基于MELTAC—R3技術(shù)PID無擾切換的研究

王瑜+艾強(qiáng)發(fā)

【摘 要】CPR1000核電廠的眾多系統(tǒng)采用PID控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制的無擾切換關(guān)系到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，是控制邏輯設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)要考慮的問題。通過對MELTAC-R3平臺的PID無擾切換研究，對后續(xù)安全級DCS實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化有著重要的意義。

【Abstract】Many system of CPR1000 nuclear power station adopts PID to control. It is a key problem in the design of control logic to realize the switch between manual and automatic control. Through the research of the MELTAC-R3 platform's PID switch， it is very important for the realization of the domestic DCS.

【關(guān)鍵詞】PID；DCS；無擾切換

【Keywords】PID；DCS；disturbing switching；

【中圖分類號】TM315 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0112-02

1 引言

PID控制器具有穩(wěn)定性強(qiáng)、使用方便、無靜差跟蹤等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)控制過程。隨著數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）技術(shù)日趨成熟，中國改進(jìn)型三環(huán)路壓水堆（CPR1000）的眾多工藝參數(shù)（溫度、壓力、流量等）系統(tǒng)采用PID控制，其控制回路有手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種方式。當(dāng)自動(dòng)切換到手動(dòng)，執(zhí)行器保持在手動(dòng)切換前狀態(tài)，由手動(dòng)輸入值控制，無擾動(dòng)；當(dāng)手動(dòng)切換自動(dòng)，若輸出與切換前不一致，則產(chǎn)生輸出擾動(dòng)，對現(xiàn)場控制過程造成很大干擾。因此，保證手自動(dòng)的無擾切換，無須人工進(jìn)行手自動(dòng)的對位平衡操作，是PID控制方案設(shè)計(jì)需考慮的重要問題之一。

2 PID的擾動(dòng)分析

PID采用線性調(diào)節(jié)，通過對偏差（給定值r（t）與輸出值c（t）之差）進(jìn)行比例P、積分I、微分D計(jì)算后，實(shí)現(xiàn)對被控系統(tǒng)的控制。

典型的PID算法如下：

在核電站的控制調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)閥一般都具有手自動(dòng)兩種控制功能。手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，PID調(diào)節(jié)不起控制作用，調(diào)節(jié)閥由操作員手動(dòng)通過手操器設(shè)定閥門開度。此時(shí)，根據(jù)前文描述，偏差

當(dāng)控制器由手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)，PID調(diào)節(jié)器接手手動(dòng)控制作用，由上述兩個(gè)條件得知，PID輸入偏差e（t）為0，控制器不執(zhí)行調(diào)節(jié)作用，此時(shí)，輸出保持最后的手動(dòng)控制值；由于PID調(diào)節(jié)器的輸出U（t）等于切換前的手動(dòng)控制值，切換瞬間輸出不變，不會(huì)引起系統(tǒng)擾動(dòng)[1]。

3 MELTAC-R3平臺PID無擾切換的實(shí)現(xiàn)

某核電廠（CPR1000）安全級DCS平臺采用日本三菱電機(jī)公司供貨的MELTAC-N-PLUS-R3技術(shù)，按照核安全分級原則，將部分SR級和全部1E級的控制邏輯在安全級DCS平臺中實(shí)現(xiàn)。其中，涉及模擬量調(diào)節(jié)控制部分的主要有GCT-a閥門開度控制、 ASG/RRA/RCV等相關(guān)系統(tǒng)的核安全相關(guān)調(diào)節(jié)閥的控制。下面以GCT-a閥門為例說明PID調(diào)節(jié)器的無擾切換功能。

GCT-a閥門的控制分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式，控制的輸入測量值是VVP主蒸汽管線壓力，整定值由操作站給出，當(dāng)操作站置于外部模式時(shí)，整定值是78.5bar.a；當(dāng)操作站置于內(nèi)部模式時(shí)，整定值由操縱員手動(dòng)設(shè)定SV值給出。CPU根據(jù)測量值和整定值的偏差信號，輸出GCT131VV的開度信號。GCT131VV也可以通過操作站MV手動(dòng)控制閥門開度。

比例環(huán)節(jié)作用是輸出不失真、不延遲、成比例的復(fù)現(xiàn)輸入信號的變化。增大比例系數(shù)P可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，比例系數(shù)過大會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)量，產(chǎn)生振蕩，破壞調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于積分環(huán)節(jié)，增大積分時(shí)間常數(shù)可以減小超調(diào)和震蕩、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但是增加積分時(shí)間會(huì)延長系統(tǒng)消除靜差的時(shí)間。GCT-a閥門的PID調(diào)節(jié)未使用微分環(huán)節(jié)。

3.1 自動(dòng)控制方式

控制器選擇自動(dòng)模式，最終輸出模塊的輸入為S端，即PID調(diào)節(jié)器（XGCT402RG15）。PID調(diào)節(jié)器正常工作，輸入為現(xiàn)場實(shí)測壓力和設(shè)定值之差。PID調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過限值模塊LMT由AO卡輸出。

3.2 自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式

自動(dòng)模式時(shí)，手動(dòng)輸入MV值跟隨自動(dòng)輸出，手操器的輸入即為自動(dòng)模式的輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下手動(dòng)設(shè)定值跟隨自動(dòng)模式的PID輸出。當(dāng)切換到手動(dòng)控制時(shí)，因初始手動(dòng)設(shè)定值MV跟隨自動(dòng)模式時(shí)PID的輸出，擾動(dòng)偏差為0，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換到手動(dòng)的無擾切換。

3.3 手動(dòng)控制方式

手動(dòng)控制時(shí)，PID調(diào)節(jié)器的輸入切換為R手動(dòng)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)手操器對就地閥門的直接控制。

3.4 手動(dòng)模式切換到自動(dòng)模式

手動(dòng)模式時(shí)，PID運(yùn)算自動(dòng)選擇器（XGCT402RG14）選擇輸入為手動(dòng)輸出值XGCT402ME2與比例環(huán)節(jié)之差。而PID調(diào)節(jié)器（XGCT402RG15）的輸入為XGCT402RG14與比例環(huán)節(jié)之和。因此，手動(dòng)控制時(shí)，PID調(diào)節(jié)器的輸出為手動(dòng)輸出值先減去比例環(huán)節(jié)再加上比例環(huán)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)的輸出跟隨手動(dòng)輸出值。此時(shí)，當(dāng)閥門控制切換到自動(dòng)控制時(shí)，初始擾動(dòng)偏差為0，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)切換到自動(dòng)的無擾切換。

4 結(jié)論

論文結(jié)合安全級DCS的工程實(shí)踐，對MELTAC-R3平臺PID調(diào)節(jié)器的控制原理和功能做了詳細(xì)介紹。通過PID無擾切換的算法分析，本質(zhì)在于手動(dòng)控制可以消除長時(shí)間積分的偏差，使系統(tǒng)更加快速的調(diào)節(jié)；而自動(dòng)控制時(shí)可以消除比例作用和微分增益在切換時(shí)引起的偏差。PID調(diào)節(jié)器的手/自動(dòng)無擾切換關(guān)系到現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行壽命和機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，是我們在做控制方案設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的問題，也是閉環(huán)控制系統(tǒng)組態(tài)調(diào)試需解決的關(guān)鍵問題。CPR1000核電廠采用DCS控制系統(tǒng)后，由于數(shù)字化帶來的方便性，功能強(qiáng)大的PID模塊與其他模塊配合使用使參數(shù)跟蹤更易于實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)各種各樣的無擾切換要求。

【參考文獻(xiàn)】

【1】黃翼虎，賈喜梅，周澤魁.調(diào)節(jié)閥PID控制器自動(dòng)/手動(dòng)無擾切換的實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2003（4）：85-86.