孟安軍

【摘 要】作為系統(tǒng)控制的重要環(huán)節(jié)，功率控制協(xié)調(diào)策略的應(yīng)用將直接影響核反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文首先介紹了核反應(yīng)堆功率控制理論基礎(chǔ)，然后具體探討了核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略，以期為相關(guān)技術(shù)與研究人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】核反應(yīng)堆；功率；控制協(xié)調(diào)策略

核電廠的功率控制系統(tǒng)一般包含核反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)、核反應(yīng)堆冷卻劑溫度控制系統(tǒng)及化學(xué)與容積控制系統(tǒng)。而核電廠功率控制系統(tǒng)對(duì)于改善核反應(yīng)堆的升降、停堆和啟動(dòng)功率及保持核反應(yīng)堆運(yùn)行的穩(wěn)定性等具有重要影響。尤其是做好功率控制協(xié)調(diào)，可確保核反應(yīng)堆保持經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)功率分布及功率控制協(xié)調(diào)須實(shí)現(xiàn)剩余反應(yīng)性的消除，以彌補(bǔ)運(yùn)行中因中毒、溫度變化等造成的反應(yīng)性變化。因此，加強(qiáng)有關(guān)核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略的探討，對(duì)于提高核反應(yīng)功率控制質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 核反應(yīng)堆功率控制理論基礎(chǔ)

1.1 狀態(tài)反饋

線性狀態(tài)反饋控制率的公式為：

u=Lv-Kx

其中：K表示p*n階狀態(tài)反饋增益矩陣，其屬于實(shí)常數(shù)矩陣；v表示p維控制輸入量；L表示p*p維非奇異常數(shù)據(jù)陣，其屬于常數(shù)變換矩陣。將此公式代入原系統(tǒng)獲得的閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式可為：

x=（A-BK）x+BLv

y=Cx

由此分析狀態(tài)反饋的基本性質(zhì)為：（1）輸出反饋可作為狀態(tài)反饋的特例，如當(dāng)K與HC相等時(shí)，則Kx也等于Hy，這時(shí)狀態(tài)反饋與輸出反饋相互等價(jià)；（2）若輸入變換矩陣的L與I相等時(shí)，也就是未對(duì)輸入進(jìn)行變換時(shí)，則可將其稱為基本的狀態(tài)變量反饋；（3）依據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)陣可求解出狀態(tài)反饋對(duì)閉環(huán)傳遞函數(shù)陣的作用。[1]

1.2 極點(diǎn)配置

作為控制系統(tǒng)的一類有效指標(biāo)設(shè)計(jì)，線性系統(tǒng)的極點(diǎn)配置主要以某定常系統(tǒng)為目標(biāo)，構(gòu)造某類線性定?？刂坡剩源偈归]環(huán)系統(tǒng)形成期望的一組極點(diǎn)。此種指標(biāo)的基礎(chǔ)通常包含兩方面：一是系統(tǒng)的極點(diǎn)控制系統(tǒng)響應(yīng)速率；二是系統(tǒng)的極點(diǎn)控制系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定性。在進(jìn)行極點(diǎn)配置時(shí)若采用狀態(tài)反饋方式，應(yīng)先考慮是否能利用狀態(tài)反饋開(kāi)展任意節(jié)點(diǎn)配置，也就是在何種狀態(tài)下才能利用狀態(tài)反饋將系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)設(shè)置在各種期望的位點(diǎn)上；然后需要考慮此種狀態(tài)反饋的實(shí)現(xiàn)方式。

一般系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為：

x=Ax+Bu

y=Cx+Du

采用狀態(tài)反饋u=-Kx+v將此類系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)設(shè)置在各種指定位置的基本前提是此類系統(tǒng)具有完全的可控性。

1.3 線性矩陣不等式

在多數(shù)系統(tǒng)控制問(wèn)題中，問(wèn)題變量多采用矩陣形式表示。常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)線性不等式問(wèn)題主要有三種。假設(shè)F、Ф與P是關(guān)于變量x的對(duì)稱矩陣值放射函數(shù)，c表示設(shè)定的常數(shù)向量。

（1）特征值問(wèn)題：此問(wèn)題是以線性矩陣不等式為限制條件，求矩陣P（x）的最大特征值的最小化問(wèn)題或檢測(cè)問(wèn)題的限制條件能否可行。其一般形式可表示為：

minλ

s.t.P（X）<λI

θ（x）<0

（2）廣義特征值問(wèn)題：此問(wèn)題是以線性矩陣不等式為限制標(biāo)間，求兩個(gè)仿射矩陣函數(shù)的最大廣義特征值的最小化問(wèn)題。其一般形式可表示為：

minλ

s.t.P（X）<λI

F（x）>0

θ（x）<0

（3）可行性問(wèn)題：在設(shè)定的線性矩陣不等式F（x）<0的條件下，確定是否有x使F（x）<0的限制條件成立，此種問(wèn)題便稱為線性矩陣不等式的可行性問(wèn)題。若含有此種x，那么此矩陣不等式是可行的，相反則表示此矩陣不等式不可行。[2]

2 核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略

2.1 反應(yīng)堆功率控制調(diào)節(jié)方法

2.1.1 PID控制器

PID控制是指依照偏差的微分D、積分I和比例P實(shí)施控制。此種控制方法具有較高的可靠性和魯棒性，且算法簡(jiǎn)便，在不同工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)控制中均獲得了較好的控制效果。依據(jù)實(shí)踐結(jié)果，可選用冷卻劑平均溫度PID控制器和功率PID控制器開(kāi)展功率調(diào)節(jié)。PID控制器選用數(shù)字PID控制中的增量算式。在降功率與升功率條件下，選用經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)方式，先對(duì)比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，然后依次分別是積分分?jǐn)?shù)和微分分?jǐn)?shù)，由此獲得降功率與升功率兩部分PID的參數(shù)。因PID控制器并非以系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，所以按照以上參數(shù)設(shè)置的PID控制器在不同工作條件下都具有較好的控制效果，而當(dāng)反應(yīng)堆工作狀況與調(diào)節(jié)工況偏差過(guò)大時(shí)，控制效果便會(huì)明顯減弱。

依據(jù)實(shí)際仿真效果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，升功率時(shí)功率在保持穩(wěn)定后不出現(xiàn)震蕩，冷卻劑溫度的漂移量一般控制在0.2℃以下，而降功率的控制效果低于升功率，降功率時(shí)功率在達(dá)到設(shè)定值后會(huì)先產(chǎn)生震蕩然后趨于穩(wěn)定，冷卻劑溫度的漂移量則升高至1.1℃。造成此種狀況是因?yàn)镻ID控制參數(shù)主要是依據(jù)升功率工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以升功率控制效果要好于降功率。

2.1.2 專家PID控制器

專揀控制是指模擬人工智能將人為對(duì)事件的主觀信念納入到控制系統(tǒng)中，按照高水平操作員的經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)規(guī)則完成系統(tǒng)管控。而專家PID控制便是將PID控制與專家控制規(guī)則相結(jié)合，其不僅具備傳統(tǒng)PID控制的穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，且具備專家控制的智能性。在控制時(shí)主要依據(jù)專家調(diào)整變量的經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜抑R(shí)對(duì)PID控制器內(nèi)的微分、積分和比例實(shí)施有效整定，以大幅度提升PID控制的動(dòng)態(tài)性。而恰當(dāng)設(shè)定和應(yīng)用此類經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是專家PID控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)用中可依據(jù)核反應(yīng)堆功率系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行規(guī)律按照控制需求對(duì)系統(tǒng)變化速率和超調(diào)量實(shí)施控制，直至實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆的功率調(diào)控。此種方案不但能充分利用PID控制器的穩(wěn)定、簡(jiǎn)捷和易于現(xiàn)場(chǎng)操作的特點(diǎn)，還能將專家控制規(guī)則不受被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型影響的特點(diǎn)有效集成，由此可極大提升系統(tǒng)控制質(zhì)量。

2.2 功率控制與功率分布的協(xié)調(diào)

2.2.1 設(shè)定運(yùn)行的目標(biāo)區(qū)域

在設(shè)定反應(yīng)堆工作的目標(biāo)區(qū)域時(shí)，可選用常軸向偏移法，目標(biāo)值A(chǔ)Oref會(huì)與堆芯壽命期限協(xié)同變化。如在對(duì)堆芯壽命周期末進(jìn)行仿真時(shí)，可選取目標(biāo)值A(chǔ)Oref為5%，將其納入到算法中求得工作中軸向功率偏差的目標(biāo)值ΔIref，隨后畫(huà)圖便能得出實(shí)際的功率運(yùn)行目標(biāo)區(qū)域。

2.2.2 功率分布調(diào)節(jié)

可使用雙堆數(shù)學(xué)模型對(duì)反應(yīng)堆堆芯活性區(qū)進(jìn)行劃分，得到的上下部分各選用六組緩發(fā)中子的點(diǎn)堆子動(dòng)力學(xué)方程控制，通過(guò)功率分布系統(tǒng)便能實(shí)時(shí)檢測(cè)上下兩個(gè)點(diǎn)堆的功率狀況，然后利用算法求得軸向偏移；再與實(shí)際功率水平相結(jié)合共同代入到運(yùn)行帶中檢測(cè)能否滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。若滿足則繼續(xù)開(kāi)展功率調(diào)控，若不滿足，則先壓低功率變化幅度，再對(duì)功率分布是否符合梯形圖要求進(jìn)行檢測(cè)，由此循環(huán)監(jiān)控，以確保工作過(guò)程中功率分布符合安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 軸向偏移控制

選用上述功率分布調(diào)節(jié)方式，依據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率由20%上升至100%時(shí)加入?yún)f(xié)調(diào)控制反應(yīng)堆的軸向偏差更低，其運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性更有保障。[3]

3 結(jié)束語(yǔ)

功率控制協(xié)調(diào)策略的應(yīng)用質(zhì)量將直接關(guān)系著核反應(yīng)堆的整體運(yùn)行質(zhì)量和效益，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略的研究，總結(jié)核反應(yīng)堆功率控制措施及關(guān)鍵技術(shù)處理方法，以逐步提升核反應(yīng)堆功率運(yùn)行水平。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙偉寧.核反應(yīng)堆功率的模糊最優(yōu)控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工程大學(xué) 2013，13（14）：74-75.

[2]劉妍.一體化反應(yīng)堆協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2013，6（10）：61-62.

[3]劉沖，周劍良，譚平.基于數(shù)字化控制的核電站反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，5（35）：57-58.

[責(zé)任編輯：湯靜]