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，核動力裝置的生產(chǎn)過程要求保持生產(chǎn)的連續(xù)性和機動性、高度的安全性和經(jīng)濟性.控制理論和技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計更先進、更合理的新一代核動力裝置自動控制系統(tǒng)提供了一系列理論和方法.早期的核動力裝置控制系統(tǒng)由一系列相對獨立的局部控制回路組成，其結(jié)構(gòu)比較簡單，功能比較單一，適應(yīng)機組不同運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態(tài)特性方面的特點，采用多種控制策略，使控制系統(tǒng)具有合理、可靠、易于維護調(diào)整等優(yōu)點［1－2］.所謂協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就是把整個核動力裝置作為一個整體進行控制，采用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把自動調(diào)節(jié)、邏輯控制、聯(lián)鎖保護等功能有機地結(jié)合起來，構(gòu)成一種具有多種控制功能，滿足不同運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為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(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 實驗方案

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，整個冷卻劑都在壓力容器內(nèi)循環(huán)流動.一體化壓水堆具有系統(tǒng)簡單、體積小、質(zhì)量輕、一回路流動阻力小、自然循環(huán)能力高等特點.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.

本文針對某小型一體化反應(yīng)堆的控制方案進行仿真實驗研究，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，對被控對象進行控制，其控制規(guī)律為

圖1 實驗方案流程圖

在Simulink仿真環(huán)境下，建立仿真模型，對該小型一體化反應(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)以及汽輪機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進行常規(guī)PID控制.根據(jù)“堆跟機”運行方案，令汽輪機負荷由0% ～100%階躍變化，觀察反應(yīng)堆功率、蒸汽發(fā)生器給水流量、汽輪機轉(zhuǎn)速等相關(guān)量的變化趨勢.仿真時間設(shè)為1 000 s.

1.2.2 實驗結(jié)果

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

圖2 核功率隨汽輪機變化響應(yīng)情況

圖3 核功率隨時間變化情況

圖4 蒸汽發(fā)生器給水流量隨時間變化情況

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，許多被控對象隨著負荷變

圖5 冷卻劑平均溫度隨時間變化情況

化或干擾因素影響，其對象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變.自適應(yīng)控制運用現(xiàn)代控制理論在線辨識對象特征參數(shù)，適時改變其控制策略，使控制系統(tǒng)品質(zhì)指標保持在最佳范圍內(nèi)，但其控制效果的好壞取決于辨識模型的精確度，這對于復(fù)雜系統(tǒng)是非常困難的.隨著計算機技術(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)驗作為知識存入計算機中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算機能自動調(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控制與先進的專家系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制.這種控制必須精確地確定對象模型，首先將操作人員(專家)長期實踐積累的經(jīng)驗知識用控制規(guī)則模型化，然后運用推理便可對PID參數(shù)實現(xiàn)最佳調(diào)整.

圖6 汽輪機轉(zhuǎn)速隨時間變化情況

表1 常規(guī)PID控制方法的實驗數(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，可以滿足不同時刻偏差E和偏差變化率EC對PID參數(shù)自整定的要求.利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進行校正，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 實驗方案

在Simulink仿真環(huán)境下，建立仿真模型，對該小型一體化反應(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)以及汽輪機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)進行模糊自整定PID控制.根據(jù)“堆跟機”運行方案，令汽輪機負荷由0% ～100%階躍變化，觀察反應(yīng)堆功率、蒸汽發(fā)生器給水流量、汽輪機轉(zhuǎn)速等相關(guān)量的變化趨勢.協(xié)調(diào)控制實驗方案流程圖見圖8.仿真時間設(shè)為1 000 s.

2.2.2 實驗結(jié)果

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

圖7 模糊控制器結(jié)構(gòu)

圖8 實驗方案流程圖

圖9 核功率隨汽輪機變化響應(yīng)情況

圖10 核功率隨時間變化情況

圖11 蒸汽發(fā)生器給水流量隨時間變化情況

圖12 冷卻劑平均溫度隨時間變化情況

表2 模糊自整定PID控制方法的實驗數(shù)據(jù)

圖13 汽輪機轉(zhuǎn)速隨時間變化情況

4 結(jié)論

本文通過對一體化反應(yīng)堆建立動態(tài)數(shù)學(xué)模型，運用Simulink軟件進行仿真，將兩種控制方法研究對比得到以下結(jié)論:

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

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

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

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

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

通過以上對比結(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，響應(yīng)速度快、精度高，可以實現(xiàn)系統(tǒng)控制的智能化，當系統(tǒng)發(fā)生擾動時參數(shù)能夠自動整定.但對于蒸汽發(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“堆跟機”運行方案的控制效果更理想，控制系統(tǒng)響應(yīng)時間和穩(wěn)態(tài)精度都有明顯改善，具有更高的可靠性.

［1］劉金琨.先進PID控制 MATLAB仿真［M］.2版.北京:電子工業(yè)出版社，2004:115－117.

［2］陶永華.PID控制原理與自整定策略［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，1997(4):60－64.

［3］李國勇.神經(jīng)模糊控制理論及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:21－23.

［4］趙偉寧，欒秀春，樊達宜，等.基于單組緩發(fā)中子模型的反應(yīng)堆功率T－S模糊控制［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，29(1):112 －114.