基于功率控制算法減小控制棒位移偏差的研究

王 剛

（北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094）

0 引言

功率控制系統(tǒng)[1]是反應(yīng)堆的重要系統(tǒng)之一，在移動(dòng)控制棒實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率控制時(shí)，其控制系統(tǒng)具有下列功能：

1）在0 ～100%FP 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆功率的控制。

2）平衡反應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的升功率、降功率及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

3）在跟蹤負(fù)荷時(shí)反應(yīng)堆功率隨負(fù)荷而變，這時(shí)用控制棒補(bǔ)償功率反應(yīng)性效應(yīng)，以保證軸向功率分布不受到較大的干擾。

4）控制反應(yīng)堆軸向功率分布。

圖1 棒控系統(tǒng)功能圖Fig.1 Function diagram of the bar control system

功率控制系統(tǒng)是根據(jù)負(fù)荷信號(hào)的大小，把控制棒[2]調(diào)節(jié)到負(fù)荷大小相對(duì)應(yīng)的位置上，以補(bǔ)償因功率變化引起的反應(yīng)性變化。反應(yīng)堆內(nèi)的控制棒由硼和鎘等易于吸收中子的材料制成，當(dāng)控制棒完全插入反應(yīng)堆時(shí)，能夠吸收大量中子，以阻止聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的進(jìn)行；提升控制棒，引入反應(yīng)性，核功率值穩(wěn)定在某一功率值上[3]。因此，控制棒的提/降棒控制對(duì)進(jìn)行核功率控制起著至關(guān)重要的作用[4]，為了實(shí)現(xiàn)核功率控制的穩(wěn)定性和可靠性，減少控制棒棒位偏差意義重大。

控制棒的控制系統(tǒng)由功率控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。

本文描述了功率控制系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制算法實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)方案（包括軟件、硬件方案）的分析，精準(zhǔn)定位問題，通過不同功率控制系統(tǒng)控制方案[5]的實(shí)踐，選擇最適合的算法降低了控制棒位移偏差。以最實(shí)用的方法達(dá)到了提升控制棒棒位精度的目的。

1 功能簡(jiǎn)介

功率控制系統(tǒng)利用控制棒的提升或下降以此控制反應(yīng)堆核功率值。控制棒均勻布置在石墨側(cè)反射層中靠近堆芯活性區(qū)一側(cè)的圓周上。控制棒按照其功能分為3 類：安全棒、調(diào)節(jié)棒、補(bǔ)償棒?？刂瓢舻牟僮鞣质謩?dòng)和自動(dòng)兩種方式，在手動(dòng)操作方式下，控制棒操作提供“單步”和“連續(xù)”兩種工作方式。

控制棒在手動(dòng)模式下，操作員通過HMI 設(shè)定一個(gè)指定的位移量，按下操作臺(tái)“連續(xù)按鈕”再對(duì)控制棒操作開關(guān)執(zhí)行右旋（或左旋）操作，或控制棒操作開關(guān)打在右旋或左旋位置期間按下“連續(xù)按鈕”，則在控制棒操作開關(guān)自復(fù)位到中間位置后，均自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行提棒（或降棒）動(dòng)作。功率控制系統(tǒng)接收到控制臺(tái)上的按鈕觸發(fā)提或降棒指令，通過相應(yīng)的算法，使控制棒達(dá)到預(yù)期的位置。

1.1 功率控制系統(tǒng)軟硬件功能

功率控制系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的軟硬件結(jié)合，向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)[6]。

首先，為了滿足功率控制的算法要求，功率控制系統(tǒng)硬件采用了專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，該模塊在功率控制系統(tǒng)中承擔(dān)了對(duì)于步進(jìn)電機(jī)控制的相關(guān)內(nèi)容，參見圖1 棒控系統(tǒng)功能圖所示，圖中步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所起的作用，主要是完成步進(jìn)信號(hào)的脈沖輸出，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向指令的發(fā)出。

模塊有一個(gè)脈沖輸出通道（PO）用于在選定模式下輸出步進(jìn)脈沖數(shù)，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)控制輸出DO 信號(hào)，用于在功率監(jiān)測(cè)時(shí)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)指令給步進(jìn)電機(jī)。一個(gè)轉(zhuǎn)向控制輸出DO信號(hào)，用于在功率控制模式下對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。

PO 信號(hào)通道輸出頻率限制電路，然后經(jīng)高速光耦隔離輸出到端子模塊的接線端子上。DO 信號(hào)輸出為固態(tài)繼電器觸點(diǎn)信號(hào)，連接到端子模塊的接線端子上。通過這樣的硬件設(shè)計(jì)降低了脈沖輸出及DO 輸出出現(xiàn)誤差的可能性，為保障系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度起到了重要的作用。同時(shí)，模塊具備脈沖計(jì)數(shù)、重置等功能，模塊發(fā)出的所有脈沖信號(hào)都會(huì)通過計(jì)數(shù)功能記錄下來并回傳給功率控制系統(tǒng)。

隨后，功率控制系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)控制模塊發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)（DO）、轉(zhuǎn)向(DO)、脈沖(PI)三種信號(hào)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1棒控系統(tǒng)功能圖所示。

◇ 轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)決定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否開始工作。

◇ 轉(zhuǎn)向信號(hào)決定驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)向。

◇ 固定頻率脈沖信號(hào)決定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定了控制棒的提棒、降棒和相應(yīng)的速度。

1.2 步進(jìn)電機(jī)與功率控制系統(tǒng)信號(hào)接口

由控制棒驅(qū)動(dòng)器柜提供步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要的220V AC 和24V DC 供電，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與功率控制系統(tǒng)之間的控制及通訊信號(hào)主要有以下5 個(gè)：

1）轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)（EN+，EN-）

在驅(qū)動(dòng)器向功率控制系統(tǒng)發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號(hào)的前提下，可由功率控制系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)。使能信號(hào)存在時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)向及步進(jìn)脈沖信號(hào)；使能信號(hào)不存在時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向及步進(jìn)脈沖信號(hào)不響應(yīng)。

2）轉(zhuǎn)向控制信號(hào)（DIR+，DIR-）

高電平代表正向轉(zhuǎn)動(dòng)，向著電機(jī)下軸伸看，轉(zhuǎn)向是逆時(shí)針，此時(shí)控制棒提升。

低電平代表反向轉(zhuǎn)動(dòng)，向著電機(jī)下軸伸看，轉(zhuǎn)向是順時(shí)針，此時(shí)控制棒下插。

3）步進(jìn)脈沖信號(hào)（CP+，CP-）

步進(jìn)脈沖信號(hào)為占空比1:1 的方波脈沖信號(hào)，輸入信號(hào)脈沖為沿有效方式。

在啟動(dòng)、停止時(shí)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部會(huì)針對(duì)脈沖頻率變化進(jìn)行內(nèi)部升降速設(shè)置，以保證步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠性。

1.3 控制要點(diǎn)

控制棒驅(qū)動(dòng)算法的核心功能是控制驅(qū)動(dòng)棒在可控范圍內(nèi)自由動(dòng)作，按照位移需求，精確實(shí)現(xiàn)提/降棒，從而按需要控制核反應(yīng)的反應(yīng)性，使得系統(tǒng)可控。具體而言，該算法實(shí)現(xiàn)的功能包含以下兩點(diǎn)：

◇ 實(shí)現(xiàn)提/降棒動(dòng)作。

◇ 實(shí)現(xiàn)控制棒的定量位移，消除提/降棒過程中控制棒的棒位偏差。

控制棒的位移多少由系統(tǒng)發(fā)出的固定頻率脈沖時(shí)間決定，時(shí)間越長(zhǎng)給驅(qū)動(dòng)設(shè)備的脈沖量越多，控制棒的位移就越大?？刂瓢粼隍?qū)動(dòng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行上下移動(dòng)，功率控制系統(tǒng)采集當(dāng)前棒位值，當(dāng)棒位達(dá)到預(yù)期棒位時(shí)，功率控制系統(tǒng)停止發(fā)出指令，控制棒停止。根據(jù)系統(tǒng)要求，控制棒在手動(dòng)調(diào)節(jié)的情況下，可達(dá)到50mm/s 的位移?？刂葡到y(tǒng)脈沖信號(hào)發(fā)出后，當(dāng)控制棒達(dá)到位移要求時(shí)，控制信號(hào)應(yīng)立即停止發(fā)出。因此，快速準(zhǔn)確判斷棒位，快速作出反應(yīng)是控制上的要點(diǎn)。

2 控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 算法設(shè)計(jì)流程

在實(shí)現(xiàn)功率控制系統(tǒng)控制功能要求的前提下，本算法采用了功能化的程序模塊設(shè)計(jì)方式[7]對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行編程和優(yōu)化，增強(qiáng)了程序的可讀性和實(shí)用性，明顯減少了運(yùn)行程序的重復(fù)掃描時(shí)間，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

控制算法開發(fā)總體過程如圖2 所示。主要包括以下幾個(gè)階段[8]：

1）功能分析。這個(gè)階段主要是對(duì)功能設(shè)計(jì)方的輸入文件的審查和分析，包括I/O 清冊(cè)，流程圖等文件的審查分析。

2）組態(tài)規(guī)范定義。本階段要在具體組態(tài)工作進(jìn)行之前，對(duì)具體組態(tài)規(guī)則的定義包括：點(diǎn)命名、特定功能模塊定義、單位邏輯方案頁(yè)的定義等。

3）數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)。主要是根據(jù)系統(tǒng)工藝及功能要求對(duì)系統(tǒng)的物理點(diǎn)、內(nèi)部點(diǎn)進(jìn)行分配規(guī)劃，此工作是整個(gè)軟件開發(fā)的核心工作。

4）編寫算法圖。在本階段進(jìn)行具體的程序組態(tài)工作，使用CFC 算法圖的方法對(duì)程序進(jìn)行編寫實(shí)現(xiàn)。

5）軟件測(cè)試、回歸、驗(yàn)證。最后階段通過軟件仿真測(cè)試對(duì)軟件中的問題進(jìn)行確認(rèn)、回歸、驗(yàn)證。

圖2 控制算法開發(fā)流程圖Fig.2 Control algorithm development flowchart

2.2 算法功能分解

控制棒的控制從本質(zhì)上講是對(duì)控制棒的方向控制和位移量的控制。因此，對(duì)于控制算法而言，可分解為提/降棒算法和到位判斷算法，如圖3 算法功能分解。

◇ 提/降棒算法：提/降棒指令和位移量指令到達(dá)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向和固定頻率輸?shù)拿}沖信號(hào)，當(dāng)前棒位移達(dá)到預(yù)期目標(biāo)時(shí)停止輸出。

◇ 位移判斷算法：通過采集信號(hào)判斷棒位移是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.3 典型的控制算法實(shí)現(xiàn)

1）提/降棒判斷邏輯

當(dāng)有效的提棒指令或者降棒指令輸入時(shí)，當(dāng)該計(jì)算周期內(nèi)沒有“提/降棒已到位的信號(hào)”時(shí)，根據(jù)指令輸出轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，如圖4 所示。

2）位移判斷邏輯

提/降棒操作發(fā)生時(shí)，通過對(duì)棒位的變化量與位移設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)變化量大于設(shè)定值時(shí)，輸出提/降棒已到位信號(hào)，如圖5 位移判斷邏輯。

3 偏差分析與消除

圖4 提降棒判斷邏輯Fig.4 Lifting bar judgment logic

圖5 位移判斷邏輯Fig.5 Displacement judgment logic

圖3 算法功能分解Fig.3 Algorithm functional decomposition

控制系統(tǒng)中，通常以功率控制系統(tǒng)采集到的棒位測(cè)量?jī)x表信號(hào)作為運(yùn)算的輸入[9]。在位移判斷過程中的“當(dāng)前棒位”就應(yīng)為現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)際棒位為輸入，形成一個(gè)閉環(huán)控制。一個(gè)采樣周期，位移設(shè)定值與當(dāng)前棒位值對(duì)于一次。當(dāng)前棒位值沒有達(dá)到位移設(shè)定值時(shí)，功率控制系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)指令升或降控制棒，到下一個(gè)周期，再對(duì)比時(shí)，有可能當(dāng)前棒位值就大于棒位設(shè)定值了。因此，就產(chǎn)生了控制棒位移偏差。系統(tǒng)對(duì)提/降棒是否到位的判斷是執(zhí)行和停止控制信號(hào)的唯一依據(jù)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確得到“當(dāng)前棒位”就決定了控制棒位的準(zhǔn)確性。功率控制系統(tǒng)有兩種方法能夠按照操作員的要求，達(dá)到預(yù)期的棒位，這兩種方法為“棒位比較法”和“脈沖法”。

3.1 棒位比較法的偏差分析

采用“棒位比較法”進(jìn)行判斷控制棒是否達(dá)到預(yù)期位移；功率控制系統(tǒng)對(duì)從現(xiàn)場(chǎng)采集到的棒位信號(hào)與控制棒的位移進(jìn)行對(duì)比，每個(gè)周期進(jìn)行一次。

控制棒的位移計(jì)算公式如下：

控制棒位移=（脈沖頻率×脈沖時(shí)間）/脈沖位移比

其中：

◇ 脈沖位移比是指控制棒每移動(dòng)1mm 所需的脈沖數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出，在棒控系統(tǒng)中，該項(xiàng)幾乎是一個(gè)常數(shù)，為50 脈沖/mm。

◇ 脈沖頻率可由功率控制系統(tǒng)根據(jù)提/降棒的速度要求進(jìn)行設(shè)定，工藝要求控制棒運(yùn)行速度為50mm/s。因此，每秒需要功率控制系統(tǒng)發(fā)出2514 脈沖。

◇ 脈沖時(shí)間為脈沖信號(hào)從發(fā)出到停止所用的時(shí)間。

圖6 棒位偏差曲線Fig.6 Bar position deviation curve

由于控制棒棒位是全局變量以周期發(fā)送的形式進(jìn)行，傳遞周期為1s。因此，棒位信號(hào)送往功率控制系統(tǒng)，而后“位移判斷邏輯”判斷出“提/降棒已到位”后再發(fā)出停止信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)已經(jīng)多發(fā)出了1s 左右的脈沖，換算為控制棒位移多出50mm 左右。以提棒為例，見圖6 棒位偏差曲線。

在核電站冷試階段對(duì)棒控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，操縱員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)提棒操作，發(fā)現(xiàn)偏差超出系統(tǒng)最大偏差允許范圍（50mm），見表1 棒位比較法-提棒測(cè)試結(jié)果和表2 棒位比較法-降棒測(cè)試結(jié)果。

表1 分別是設(shè)置連續(xù)提棒的數(shù)值，原始的棒位，提棒后的實(shí)際棒位和預(yù)計(jì)的棒位，最后一列是預(yù)期棒位和實(shí)際棒位的差值。

從表1、表2 可以看出，無論是降棒還是提棒，實(shí)際控制棒的棒位比預(yù)計(jì)的棒位都多出來了40mm ～90mm。棒速是50mm/s，采樣周期為1s，也就是棒位存在這個(gè)差值就是采樣周期產(chǎn)生的。

3.2 脈沖法的偏差分析

采用“脈沖法”進(jìn)行判斷控制棒是否達(dá)到預(yù)期位移，是利用步進(jìn)電機(jī)控制模塊的脈沖數(shù)回讀功能實(shí)現(xiàn)的。步進(jìn)電機(jī)模塊在發(fā)出脈沖后會(huì)在模塊內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過計(jì)算發(fā)出的脈沖數(shù)換算成棒位移量，將圖5 位移判斷邏輯中的“當(dāng)前棒位”改為“當(dāng)前脈沖回讀值”，而“位移設(shè)定”改為“脈沖數(shù)設(shè)定”：

脈沖數(shù)設(shè)定值=位移設(shè)定值×脈沖位移比

由于脈沖數(shù)回讀值在功率控制系統(tǒng)內(nèi)，因而不存在數(shù)據(jù)采樣延時(shí)情況。通過實(shí)驗(yàn)獲得以下測(cè)試結(jié)果，見表3 脈沖法—提棒測(cè)試結(jié)果和表4 脈沖法—降棒測(cè)試結(jié)果。

表1 棒位比較法—提棒測(cè)試結(jié)果Table 1 Bar comparison-lifting rod test results

表2 棒位比較法—降棒測(cè)試結(jié)果Table 2 Bar comparison-drop bar test results

表3 脈沖法—提棒測(cè)試結(jié)果Table 3 Pulse method-lift bar test results

表4 脈沖法—降棒測(cè)試結(jié)果Table 4 Pulse method-drop bar test results

從表3，表4 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可見，采用脈沖法，無論升棒還是降棒，棒位偏差都低于5mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

脈沖法沒有采用棒位采集數(shù)值作為計(jì)算依據(jù)，因而在控制算法中加入了計(jì)算棒位與實(shí)際棒位的偏差，一旦因步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)生故障導(dǎo)致脈沖信號(hào)丟失而使控制棒位移不足時(shí)，功率控制系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)維護(hù)措施。

4 結(jié)束語

通過功率控制系統(tǒng)控制控制棒方式的更改，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制棒準(zhǔn)確、快速、有效的位移控制。避免了因?yàn)榭刂瓢粑灰破钸^大造成核功率難以控制等問題發(fā)生，極大地提高功率控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)核功率的可靠性，從而保證了反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運(yùn)行。