CN101483077A - 核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法，水位模糊控制器同时控制核电站凝汽器与除氧器两水位。此控制方法能稳定的控制除氧器和凝汽器的水位，解决凝汽器与除氧器水位控制耦合现象的产生，并能降低工人的劳动强度。

Description

核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法

技术领域

本发明涉及一种水位控制方法，特别涉及一种核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法。

背景技术

经典模糊控制器的设计，通常以被控变量相对于参考给定值的偏差和偏差变化率作为控制器的输入，这样设计出来的模糊控制器实质上相当于变参数单变量PD调节器，控制对象也限在单变量系统。然而在实际工业过程中，我们常常遇到的控制对象都是MIMO系统，特别是在核电厂中许多被控对象是多变量的。如果将上述设计方法直接推广到多变量系统，会遇到很多问题。首先，由于人对具体事物的逻辑思维通常不超过3维，要形成多维(≥4)模糊控制规则很困难；而且规则数量庞大(控制规则的条数是系统变量个数的指数函数)，建立一个完善的控制规则集往往是不可能的。就算是按照某些文献的介绍方法，总结出了规则并生成了用于控制的模糊查询表及关系矩阵，但这将占据大量计算机内存和计算时间，甚至难以用计算机实现。

图1为核电站除氧器、凝汽器部分简单的工艺流程图。从图中可以看出，凝汽器水位的变化主要受汽机负荷、补给水量、再循环水量、流出凝汽器的凝结水量的影响。另一方面，除氧器水位的变化主要受主给水流量、主凝结水流量的影响。凝汽器水位和除氧器水位之间是存在耦合现象的。

目前，国内机组的除氧器和凝汽器水位控制系统基本采用图2、3所示的两种结构。

如图2：除氧器水位是通过调节进入除氧器的凝结水流量来保证控制要求的，而凝汽器水位则是通过调节补给水流量来满足水位要求的。在控制方案上，凝汽器和除氧器分别采用了常规的PID控制。这种控制方案往往会当除氧器水位投入自动时，使凝汽器水位产生大幅度波动而使凝汽器水位无法长期投入自动。分析原因：当调节除氧器水位时，往往会使凝结水流量在较大范围内变化，因为凝汽器水位的稳定主要取决于凝结水流量、凝汽量和补给水之间的平衡，凝汽量在汽机负荷不变时基本不变，故凝汽器水位主要取决于凝结水流量和补给水流量之间的平衡，由于补给水流量只有凝结水流量的1/10左右，故补给水很难弥补凝结水流量的变化，使凝汽器水位产生较大的变化，从而使除氧器水位无法长期投入自动。

如图3：除氧器水位是通过调节进入凝汽器的补给水流量来保证控制要求的，而凝汽器水位是通过调节凝结水流量和再循环水量来保证的。这种控制方案同样会导致当除氧器水位投入自动时，凝汽器水位会产生大幅度波动而无法正常投入。原因是：当除氧器水位偏离给定值时，首先调节补给水流量，使凝汽器水位偏离正常值，凝汽器水位控制系统动作，改变凝结水流量，从而达到调节除氧器水位的目的。这种控制方法有2个缺点：其一，除氧器水位的调节是建立在凝汽器水位波动即凝汽器水位控制系统动作的基础上；其二，由于凝结水流量的改变远大于补给水流量的改变，必然会使凝汽器水位过调，从而引起凝汽器水位控制系统的反复振荡，使该系统的自动无法长期投入。

鉴于上述原因，目前国内机组的除氧器水位和凝汽器水位的自动控制均难于长时间投入自动。

发明内容

本发明是针对现在核电站凝汽器与除氧器水位控制产生耦合现象导致控制异常的问题，提出了一种核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法，依据输出动态曲线总结控制规则，能稳定的控制除氧器和凝汽器的水位，解决耦合现象的产生，并能降低工人的劳动强度。

本发明的技术方案为：一种核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法，水位模糊控制器同时控制核电站凝汽器与除氧器两水位，具体方法包括如下步骤：

1)、模糊控制器的输入/输出：模糊控制器的输入变量是凝汽器水位偏差L₁和除氧器水位偏差L₂；模糊控制器的输出变量是补给水阀门开度变化△U₁和凝汽器调节阀开度变化△U₂；

2)、先总结出模糊控制规则：根据被控对象在多种工况下的水位变化输出曲线图，以及工人在线操作阀门的开度曲线图，总结出模糊控制规则；

3)、然后计算出模糊关系R：模糊关系定义为：

计算各个模糊关系，其中的L_k(i)、△U_j(i)分别为输入输出的模糊语言值，用模糊向量表示；

4)、根据结构分析法得到的模糊推理公式：

任意给输入语言变量L₁和L₂模糊值，可分别计算推理得到△U₁和△U₂的模糊向量；

5)、模糊查询表的生成：利用最大隶属度法，离线计算得到△U₁、△U₂的模糊控制查询表；

6)、精确化输出：经过模糊推理得到的输出的量化值乘上一个校正的比例因子α，转化为精确输出值补给水阀门开度变化△U₁和凝汽器调节阀开度变化△U₂来控制被控对象。

本发明的有益效果在于：本发明核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的控制方法，能稳定的控制除氧器和凝汽器的水位，解决耦合现象的产生，并能降低工人的劳动强度。

附图说明

图1是本发明核电站除氧器、凝汽器部分简单的工艺流程图；

图2是本发明现有国内机组的除氧器和凝汽器水位控制系统结构示意图1；

图3是本发明现有国内机组的除氧器和凝汽器水位控制系统结构示意图2；

图4是本发明核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法中多变量模糊控制工艺图；

图5是本发明核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法中结构分解法框图；

图6是本发明核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法中系统输出响应曲线；

图7是本发明核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法中模糊变量L₁隶属度曲线；

图8是本发明核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法中模糊变量L₂隶属度曲线；

图9是本发明核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法中模糊变量△U₁和△U₂隶属度曲线。

具体实施方式

一、结构分解法

在考虑控制策略时，把除氧器和凝汽器作为一个整体被控对象考虑，同时控制两水位，在用凝结水流量调节除氧器水位时，要兼顾到凝汽器水位，如图4多变量模糊控工艺图所示。

在这个多变量模糊控制算法中，我们用的是结构分解法，如图5结构分解法框图所示，将除氧器和凝汽器抽象为如图4所示的两输入(X₁、X₂)和两输出(Y₁、Y₂)的多输入多输出的系统，我们可以用如下的模糊条件语句来描述此系统：

if X_1(l)and X_2(l)，then Y_1(l) and Y_2(l)

                 …     …

if X_1(i)and X_2(i)，then Y_1(i) and Y_2(i)

                  …     …

if X_1(n) and X_2(n)，then Y_1(n) and Y_2(n)

其中X_k(i)为定义在论域X^k上的第k个输入变量的模糊值，k＝1，2；而Y_j(i)为定义在论域Y^j上的第j个输出变量的模糊值，j＝1，2。系统的模糊关系R可以表示为：

R＝∨{X_1(i)∧X_2(i)∧Y_1(i)∧Y_2(i)}    式(1)

当系统的输入为X₁和X₂时，为了获得系统的输出Y₁和Y₂，利用近似推理的合成规则可得：

             式(2)

合成结果为论域Y¹×Y²上的一复合模糊集。而单个输出则可通过求复合输出模糊集在其对应论域上的投影来得到，即：

                  式(3)

由于模糊关系R和模糊输出Y都是多维的，直接分析和综合多变量模糊控制器是非常困难的。为了克服这些困难，我们可以采用和线性系统理论类似的具有下列形式的方程来描述这两输入两输出的系统：

                    式(4)

其中R_kj是两维模糊关系，而△表示某一合成规则。当我们合成规则△为∧，并定义模糊关系R_kj为：k＝1，2；j＝1，2。利用式(4)，我们就可得：

                      式(5)

这样我们就把一个4维的模糊关系矩阵R和一个2维模糊输出Y分解为四个2维模糊关系矩阵R₁₁、R₂₁、R₁₂、R₂₂和两个1维模糊输出Y₁和Y₂。

二、模糊控制规则总结方法

当一个操作人员对某一特定的对象进行控制时，会逐渐掌握对这一对象进行控制的经验和方法。当他观察到某一现象(状态)发生时，就能凭经验采取适当的控制策赂来对此现象进行有效的控制。把操作人员的这些经验和方法用一组模糊条件语句来描述，则可得到一组实用的模糊控制规则。

控制规则总结原理介绍：如图6所示的系统输出响应曲线，整个曲线可以分为四个区域，如图中I、II、III、IV所示。如图6在a₁点处，误差为零，误差的变化率为正大(PB)，这是由于过去的控制作用引起的，将使系统的输出远离给定值，为使系统不远离给定值，必须采用较大的反向控制，由此可得规则：

if E＝ZO and EC＝PB then △U＝NB

在b₁点处，误差为正大(PB)，误差的变化率为零(ZO)，为使输出尽快接近给定值，控制作用必须有较大负值，由此得规则：

if E＝PB and EC＝ZO then △U＝NB

三、应用实例：

利用提出的结构分解法，来实现对核电站的凝汽器和除氧器水位的多变量模糊控制，具体实现如下：

1、模糊化过程

根据被控对象核电站凝汽器和除氧器的特性，设计出多变量模糊控制器，该模糊控制器的输入变量是液位变送器实测值与液位设定值的差，即凝汽器水位偏差L₁和除氧器水位偏差L₂；模糊控制器的输出变量是补给水阀门开度变化△U₁和凝汽器调节阀开度变化△U₂。

由于实际凝汽器水位偏差L₁在-100mm～100mm之间变化，则L₁的语言变量值为[NB，NS，ZO，PS，PB]，量化论域[-4，-3，…，0，…，3，4]，量化因子k₁＝1/25；实际除氧器水位偏差L₂在-200mm～200mm之间变化，则L₂的语言变量值为[NB，ZO，PB]，量化论域[-4，-3，…，0，…，3，4]，量化因子k₂＝1/50；实际补给水阀门开度变化△U₁和凝汽器调节阀开度变化△U₂都在-100％～100％之间变化，则△U₁和△U₂的语言变量值都为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，量化论域[-6，-5，…，0，…，5，6]，比例因子α₁＝α₂＝50/3。

模糊变量的隶属度函数选择如图7 L₁隶属度曲线、如图8L₂隶属度曲线和如图9△U₁和△U₂隶属度曲线所示：模糊控制器的精确输入值凝汽器水位偏差L₁和除氧器水位偏差L₂，根据隶属度函数曲线可以模糊化为相应的模糊集合，并由量化因子k量化为量化论域上的某一个值。输入精确值的量化过程由编程实现，离线计算好。

2、模糊推理

我们选用的多变量模糊控制方法为结构分解法，根据模糊推理公式

先要总结出模糊控制规则，然后计算出模糊关系R，由上面的模糊推理公式根据模糊合成运算，计算出对于给定输入的模糊语言变量语言值对应的输出模糊向量。

(1)总结模糊控制规则

根据被控对象在多种工况下的水位变化输出曲线图，以及工人在线操作阀门的开度曲线图，总结出模糊控制规则。规律表如下：

(2)计算模糊关系

根据模糊推理公式里的模糊关系定义：

计算各个模糊关系。其中的L_k(i)、△U_j(i)分别为输入输出的模糊语言值，用模糊向量表示。

(3)进行模糊推理

根据模糊推理公式：

任意给输入语言变量L₁和L₂模糊值，可分别计算推理得到△U₁和△U₂的模糊向量，用于后面的解模糊。

3、解模糊

(1)模糊查询表的生成

模糊判决方法用的是最大隶属度法，并最终离线计算得到△U₁、△U₂的模糊控制器查询表。

(2)精确化输出

经过模糊推理得到的输出的量化值还不能直接作用于被控对象，还必须乘上一个适当的比例因子α，才能把它转换到控制对象所能接受的基本论域中去。由于模糊控制器输出的△U₁、△U₂是个增量值，可在线修正阀门的开度，那么最终的阀门开度应该是： $U_1=\mathrm{\Δ}{U}_1+U_1^{\′};$ $U_2=\mathrm{\Δ}{U}_2+U_2^{\′};$ 其中

和

是上一次阀门开度。

Claims (1)

1、一种核电站凝汽器与除氧器水位模糊控制器的工作方法，水位模糊控制器同时控制核电站凝汽器与除氧器两水位，其特征在于，具体方法包括如下步骤：

1)、模糊控制器的输入/输出：模糊控制器的输入变量是凝汽器水位偏差L₁和除氧器水位偏差L₂；模糊控制器的输出变量是补给水阀门开度变化△U₁和凝汽器调节阀开度变化△U₂；

2)、先总结出模糊控制规则：根据被控对象在多种工况下的水位变化输出曲线图，以及工人在线操作阀门的开度曲线图，总结出模糊控制规则；

3)、然后计算出模糊关系R：模糊关系定义为：

计算各个模糊关系，其中的L_k(i)、△U_j(i)分别为输入输出的模糊语言值，用模糊向量表示；

4)、根据结构分析法得到的模糊推理公式：

任意给输入语言变量L₁和L₂模糊值，可分别计算推理得到△U₁和△U₂的模糊向量；

5)、模糊查询表的生成：利用最大隶属度法，离线计算得到△U₁、△U₂的模糊控制查询表；

6)、精确化输出：经过模糊推理得到的输出的量化值乘上一个校正的比例因子α，转化为精确输出值补给水阀门开度变化△U₁和凝汽器调节阀开度变化△U₂来控制被控对象。

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