CN100483277C

CN100483277C - 基于模糊解耦的核动力装置的控制装置及协调控制方法

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Publication number: CN100483277C
Application number: CNB2007101446787A
Authority: CN
Inventors: 张伟; 夏国清; 边信黔; 付明玉; 李娟�
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-04-29
Anticipated expiration: 2027-11-27
Also published as: CN101183246A

Abstract

本发明提供的是基于模糊解耦的核动力装置的控制装置及协调控制方法。由基础控制级和协调控制级组成，而协调控制级则又包括管理部分和协调部分，基础控制级包括汽轮机转速控制回路、蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路和反应堆功率控制回路。模糊解耦控制器是在汽轮机转速控制回路和蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路之间加上一个适当的补偿器，以消除耦合回路对主回路的影响，使各回路能分别独立控制，达到解耦控制的目的。本发明适用于核动力装置这样具有严重的非线性、耦合性、时变性的系统，控制精度高，鲁棒性好。可实际应用于核动力装置控制系统设计中，能提高整个系统的控制品质。

Description

基于模糊解耦的核动力装置的控制装置及协调控制方法

技术领域

本发明涉及核动力装置的控制装置，本发明也涉及核动力装置的控制方法，具体地说是一种基于模糊解耦策略的核动力装置的控制装置及协调控制方法。

背景技术

核动力装置是一个复杂的大系统。早期的核动力装置控制系统有一系列相对独立的局部控制回路组成，其结构比较简单，但是适应装置不同运行方式和工况的能力比较差。

在大多数多输入多输出控制系统中，一个输入信号的变化会使多个输出量发生变化，每个输出也不只是受一个输入的影响。而过程控制则要求系统能够安全稳定地运行，有较好的调节性能，能以较小的误差跟踪设定值的变化或使稳态误差为零。核动力装置主要包括反应堆、蒸汽发生器和汽轮机等设备，其整个控制系统就是这样的一个多输入多输出控制系统，其中蒸汽发生器的出口蒸汽压力控制与汽轮机转速控制存在严重的耦合，这对整个系统的安全、经济运行具有很大的影响。

在对现有的技术文献检索发现，目前的核动力装置协调控制方法有晏勇等的10MW高温气冷堆的协调控制方案，并给出了10MW高温气冷堆的协调控制方法，没有针对蒸汽发生器和汽轮机之间的耦合性进行研究。因此，引入模糊解耦控制方法将有助于进一步改善核动力装置的控制品质。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以使核动力装置控制精度提高，鲁棒性更好的基于模糊解耦的核动力装置的控制装置及协调控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的基于模糊解耦的核动力装置的控制装置由基础控制级和协调控制级组成；协调控制级包括管理部分1和协调部分；基础控制级包括汽轮机转速控制回路、蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路和反应堆功率控制回路；由汽轮机转速控制器3、汽轮机蒸汽阀7和核动力装置10组成汽轮机转速控制回路；由出口蒸汽压力控制器4、给水阀8和核动力装置10组成蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路；由反应堆功率控制器5、控制棒驱动机构9和核动力装置10组成反应堆功率控制回路；协调部分中包括函数发生器2；在汽轮机转速控制回路和蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路之间加上为模糊解耦控制器6。

本发明的基于模糊解耦的核动力装置的控制装置还可以包括：

1、所述的协调器是协调核动力装置反应堆功率控制、出口蒸汽压力控制与转速控制的协调器。

本发明基于模糊解耦的协调控制方法为：

(1)利用测量系统测出核动力装置的状态参数信息；

(2)通过模拟/数字转换器将得到的状态参数转换成数字信号，数字信号在经过协调器后，分别送给三个控制器；

(3)将其中两个控制器的输出送至模糊解耦控制器中；

(4)模糊解耦控制器中包含的模糊解耦算法对接受的精确信息模糊化，得到输入量的模糊值，根据输入量的模糊值，按模糊控制规则及解耦控制调节参数，通过模糊推理计算控制量的模糊值，最后通过解模糊计算获得精确的控制量，编制成表格，通过查表实现解耦控制；

(5)控制器所产生的控制信号经过数字/模拟转换器产生模拟信号并经过信号放大器增强后输出给执行机构；

(6)执行机构按指令执行，将整个系统变化到指定的工况下。

本发明基于模糊解耦的协调控制方法还可以包括：

1、所述的核动力装置的状态参数信息包括：反应堆中子通量、一回路反应堆入口温度、一回路反应堆出口温度、蒸汽发生器出口蒸汽压力、二回路给水流量、蒸汽发生器出口蒸汽流量和汽轮机转速。

2、所述的测量系统是温度传感器、压力传感器、流量计、转速计以及中子密度探测器。

3、所述的协调器是协调核动力装置反应堆功率控制、出口蒸汽压力控制与转速控制的矛盾。

4、所述的三个控制器，包括反应堆功率控制器、蒸汽发生器出口蒸汽压力控制器和汽轮机转速控制器。

5、所述的两个控制器是蒸汽发生器出口蒸汽压力控制器和汽轮机转速控制器。

6、所述的模糊控制规则是指根据已有的经验和技术知识构造的一系列if-then(如果-则)语言规则。

7、所述的模糊推理是指选定的推理方法，从输入量和控制规则推理得出输出量值。

8、所述的解模糊计算是指从输出控制量的模糊值中找出一个最能代表模糊解耦作用可能分布的精确量。

本发明的工作原理是：本发明的核心部分是基于模糊解耦策略的协调控制系统的设计。此系统是核动力装置协调控制系统和模糊解耦策略的结合。

核动力装置协调控制系统是一种二级递阶控制系统，由协调控制级和基础控制级两大部分组成，而协调控制级由管理部分与协调部分组成，基础控制级由反应堆功率控制、二回路出口蒸汽压力控制和汽轮机转速控制组成。

基础控制级处于控制系统的底层，主要由三个控制回路组成，分别是一回路反应堆功率控制回路、二回路出口蒸汽压力控制回路以及汽轮机转速控制回路。一回路反应堆功率控制回路通过对反应堆控制棒的控制来实现一回路平均温度保持不变；二回路出口蒸汽压力控制回路则是控制给水流量来实现二回路出口蒸汽压力恒定；汽轮机转速控制回路调节汽轮机调度阀门的开度来满足负荷变化的要求。

协调部分作用是对整个核动力装置的各个控制回路进行协调。用蒸汽压力偏差作用于汽轮机转速控制回路，让汽轮机侧在控制输出转速的同时，配合蒸汽发生器侧共同控制蒸汽压力，从而改善蒸汽压力的控制质量。将汽轮机进口蒸汽流量代表对蒸汽发生器的能量需求，作为前馈信号引入到二回路出口蒸汽控制回路和一回路平均温度控制中。

管理部分要根据外界负荷指令的变化，在线给出并调整基础控制级各回路的设定值、基础控制级各回路的控制器参数和模糊解耦控制器的增益。

模糊解耦控制实际是加入一个适当的补偿器，以消除耦合回路对主回路的影响，使各回路能分别独立控制，达到解耦控制的目的。由于模糊控制器本身的特殊性，所以不可能做到而且也没有必要做到使各回路完全独立。实际上只需将耦合产生的影响降低到尽可能低的程度，使它不至于影响各主回路的正常调节就可以。

模糊解耦控制器应用在出口蒸汽压力控制回路和汽轮机转速控制回路之间。其是因为其两回路相互关联，存在着强烈的耦合特性。当核动力装置在大范围升降负荷时，蒸汽压力与转速变化较大，蒸汽压力的波动特别大，这对汽轮机装置运行很不利。

模糊解耦控制器的设计实际上就是建立模糊解耦补偿表，取汽轮机转速控制回路和二回路出口蒸汽压力控制回路控制器输出的控制量u₁、u₂为模糊解耦控制器的输入信息，补偿表的补偿系数作为模糊解耦控制器的输出信息。

首先，假设补偿表系数的语言变量由C表示，其模糊子集：

C＝{IB，IM，IS，OK，SS，SM，SB}

式中IB、IM、IS、OK、SS、SM及SB分别表示大补、中补、小补、不补、小减、中减、大减的模糊概念。

回路1的控制增量u₁的语言变量由A表示，其模糊子集为

A＝{PB，PM，PS，O，NS，NM，NB}

式中PB、PM、PS、O、NS、NM及NB分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中及负大。

回路2的控制增量u₂的语言变量用B表示，其模糊子集及其论域、隶属度取值与A相同。

然后，模糊解耦控制器在模糊集中给每一个变量赋于一个置信度。每一个模糊集的置信度函数都是以零点为中心，正负两边成对称分布。每个变量的置信度函数曲线均为对称的单波峰形状。正零点处的置信度比其它各点都要小。

模糊解耦控制器是通过模糊控制规则把模糊输入集和输出集联系起来，模糊控制规则才用if-then语句。其采用经验归纳法，即根据专家的控制经验，经过进一步加工、整理、提炼后构成控制规则。实际上是将操作者的手动控制策略加以总结而得到的若干条模糊条件语句的集合，通常可简写为一个表，称之为模糊解耦控制状态表。状态表如下：

将模糊解耦控制器与核动力装置的协调控制系统结合，构成基于模糊解耦策略的核动力装置协调控制系统。

本发明的优点在于适用于核动力装置这样具有严重的非线性、耦合性、时变性的系统，控制精度高，鲁棒性好，尤其在大幅度变化负荷时。

附图说明

图1为基于模糊解耦控制的核动力装置协调控制系统的总体结构图；

图2为核动力装置协调控制系统的模糊解耦控制结构图；

图3为堆芯平均温度变化曲线；

图4为出口蒸汽压力变化曲线；

图5为汽轮机功率变化曲线；

图6为语言变量C的赋值表；

图7为语言变量A、B的赋值表；

图8为模糊解耦控制状态表；

图9为模糊解耦控制补偿表。

具体实施方式

本实施例的测量系统采用温度传感器、压力传感器、流量计以及中子密度探测器，工控机内含基于模糊解耦策略的核动力装置协调控制软件，执行机构采用控制棒、给水阀和蒸汽阀。

结合图1，整个核动力协调控制系统由基础控制级和协调控制级组成，而协调控制级则又包括管理部分1和协调部分。基础控制级包括汽轮机转速控制回路、蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路和反应堆功率控制回路。由汽轮机转速控制器3、汽轮机蒸汽阀7和核动力装置10组成汽轮机转速控制回路；由出口蒸汽压力控制器4、给水阀8和核动力装置10组成蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路；由反应堆功率控制器5、控制棒驱动机构9和核动力装置10组成反应堆功率控制回路。协调部分中2为函数发生器，起协调作用。

其协调控制方法包括以下几个步骤：

(1)通过温度传感器、压力传感器、流量计以及中子密度探测器测量系统测量核动力装置的状态参数信息，包括反应堆中子通量、一回路反应堆入口温度、一回路反应堆出口温度、蒸汽发生器出口蒸汽压力、二回路给水流量、蒸汽发生器出口蒸汽流量、汽轮机转速；

(2)状态参数信息通过信号线输入工控机。计算机控制模拟/数字转换器定时采集状态参数信息。

(3)基于模糊解耦控制的核动力装置协调控制系统的总体结构图见图1。基础控制级中一回路反应堆功率控制回路采用PID控制反应堆内控制棒来实现一回路平均温度保持不变；二回路出口蒸汽压力控制回路选择二回路工质入口流量作为中间辅助变量，构成出口压力和流量的串级控制系统，同时对蒸汽发生器二次侧的给水也进行了有效的控制；汽轮机转速控制回路采用PID控制调节汽轮机调度阀门的开度来满足负荷变化的要求。

协调控制级将汽轮机进口蒸汽流量需求信号作为前馈信号。汽轮机进口蒸汽流量W_P反映了蒸汽发生器的能量需求，将它作为反应堆期望功率的参量引入反应堆功率控制中，反应堆期望功率n₀＝K1×W_P+f(x)×(T_av0-T_av)，其中f(x)为函数发生器。可见反应堆期望功率n₀跟蒸汽流量W_P近似成比例关系。由于蒸汽流量W_P变化能立刻改变n₀值，使反应堆功率调节的快速性得到了改善。当直流蒸汽发生器进行给水流量控制时，引进蒸汽流量到串级PID控制的副控制器前，使得它与给水流量偏差迅速增加，通过副控制器控制输出，不仅有效地对给水流量进行了控制，而且按蒸汽流量与给水流量偏差减少外界负荷变化带来的影响，从而减少蒸汽压力的波动，有效地限制蒸汽压力在规定范围内。将蒸汽流量作为对核蒸汽发生装置输入能量(反应堆功率及给水流量)的需求信号，既补偿了核蒸汽发生装置侧动态迟延和惯性，加快负荷响应，同时又能保持汽轮机耗能与核蒸汽发生装置产能的平衡，从而实现它们之间的基本协调。

管理级根据外界负荷指令的变化，在线调整核动力装置协调控制系统中的工况设定值和控制器参数，改善改善整个系统的动态品质。

模糊解耦控制器取一回路反应堆功率控制回路和二回路出口蒸汽压力控制回路控制器输出的控制量u₁、u₂为模糊解耦控制器的输入信息，补偿表的补偿系数作为模糊解耦控制器的输出信息。模糊解耦控制结构图见图2。

设补偿系数的语言变量由C表示，C的论域规定为：

C＝{-3，-2.5，-2，-1.5，-1，-0.5，-0.25，0，0.25，0.5，1，1.5，2，2.5，3}

C的隶属度赋值见图6中的表。

主回路1的控制增量u₁的语言变量由A表示，

A的论域规定为：

A＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}

主回路2的控制增量u₂的语言变量用B表示，其模糊子集及其论域、隶属度取值与A相同。

二者隶属度赋值由图7中的表给出。

根据模糊控制规则(见图8中的表)得出模糊解耦控制状态表，见图9中的表。

(4)将控制系统产生的控制信号作为执行机构的控制量，执行机构按指令动作，将核动力装置变化到指定的工况下。

对本发明提供的基于模糊解耦策略的核动力装置协调控制系统进行了模拟试验。模拟核动力装置从100％功率，阶跃变化至20％功率各参数变化情况。试验结果见附图3-5，其分别给出了未解耦协调控制和模糊解耦协调控制情况下的堆芯平均温度、出口蒸汽压力以及汽轮机功率变化曲线(实线为未解耦协调控制，虚线为解耦协调控制)。从中可以看出，应用模糊解耦策略后，出口蒸汽压力的超调量减小，堆芯平均温度以及汽轮机功率稳定时间缩短，控制效果得到改善。

本发明的优点在于，当核动力装置进行大幅度负荷变化时，整个系统的控制精度高，鲁棒性好。可实际应用于核动力装置控制系统设计中，进行海洋领土的防御等。

Claims

1、一种基于模糊解耦的核动力装置的控制装置，由基础控制级和协调控制级组成；其特征是：协调控制级包括管理部分[1]和协调部分；基础控制级包括汽轮机转速控制回路、蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路和反应堆功率控制回路；由汽轮机转速控制器[3]、汽轮机蒸汽阀[7]和核动力装置[10]组成汽轮机转速控制回路；由出口蒸汽压力控制器[4]、给水阀[8]和核动力装置[10]组成蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路；由反应堆功率控制器[5]、控制棒驱动机构[9]和核动力装置[10]组成反应堆功率控制回路；协调部分中包括函数发生器[2]；在汽轮机转速控制回路和蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路之间加上模糊解耦控制器[6]。

2、一种基于模糊解耦的核动力装置的控制装置的协调控制方法，其特征是：

(1)利用测量系统测出核动力装置的状态参数信息；

(3)将其中两个控制器的输出送至模糊解耦控制器中；

(6)执行机构按指令执行，将整个系统变化到指定的工况下。

3、根据权利要求2所述的基于模糊解耦的核动力装置的控制装置的协调控制方法，其特征是：所述的核动力装置的状态参数信息包括：反应堆中子通量、一回路反应堆入口温度、一回路反应堆出口温度、蒸汽发生器出口蒸汽压力、二回路给水流量、蒸汽发生器出口蒸汽流量和汽轮机转速。

4、根据权利要求3所述的基于模糊解耦的核动力装置的控制装置的协调控制方法，其特征是：所述的模糊解耦控制器取汽轮机转速控制回路和蒸汽发生器出口蒸汽压力控制回路控制器输出的控制量u₁、u₂为模糊解耦补偿表的输入信息，补偿值作为模糊解耦补偿表的输出信息，然后把这三个物理量从物理论域通过量化到整数论域上，再在整数论域给出若干语言变量值，实现整个论域元素的模糊化过程。

5、根据权利要求4所述的基于模糊解耦的核动力装置的控制装置的协调控制方法，其特征是：用蒸汽压力偏差作用于汽轮机转速控制回路，让汽轮机侧在控制输出转速的同时，配合蒸汽发生器侧共同控制蒸汽压力，就能改善蒸汽压力的控制质量。