分析方式,得其可測性變換矩陣:

    由式(7)可得Γo的秩為rank(Γo)=4,等于該系統(tǒng)模型的階數(shù),即該系統(tǒng)在任何時刻是完全可測的。

    該模型下系統(tǒng)的狀態(tài)完全可控性、輸出完全可控性與完全可測性使得設(shè)計的系統(tǒng)在任意時刻可對其諸多物理過程的動態(tài)行為進行分析,從而積累可靠實驗過程數(shù)據(jù)進行參數(shù)更新。

    1.2.2 改進型多環(huán)路控制系統(tǒng)對象及分析

    當(dāng)考慮到電機速度反饋及棒位反饋時,可基于圖2得到多環(huán)路的控制系統(tǒng)模型如圖4所示。

    由圖4可得控制系統(tǒng)對象模型的傳遞函數(shù)為式(8)?(10):

    圖4 改進型多環(huán)路控制系統(tǒng)對象模型Fig.4 Improved multiple circle control system object model.

    式(11)為驅(qū)動器和步進電機的傳遞函數(shù),式(12)為減速裝置的傳遞函數(shù):

    將式(9)、(10)代入式(8)及各原始單元的傳遞函數(shù)可得GIm(s)的零極點模型:

    由式(13)可知,該系統(tǒng)模型下的傳遞函數(shù)的極點均在復(fù)平面的左半平面并存在一對主導(dǎo)共軛復(fù)數(shù)極點,得該系統(tǒng)也是穩(wěn)定的,其階數(shù)為5。同上所述,可得該系統(tǒng)的可控性變換矩陣及可測性變換矩陣的秩均為5,即知該系統(tǒng)同樣是狀態(tài)完全可控與完全可測的。

    2 PID控制器設(shè)計與分析

    PID控制器在試驗之前應(yīng)具備滿足條件的參數(shù)范圍,而非僅僅一組理論上的最優(yōu)化參數(shù)。兩種控制模型傳遞函數(shù)的較高階次,使得各種參數(shù)整定法中對初始參數(shù)基準難以獲得,故本文中擬采用計算最佳化參數(shù)方法結(jié)合@MATLAB/Simulink模型基于系統(tǒng)傳遞函數(shù)在控制系統(tǒng)對動態(tài)性能的具體要求下進行設(shè)計。

    計算最佳化參數(shù)算法是利用MATLAB腳本文件來實現(xiàn)的試湊響應(yīng)法,根據(jù)圖5所示的系統(tǒng)以及給定的最大超調(diào)量或上升時間等參數(shù)進行比例系數(shù)Kp和整定參數(shù)a的初步調(diào)試。

    圖5 PID控制系統(tǒng)Fig.5 PID control system.

    圖5 中傳遞函數(shù)如式(14)所示??山档蛥?shù)的計算復(fù)雜度,并將整定參數(shù)a設(shè)定范圍于(0,10),且步長設(shè)定為0.1。

    在不考慮使用PID控制器的情況下,由CRDM及相關(guān)測量方案構(gòu)成的傳統(tǒng)型及改進型控制對象的階躍響應(yīng)如圖6所示。圖6(a)是傳統(tǒng)型控制對象模型對應(yīng)的階躍響應(yīng),易知其穩(wěn)態(tài)中子通量密度幅值過于偏小(僅是初始中子通量密度的0.38%)。改進型控制對象模型的階躍響應(yīng)(圖6(b))有55%的超調(diào)量,且其調(diào)整時間超過14 min。故在原控制對象階躍響應(yīng)的基礎(chǔ)上進行如圖5的PID控制器初步設(shè)計,以達到控制工程中快速、穩(wěn)定、超調(diào)量小的特點。

    根據(jù)圖5的計算最佳化參數(shù)算法,可得到滿足條件的初始參數(shù)化值[K, a]=[1.2×106, 4.7]。因此,可在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建 MATLAB/Simulink模型進行進一步的PID參數(shù)設(shè)計。

    圖6 控制對象 (a) 傳統(tǒng)型,(b) 改進型的階躍響應(yīng)(沒有PID控制器時)Fig.6 Step responses of the control object of traditional (a) and improved (b) without PID controller.

    在圖3、圖4的基礎(chǔ)上建立Simulink仿真控制模型,如圖7所示。因為涉及到兩種控制對象模型,所以采用Manual Switch來控制仿真通道。其中,PID-subsystem采用如圖8所示的模型,微分部分加入了實際PID控制器中的慣性環(huán)節(jié)單元,所采用的滿足條件的PID參數(shù)集建立于初始化參數(shù)值[K, a]上,具體滿足條件的參數(shù)集見圖9及圖10。

    圖7 MATLAB/Simulink控制對象PID仿真模型Fig.7 PID simulink model of control objects in @MATLAB/Simulink.

    圖8 PID子系統(tǒng)的實際模型及最優(yōu)參數(shù)集Fig.8 PID-subsystem actual model and optimal parameter set.

    圖9 功率控制系統(tǒng)傳統(tǒng)型控制模型在不同PID參數(shù)下的階躍響應(yīng)Fig.9 Step responses with different PID parameters in traditional control models in PCS.

    圖9是功率控制系統(tǒng)傳統(tǒng)型控制模型(對應(yīng)圖3)在初始化PID參數(shù)集上進一步優(yōu)化的仿真結(jié)果。圖9中滿足條件的仿真曲線集中最大超調(diào)量在2.34%?15.79%,上升時間均小于0.5 s。參數(shù)集范圍為:[Kp, Ki, Kd]=[(1.4×107?20.4×107), (1.3×106?18.7×106), (1.2×106?20.2×106)],圖9仿真曲線中的最優(yōu)結(jié)果選取的參數(shù)是[Kp, Ki, Kd]=[5.4×107, 4.6×106, 1.0×106]。在選取合適的參數(shù)下,該控制模型針對測量值的階躍響應(yīng)可以有很快速的響應(yīng)和較小的超調(diào)量,滿足條件的PID參數(shù)范圍廣,在控制端體現(xiàn)出較強的魯棒性。圖9中橢圓的部分是在堆芯前引入的反應(yīng)性擾動帶來的響應(yīng),由圖9可知,該擾動在第6 s處引入,在不到0.5 s的時間內(nèi)擾動引入的響應(yīng)即消失,故在合適的PID參數(shù)集下,該控制模型的抗干擾能力較好。

    圖10是改進型功率控制系統(tǒng)控制模型(對應(yīng)于圖4)的階躍響應(yīng),所采用的PID參數(shù)集和Tr模型中的一樣,圖10中僅顯示了一組參數(shù)下的仿真結(jié)果。由圖10可知,在采用相同PID參數(shù)的情況下,Im多環(huán)路控制模型的階躍響應(yīng)的超調(diào)量有所改善,中子通量密度的響應(yīng)時間也有所縮短,有利于對堆芯中子通量密度的控制。

    圖10 改進型功率控制系統(tǒng)的控制模型在相同PID參數(shù)下的階躍響應(yīng)Fig.10 Step response in improved PCS control model with same parameters above-mentioned.

    加入棒位的及時反饋控制可以提高棒位的精確性,提高反應(yīng)堆控制的安全性,可防止反應(yīng)堆因超負荷運行停堆等安全事故。棒位反饋回路的存在增強了系統(tǒng)的抗干擾能力,使得回路內(nèi)的擾動迅速被吸收處理。

    3 結(jié)語

    在TMSR的控制棒樣機基礎(chǔ)上進行關(guān)于功率控制樣機的研究,對控制模型及控制參數(shù)進行了前期的理論探索。控制模型提取于控制棒樣機中的CDRM及堆芯的模擬傳遞函數(shù)。據(jù)CRDM的機械設(shè)計及測量方案,提出兩種控制模型:僅包含功率測量和內(nèi)部轉(zhuǎn)速測量的傳統(tǒng)型堆芯對象模;包含功率、棒位和轉(zhuǎn)速測量的改進型多環(huán)路堆芯對象模型。針對兩種控制模型均提出了詳細的單元傳遞函數(shù)及系統(tǒng)級傳遞函數(shù),并進行了可控性和可測性分析,得出了兩種對象模型均是完全可控與完全可測的結(jié)論。在控制模型的基礎(chǔ)上應(yīng)用的是成熟的PID控制算法,通過@MATLAB/Simulink及最優(yōu)化參數(shù)方法可獲得滿足條件的初始化參數(shù)集,并在此基礎(chǔ)上進行進一步的仿真探究,表明在合適的控制參數(shù)集下,兩種控制模型代表的PCS對象均具有跟蹤性能好、魯棒性強、抗干擾能力較強等特點。此外,具有棒位精確反饋的改進型模型有著比傳統(tǒng)型模型更好的跟蹤性能及快速響應(yīng)性,使得這種改進型模型有著更突出的應(yīng)用意義。

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    CLC TL362+.5

    PID design and simulation of TMSR nuclear power control system

    WANG Quanquan1,2,3YIN Congcong1,2,3SUN Xuejing1,3HAN Lifeng1,3CHEN Yongzhong1,3LI Yongping1,3LIU Wei1,3
    1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
    2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
    3(Key Laboratory of Nuclear Radiation and Nuclear Energy Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China)

    Background: Power Control System (PCS) is one of the most significant systems in Reactor Control System (RCS). PCS accomplishes functions such as power lifting, power maintain and power regulation. Purpose: In the solid reactor design scheme in Thorium-based Molten-Salt Reactor (TMSR) nuclear energy system, power controller is designed to generate signals for control rod moving direction and distance according to the deviation and deviation change trend between the measurement power value and preset value with classical Proportional Integral Derivative (PID) control algorithm. Methods: The PID design of PCS has a relationship with the characteristics of closed control loop which is constructed by reactor neutron physics, thermodynamics and transmission performance of control rods. Different design parameters determine various control system steady and dynamic performance. It is important and necessary to give a parameter set that can provide required characteristics for the control models. With the perspective of control engineering, this paper gives simulation and parameter analysis of PID algorithm of PCS on the basis of control rod control system and positioning system that has already been constructed and fundamentals of neutron physics. Apart from this, the controllable and measurable characteristics of two control models (a traditional control model and an improved multiple-loop control model) are investigated. Results: The system controllable and measurable characteristics analysis from transfer function of two control model showed that our control objects were completely controlled and completely measured in any state. The PID design and the simulation results demonstrated that the two control model both achieved satisfactory tracking performance and robustness with appropriate control parameters. Conclusion: In fact, compared with the traditional model, the improved control model which is of practical significance has better dynamic characteristics, especially in working against unmeasurable disturbances.

    Thorium-based Molten-Salt Reactor (TMSR), Power Control System (PCS), Proportional Integral Derivative (PID), Rod control and rod positioning system

    TL362+.5

    10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020601

    中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)科技專項(No.XDA02010300)資助

    汪全全,男,1987年出生,2010年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系,現(xiàn)為博士研究生,研究領(lǐng)域為熔鹽堆功率控制系統(tǒng)設(shè)計與棒控棒位系統(tǒng)設(shè)計

    李勇平,E-mail: liyongping@sinap.ac.cn

    2014-08-25,

    2014-11-11

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