CN102411997B - 高温气冷堆功率控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温气冷堆功率控制方法及系统，涉及核能科学与工程技术领域，该方法包括：S1：设置核功率控制器参数和堆芯出口热氦温度控制器参数；S2：所述堆芯出口热氦温度控制器根据堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，通过计算获得相对核功率参考值的修正；所述核功率控制器根据由堆芯相对中子通量密度测量值和所述相对堆芯中子通量密度参考值之间的偏差通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号。本发明通过实时获取高温气冷堆的堆芯出口热氦温度测量值和堆芯相对中子通量密度测量值，并对测量值进行相应的计算，获得驱动控制棒运动的棒速信号，以实现高温气冷堆功率控制。

Description

高温气冷堆功率控制方法及系统

技术领域

本发明涉及核能科学与工程技术领域，特别涉及一种高温气冷堆功率控制方法及系统。

背景技术

由于具有固有安全性和潜在经济竞争力，高温气冷堆已被世界核能界公认为具有第四代核能系统特征的首选堆型之一，发展高温气冷堆技术对于我国可持续发展具有重要意义。高温气冷堆采用陶瓷包覆型燃料元件，以氦气作为冷却剂，以石墨作为慢化剂和结构材料，其固有安全性由低功率密度、瘦长型堆芯和强温度负反馈效应来保证。安全、稳定和高效的运行是高温气冷堆最为关键的性能指标，而功率控制是保证反应堆动态性能并进而保证其稳定高效运行的最重要的技术手段之一。所谓反应堆功率控制就是通过调节控制棒棒位使得堆芯中子通量密度(核功率)和堆芯出口热氦温度满足工程需求。功率控制的本质是增强闭环系统的稳定性，性能良好的功率控制器对于发展高温气冷堆技术具有十分重要的意义。由于高温气冷堆的慢化剂、冷却剂和反射层材料均不同于压水堆，这就导致二者在动态特性上具有显著的差别，从而适用于压水堆的功率控制方法并不适用于高温气冷堆。虽然高温气冷堆是一种极具发展前景的堆型，但目前在高温气冷堆功率控制方法的设计及其参数整定方面的报道却很少。《核动力工程》于2001年公开了“10MW高温气冷堆控制方案研究”，给出了通过数值仿真并凭借经验整定的PID型高温气冷堆功率控制方法，由于该控制方法的参数是凭借经验整定的，因而仅能保证局部稳定性且在性能上具有保守性。《中国智能自动化学术会议论文集》于1999年公开了“HTR-10核功率调节系统模糊控制及其性能的仿真研究”，给出了一种高温气冷堆的模糊PID功率控制方法，且该控制方法由模糊规则和在不同功率水平下凭借经验整定的一组PID控制器组成，它虽能保证闭环系统大范围的稳定性，但这种大范围稳定性是靠增加PID控制器的数量来保证并必然导致其实现过于复杂，从而不适用于实际工程。由此可见，目前的高温气冷堆功率控制方法大都是凭借经验整定的，且在形式上要么是简单的但仅能保证工作点附近闭环稳定性的单个PID控制器，要么是保证大范围闭环稳定性但实现复杂的一组PID控制器及其对应切换规则，即存在形式和性能上的矛盾。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何解决高温气冷堆功率控制方法存在形式和性能上矛盾的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高温气冷堆功率控制方法，包括以下步骤：

S1：设置核功率控制器参数和堆芯出口热氦温度控制器参数；

S2：所述堆芯出口热氦温度控制器根据堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，通过计算获得相对核功率参考值的修正；所述核功率控制器根据由堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号，以实现对反应堆功率的控制，所述相对堆芯中子通量密度的参考值为所述相对核功率的参考值和所述修正值相加。

优选地，所述核功率控制器的离散化形式为：

$u_1\left(k\right)=u_1(k-1)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}})e_n\left(k\right)-(K_{P,1}+\frac{2K_{D,1}}{T_{s,n}})e_n(k-1)+$

$\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}}{e}_n(k-2)$

其中，e_n＝l_s-n_r，K_P，1＝Γ_P，1+Γ_P，2，K_D，1＝Γ_D，1+Γ_D，2，

${\mathrm{\Γ}}_{P,1}=\frac{F_1{\mathrm{\σ}}_1}{G_1},$ ${\mathrm{\Γ}}_{P,2}=\frac{F_2{\mathrm{\σ}}_2}{G_2},$ ${\mathrm{\Γ}}_{D,1}=\frac{F_1}{G_r},$ ${\mathrm{\Γ}}_{D,2}=\frac{F_2}{G_r},$

σ₁、σ₂、F₁以及F₂均为预设的正常数，T_s，n为核功率控制回路的采样周期，G_r为控制棒微分价值，l_s为相对堆芯中子通量密度参考值，n_r为相对堆芯中子通量密度测量值，e_n为相对堆芯中子通量密度测量值和所述相对堆芯中子通量密度参考值之间的偏差，e_n(k)为当前采样时刻所对应的堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，u₁(k)为当前所述核功率控制器的输出量；

所述堆芯出口热氦温度控制器的离散化形式为：

$u_2\left(k\right)=(1+\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}})u_2(k-1)-\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{u}_2(k-2)+$

$\frac{K_{P.2}{T}_{s,T}+K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T\left(k\right)-\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+2K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-1)+$

$\frac{K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-2)$

其中，e_T＝T_out，r-T_out，K_P，2＝θΓ_P，2，K_D，2＝θΓ_D，2，

T_s，T为堆芯出口热氦温度控制回路的采样周期，T_out为堆芯出口热氦温度测量值，T_out，r为堆芯出口热氦温度参考值，u₂(k)为当前相对核功率参考值的修正值，e_T为堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，e_T(k)为当前采样时刻所对应的堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差。

优选地，所述核功率控制器的离散化形式为：

$u_1\left(k\right)=(1+\frac{\mathrm{\κ}}{T_{s,n}+\mathrm{\κ}})u_1(k-1)-\frac{\mathrm{\κ}}{T_{s,n}+\mathrm{\κ}}{u}_1(k-2)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\κ}})e_n\left(k\right)-$

$(K_{P,1}+\frac{2K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\κ}})e_n(k-1)+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\κ}}{e}_n(k-2),$

其中，e_n＝l_s-n_r，K_P，1＝Γ_P，1+Γ_P，2，K_D，1＝Γ_D，1+Γ_D，2，

${\mathrm{\Γ}}_{P,1}=\frac{F_1{\mathrm{\σ}}_1}{G_1},$ ${\mathrm{\Γ}}_{P,2}=\frac{F_2{\mathrm{\σ}}_2}{G_2},$ ${\mathrm{\Γ}}_{D,1}=\frac{F_1}{G_r},$ ${\mathrm{\Γ}}_{D,2}=\frac{F_2}{G_r},$

σ₁、σ₂、F₁以及F₂均为预设的正常数，κ为预设的正常数、且取值范围为0.001≤κ≤0.01，T_s，n为核功率控制回路的采样周期，G_r为控制棒微分价值，l_s为堆芯相对中子通量密度参考值，n_r为堆芯相对中子通量密度测量值，e_n为堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，e_n(k)为当前采样时刻所对应的堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，u₁(k)为当前所述核功率控制器的输出量；

所述堆芯出口热氦温度控制器的离散化形式为：

$u_2\left(k\right)=(1+\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}})u_2(k-1)-\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{u}_2(k-2)+$

$\frac{K_{P.2}{T}_{s,T}+K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T\left(k\right)-\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+2K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-1)+$

$\frac{K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-2)$

其中，e_T＝T_out，r-T_out，K_P，2＝θΓ_P，2，K_D，2＝θΓ_D，2，

θ为预设的正常数，T_s，T为堆芯出口热氦温度控制回路的采样周期，T_out为堆芯出口热氦温度测量值，T_out，r为堆芯出口热氦温度参考值，u₂(k)为当前相对核功率参考值的修正，e_T为堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，e_T(k)为当前采样时刻所对应的堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差。

优选地，控制器参数σ₁、σ₂、F₁、以及F₂的取值范围分别为：

$\left\{\begin{array}{c}0<{\mathrm{\&sigma;}}_1<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}}\\ \mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1)<F_1<\frac{4G_r^2{v}_m^2}{\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1){\mathrm{\&epsiv;}}_2^2}\\ 0<{\mathrm{\&sigma;}}_2<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}}\\ F_2>\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_2+4{\mathrm{\&epsiv;}}_3)\end{array}\right.$

其中，Λ为中子每代时间，β为缓发中子份额，v_m为控制棒运动的最大速率，ε₁、ε₂和ε₃均为预设的常数且取值范围为大于0小于1。

本发明还公开了一种高温气冷堆功率控制系统，包括：

参数设置模块，用于设置核功率控制器参数和堆芯出口热氦温度控制器参数；

反应堆功率控制模块，用所述堆芯出口热氦温度控制器根据堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，通过计算获得相对核功率参考值的修正；所述核功率控制器根据由堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号，以实现对反应堆功率的控制，所述堆芯相对中子通量密度参考值为所述相对核功率参考值和所述修正值相加。

(三)有益效果

本发明通过实时获取高温气冷堆的堆芯出口热氦温度测量值和堆芯相对中子通量密度测量值，并对测量值进行相应的计算，获得驱动控制棒运动的棒速信号，以实现对高温气冷堆热功率的控制，解决了高温气冷堆功率控制方法存在形式和性能上矛盾的问题。

附图说明

图1是高温气冷堆功率控制的回路结构图；

图2是按照本发明一种实施方式的高温气冷堆功率控制方法的流程图；

图3是图2所示的高温气冷堆功率控制方法的参数整定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是高温气冷堆功率控制的回路结构图，参照图1，其中，u₁(·)为核功率控制器，u₂(·)为堆芯出口热氦温度控制器。核功率控制器u₁(·)根据由测量给出的堆芯相对中子通量密度n_r与其参考值l_s之间偏差e_n，通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号，从而完成对堆芯中子通量密度的调节。热氦温度控制器u₂(·)根据堆芯出口热氦温度的测量值T_out与其参考值T_out，r之间的偏差e_T，通过计算给出对相对核功率参考值l₁的修正l₂，从而完成对堆芯出口热氦温度的控制。这里控制棒运动的最大速率是v_m，即核功率控制器u₁(·)给出的棒速信号需要经过图1中的饱和环节后再用来驱动控制棒运动。

造成高温气冷堆功率控制方法存在形式和性能上矛盾的根源在于无论是控制方法形式还是控制方法参数都采用了基于经验的设计方法，本发明技术方案的总体思路是：通过控制高温气冷堆的堆芯出口热氦温度和堆芯中子通量密度来调节高温气冷堆的热功率，在选择描述过渡过程品质指标函数的基础上，通过保证指标函数在任意初值下收敛于零，即闭环系统全局渐近稳定来给出高温气冷堆功率控制方法的形式和参数取值范围，并进而给出便于工程实现的离散化形式；

其中，过程指标函数是指刻画系统过渡过程品质的函数，本发明采用指标函数

$H_1(e_n,t)=\frac{1}{2}{e}_n^2\left(t\right)+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_1}{2t}{\left[\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}{e}_n\left(\mathrm{\&tau;}\right)\mathrm{d\&tau;}\right]}^2---\left(1\right)$

和

$H_2(e_n,e_T,t)=\frac{1}{2}{[e_n\left(t\right)+\mathrm{\&theta;}{e}_T\left(t\right)]}^2+\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_2}{2t}{\left\{\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}\right[e_n\left(\mathrm{\&tau;}\right)+\mathrm{\&theta;}{e}_T\left(\mathrm{\&tau;}\right)\left]\mathrm{d\&tau;}\right\}}^2---\left(2\right)$

来描述过渡过程品质，其中

e_n＝l_s-n_r    (3)

e_T＝T_out，r-T_out    (4)

t＞0表示时间，且σ_1、σ₂和θ皆为给定正常数。这里指标函数H₁的物理意义是核功率测量值对其参考值的趋近程度，若H₁随时间的推移而越来越小，则核功率的测量值渐近收敛于其参考值。指标函数H₂描述了热氦温度测量值相对其参考值的趋近程度，若H₂随时间的推移而越来越小，则堆芯出口氦气温度的测量值渐近收敛于其参考值。表达式(1)和(2)中的正常数σ₁、σ₂和θ也具有明显的物理意义，其中σ₁表示核功率的偏差积分在指标函数H₁中的比重越大，θ表示热氦温度偏差在指标函数H₂中的比重，而σ₂越大则表明误差项e_n+θe_T的积分在指标函数H₂中的比重越大。

本发明中可以通过设定参数σ₁、σ₂和θ的值来获取需要的过渡过程，通过增大σ₁和σ₂的值可以降低稳态误差，而通过增大θ的值可以提升堆芯出口氦气温度的控制性能。

在选定过渡过程指标函数H₁的基础上，可设计得到图1中的核功率控制器u₁(·)和热氦温度控制器u₂(·)的表达式，且这两个控制器在频域内的表达式分别为

$U_1\left(s\right)=\frac{u_1\left(s\right)}{e_n\left(s\right)}=K_{P,1}+s{K}_{D,1}---\left(5\right)$

和

$U_2\left(s\right)=\frac{u_2\left(s\right)}{e_T\left(s\right)}=\frac{K_{P,2}+s{K}_{D,2}}{K_{P,1}+s{K}_{D,1}}---\left(6\right)$

其中

K_P，1＝Γ_P，1+Γ_P，2    (7)

K_D，1＝Γ_D，1+Γ_D，2    (8)

K_P，2＝θΓ_P，2         (9)

K_D，2＝θΓ_D，2         (10)

${\mathrm{\&Gamma;}}_{P,i}=\frac{F_i{\mathrm{\&sigma;}}_i}{G_r},(i=\mathrm{1,2})---\left(11\right)$

${\mathrm{\&Gamma;}}_{D,i}=\frac{F_i}{G_r},(i=\mathrm{1,2})---\left(12\right)$

F_i(i＝1，2)为预设的正常数，且G_r为控制棒微分价值。参数F_i称为反馈系数其物理意义是表明了指标函数H_i的收敛速度，即若F_i越大则指标函数H_i收敛至0的速度也就越快，这里i＝1，2。

由式(7)至(12)可知，核功率控制器(5)和堆芯出口热氦温度控制器(6)的参数与选定的过渡过程指标函数(1)和(2)之间具有明确的关系，即具备鲜明的物理意义。由于式(5)中包含纯微分环节，在具有中高频测量噪声的情况下不方便实现，因而也可应用如下的带有一阶惯性环节的核功率控制器，

${\tilde{U}}_1\left(s\right)=\frac{u_1\left(s\right)}{e_n\left(s\right)}=K_{P,1}+\frac{s{K}_{D,1}}{1+\mathrm{s\&kappa;}}---\left(13\right)$

其中κ为给定正常数，且其推荐取值范围是

0.001≤κ≤0.01    (14)

控制方法的形式设计给出了核功率控制器和热氦温度控制器的表达式及其参数与过渡过程指标函数之间的关系，经过计算只有当控制器参数在特定范围内时，闭环系统才是全局渐近稳定的。下面给出计算得到的控制器参数所须满足的取值范围。

核功率控制器的参数F₁和σ₁需满足的取值范围是

$\left\{\begin{array}{c}0<{\mathrm{\&sigma;}}_1<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}},\\ \mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+8{\mathrm{\&epsiv;}}_1)<F_1<\frac{4G_r^2{v}_m^2}{\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1){\mathrm{\&epsiv;}}_2^2}\end{array}\right.---\left(15\right)$

其中β为缓发中子份额，Λ是中子每代时间，ε₁和ε₂为给定常数，且推荐范围是

0＜ε_i＜1，i＝1，2    (16)

堆芯出口热氦温度控制器的参数F₂和σ₂需满足的取值范围是

$\left\{\begin{array}{c}0<{\mathrm{\&sigma;}}_2<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}},\\ F_2>\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_2+4{\mathrm{\&epsiv;}}_3),\end{array}\right.---\left(17\right)$

其中ε₂为给定常数，且推荐范围是

0＜ε₃＜1.    (18)

基于式(7)-(12)以及(15)和(17)可得Γ_p，i和Γ_d，i(i＝1，2)的取值范围是

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Gamma;}}_{P,1}\&Element;(0,\frac{4G_r{v}_m^2}{\mathrm{\&Lambda;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1){\mathrm{\&epsiv;}}_2^2}),\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{P,2}\&Element;(0,+\&infin;)\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{D,1}\&Element;(\frac{\mathrm{\&beta;}}{G_r}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1),\frac{4G_r{v}_m^2}{\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1){\mathrm{\&epsiv;}}_2^2}),\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{D,2}\&Element;(\frac{\mathrm{\&beta;}}{G_r}({\mathrm{\&sigma;}}_2+4{\mathrm{\&epsiv;}}_3),+\&infin;).\end{array}\right.---\left(19\right)$

在工程实际中，由核功率控制器(5)或(13)以及堆芯出口热氦温度控制器(6)构成的高温气冷堆功率控制方法通常实现为功率控制系统中的程序代码，这就需要给出上述连续控制器的离散化形式。

核功率控制器(5)的离散化形式为

$u_1\left(k\right)=u_1(k-1)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}})e_n\left(k\right)-(K_{P,1}+\frac{2K_{D,1}}{T_{s,n}})e_n(k-1)+$

$\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}}{e}_n(k-2)---\left(20\right)$

其中T_s，n为核功率控制回路的采样周期。

堆芯出口热氦温度控制器(6)的离散化形式为

$u_2\left(k\right)=(1+\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}})u_2(k-1)-\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{u}_2(k-2)+$

$\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T\left(k\right)-\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+2K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-1)+$

$\frac{K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-2)---\left(21\right)$

其中T_s，T为热氦温度控制的回路采样周期。

带有一阶惯性环节的核功率控制器(13)的离散化形式为

$u_1\left(k\right)=(1+\frac{\mathrm{\&kappa;}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})u_1(k-1)-\frac{\mathrm{\&kappa;}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}}{u}_1(k-2)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})e_n\left(k\right)-$

$(K_{P,1}+\frac{2K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})e_n(k-1)+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}}{e}_n(k-2),---\left(22\right)$

图2是按照本发明一种实施方式的高温气冷堆功率控制方法设计的流程图，本实施方式的方法包括以下步骤：

S1：设置核功率控制器参数和堆芯出口热氦温度控制器参数；

S2：所述堆芯出口热氦温度控制器根据堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，通过计算获得相对核功率参考值的修正；所述核功率控制器根据由堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号，以实现对反应堆功率的控制，所述堆芯相对中子通量密度参考值为所述相对核功率参考值和所述修正值相加口。

优选地，所述核功率控制器的离散化形式为：

$u_1\left(k\right)=u_1(k-1)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}})e_n\left(k\right)-(K_{P,1}+\frac{2K_{D,1}}{T_{s,n}})e_n(k-1)+$

$\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}}{e}_n(k-2)$

其中，e_n＝l_s-n_r，K_P，1＝Γ_P，1+Γ_P，2，K_D，1＝Γ_D，1+Γ_D，2，

${\mathrm{\&Gamma;}}_{P,1}=\frac{F_1{\mathrm{\&sigma;}}_1}{G_1},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{P,2}=\frac{F_2{\mathrm{\&sigma;}}_2}{G_2},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{D,1}=\frac{F_1}{G_r},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{D,2}=\frac{F_2}{G_r},$

σ₁、σ₂、θ、F₁、以及F₂均为预设的正常数，T_s，n为核功率控制回路的采样周期，G_r为控制棒微分价值，l_s为相对堆芯中子通量密度参考值，n_r为相对堆芯中子通量密度测量值，e_n为相对堆芯中子通量密度测量值和所述相对堆芯中子通量密度参考值之间的偏差，e_n(k)为当前采样时刻所对应的相对堆芯中子通量密度测量值和所述相对堆芯中子通量密度参考值之间的偏差，u₁(k)为当前所述核功率控制函数的输出量；

所述堆芯出口热氦温度控制器的离散形式为：

$u_2\left(k\right)=(1+\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}})u_2(k-1)-\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{u}_2(k-2)+$

$\frac{K_{P.2}{T}_{s,T}+K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T\left(k\right)-\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+2K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-1)+$

$\frac{K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-2)$

其中，e_T＝T_out，r-T_out，K_P，2＝θΓ_P，2，K_D，2＝θΓ_D，2，

T_s，T为堆芯出口热氦温度控制回路的采样周期，T_out为堆芯出口热氦温度测量值，T_out，r为堆芯出口热氦温度参考值，u₂(k)为当前相对核功率参考值的修正，e_T为堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，e_T(k)为当前采样时刻所对应的堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差。

由于式(5)中包含纯微分环节，在具有中高频测量噪声的情况下不方便实现，因而也可应用如下的带有一阶惯性环节的核功率控制器，优选地，所述核功率控制器的离散化形式为：

$u_1\left(k\right)=(1+\frac{\mathrm{\&kappa;}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})u_1(k-1)-\frac{\mathrm{\&kappa;}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}}{u}_1(k-2)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})e_n\left(k\right)-$

$(K_{P,1}+\frac{2K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})e_n(k-1)+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}}{e}_n(k-2),$

其中，e_n＝l_s-n_r，K_P，1＝Γ_P，1+Γ_P，2，K_D，1＝Γ_D，1+Γ_D，2，

${\mathrm{\&Gamma;}}_{P,1}=\frac{F_1{\mathrm{\&sigma;}}_1}{G_1},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{P,2}=\frac{F_2{\mathrm{\&sigma;}}_2}{G_2},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{D,1}=\frac{F_1}{G_r},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{D,2}=\frac{F_2}{G_r},$

σ₁、σ₂、F₁以及F₂均为预设的正常数，κ为预设的正常数、且取值范围为0.001≤κ≤0.01，T_s，n为核功率控制回路的采样周期，G_r为控制棒微分价值，l_s为堆芯相对中子通量密度参考值，n_r为堆芯相对中子通量密度测量值，e_n为堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，e_n(k)为当前采样时刻所对应的堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，u₁(k)为当前所述核功率控制函数的输出量；

所述堆芯出口热氦温度控制器的离散化形式为：

$u_2\left(k\right)=(1+\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}})u_2(k-1)-\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{u}_2(k-2)+$

$\frac{K_{P.2}{T}_{s,T}+K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T\left(k\right)-\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+2K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-1)+$

$\frac{K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-2)$

其中，e_T＝T_out，r-T_out，K_P，2＝θΓ_P，2，K_D，2＝θΓ_D，2，

θ为预设的正常数，T_s，T为堆芯出口热氦温度控制回路的采样周期，T_out为堆芯出口热氦温度测量值，T_out，r为堆芯出口热氦温度参考值，u₂(k)为当前相对核功率参考值的修正，e_T为堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，e_T(k)为当前采样时刻所对应的堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差。

优选地，控制器参数σ₁、σ₂、F₁以及F₂的取值范围分别为：

$\left\{\begin{array}{c}0<{\mathrm{\&sigma;}}_1<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}}\\ \mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1)<F_1<\frac{4G_r^2{v}_m^2}{\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1){\mathrm{\&epsiv;}}_2^2}\\ 0<{\mathrm{\&sigma;}}_2<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}}\\ F_2>\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_2+4{\mathrm{\&epsiv;}}_3)\end{array}\right.$

其中，Λ为中子每代时间，β为缓发中子份额，v_m为控制棒运动的最大速率，ε₁、ε₂和ε₃均为预设的常数且取值范围为大于0小于1。

本发明提出的高温气冷堆功率控制方法解决了目前高温气冷堆功率控制方法所存在的形式和性能上的矛盾，其根本出发点就是通过严格的计算给出组成功率控制方法的核功率控制器和热氦温度控制器的具体形式和参数取值范围，该功率控制方法的主要特点为：

1、控制方法形式简洁，工程实现方便

由式(5)、(6)和(13)可知，组成功率控制方法的核功率控制器以及热氦温度控制器具有简洁的形式。此外，由式(20)、(21)和(22)可知，控制器的离散化形式也不复杂。因而，该功率控制方法便于工程实现。

2、控制方法参数直接与过渡过程指标函数对应，物理意义明确

通过选定指标函数(1)和(2)可以刻画所需的过渡过程，进而由于指标函数又决定了控制器(5)和(6)的形式和参数，因而控制方法能够保证过渡过程具有良好的品质。此外，由于控制器参数与指标函数参数是严格对应的，从而控制器参数的物理意义明确。

3、当控制方法参数在给定范围内时，控制方法能够保证闭环系统全局渐近稳定

目前存在的高温气冷堆功率控制方法仅能在给定工作点附近保证系统闭环的稳定性，而本发明提出的功率控制方法的参数在(15)和(17)给出的范围内时，就可以保证闭环系统的全局渐近稳定性，这将对高温气冷堆安全、稳定和高效的运行具有极为重要的意义。

实施例1

本发明所提出的高温气冷堆功率控制方法中的参数整定的具体实施方式可参照图3给出的流程图，具体步骤为：第一步，依据过渡过程指标函数的物理意义选择其参数σ₁、σ₂和θ的取值；第二步，给出反应堆物理参数，即缓发中子份额β、中子每代时间Λ和控制棒微分价值G_r的取值；第三步，根据式(15)和(17)中的第一个不等式计算指标函数参数σ₁和σ₂的取值范围；第四步，判断所选择的σ₁、σ₂和θ是否满足指标函数参数的取值范围，如果不满足则要重新选取σ₁、σ₂和θ，反之则继续设计流程；第五步，选择反馈系数F₁和F₂的取值；第六，依据式(7)至(12)计算控制器参数Γ_P，1、Γ_P，2、Γ_D，1和Γ_D，2的值；第七步，按照(16)和(18)给定正常数ε_i(i＝1，2，3)和最大棒速率v_m；第八步，根据(19)计算控制函数的参数Γ_P，1、Γ_P，2、Γ_D，1和Γ_D，2应满足的取值范围；第九步，判断控制器参数计算值是否在取值范围内，如果在则继续设计，反之则返回第五步；第十步，计算控制器参数K_P，1、K_P，2、K_D，1和K_D，2的值；第十一步，分别选定采样周期T_s，n和T_s，T，并给出功率控制方法的离散化形式，从而完成功率控制方法的设计和参数选择。所设计的核功率控制器的控制函数和热氦温度控制器最终固化为分布式控制系统中的程序代码。

下面给出一个高温气冷堆功率控制方法参数整定的具体实例：

第一步、选择过渡过程指标函数的参数满足σ₁＝0.2，σ₂＝0.1且θ＝0.1。

第二步、给定某高温气冷堆物理参数：缓发中子份额β＝0.005、中子每代时间Λ＝0.001秒以及控制棒微分价值G_r＝0.001。

第三步、根据式(15)和(17)中的第一个不等式可σ₁和σ₂的取值范围是

0＜σ_i＜10，i＝1，2

第四步、根据第一步和第三步的结果可判断出过渡过程指标函数的参数值选择符合要求，设计过程继续。

第五步、选择设反馈系数F₁＝0.004，F₂＝0.002。

第六步、计算控制器参数Γ_P，1、Γ_P，2、Γ_D，1和Γ_D，2的取值为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Gamma;}}_{P,1}=0.8,\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{P,2}=0.2,\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{D,1}=4,\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{D,2}=2.\end{array}\right.$

第七步、给定正常数ε₁＝0.05，ε₂＝0.02，ε₃＝0.01和最大棒速率v_m＝0.05m/s。

第八步、根据(19)计算控制器参数Γ_P，1、Γ_P，2、Γ_D，1和Γ_D，2应满足的取值范围是

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Gamma;}}_{P,1}\&Element;(0,62.5),\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{P,2}\&Element;(0,+\&infin;)\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{D,1}\&Element;(3,12.5),\\ {\mathrm{\&Gamma;}}_{D,2}\&Element;(0.7,+\&infin;).\end{array}\right.$

第九步、由第六步和第八步的结果可知Γ_P，1、Γ_P，2、Γ_D，1和Γ_D，2满足给定范围要求，设计继续进行。

第十步、依据式(7)至(12)计算控制器参数K_P，1、K_P，2、K_D，1和K_D，2的值分别为

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{P,1}=1.0,\\ K_{P,2}=0.02,\\ K_{D,1}=6.0,\\ K_{D,2}=0.2.\end{array}\right.$

第十一步、选择核功率和热氦温度回路的采样周期分别为T_s，n＝0.1秒和T_s，T＝0.5秒，则依据式(20)和(21)可计算离散化核功率控制器和热氦温度控制器的表达式分别为：

u₁(k)＝u₁(k-1)+61e_n(k)-121e_n(k-1)+60e_n(k-2)

和

u₂(k)＝1.923u₂(k-1)-0.923u₂(k-2)+0.0321e_T(k)

-0.063e_T(k-1)+0.031e_T(k-2).

这就完成了一个高温气冷堆功率控制方法的形式设计和参数整定流程，开发人员可根据最后得到的离散化控制方法迭代公式编写功率控制系统相关控制设备中的可执行代码。若采用带有惯性环节的核功率控制器(13)，则也可按照上述步骤完成设计和参数整定。

本发明还公开了一种高温气冷堆功率控制系统，包括：

参数设置模块，用于设置核功率控制器的参数和堆芯出口热氦温度控制器的参数；

反应堆功率控制模块，用于所述堆芯出口热氦温度控制器根据堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，通过计算获得相对核功率参考值的修正；所述核功率控制器根据由堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号，以实现对反应堆功率的控制，所述堆芯相对中子通量密度参考值为所述相对核功率参考值和所述修正值相加。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种高温气冷堆功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设置核功率控制器参数和堆芯出口热氦温度控制器参数；

S2：所述堆芯出口热氦温度控制器根据堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，通过计算获得相对核功率参考值的修正；所述核功率控制器根据由堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号，以实现对反应堆功率的控制，所述堆芯相对中子通量密度参考值为所述相对核功率参考值和所述修正值相加；

其中，所述核功率控制器和堆芯出口热氦温度控制器通过离散化形式计算得到控制命令，以实现对反应堆功率的控制。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于

所述核功率控制器的离散化形式为：

$u_1\left(k\right)=u_1(k-1)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}})e_n\left(k\right)-(K_{P,1}+\frac{{2K}_{D,1}}{T_{s,n}})e_n(k-1)+$

$\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}}{e}_n(k-2)$

其中，e_n=l_s-n_r，K_P,1=Γ_P,1+Γ_P,2，K_D,1=Γ_D,1+Γ_D,2，

${\mathrm{\&Gamma;}}_{P,i}=\frac{F_i{\mathrm{\&sigma;}}_i}{G_r},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{D,i}=\frac{F_i}{G_r},$ i=1、2，

σ₁、σ₂、θ、F₁以及F₂均为预设的正常数，T_s,n为核功率控制回路的采样周期，G_r为控制棒微分价值，l_s为堆芯相对中子通量密度的参考值，n_r为堆芯相对中子通量密度测量值，e_n为相对堆芯中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，e_n(k)为当前采样时刻所应对的堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，u₁(k)为当前所述核功率控制器的输出量，k为当前采样时刻；

所述堆芯出口热氦温度控制器的离散化形式为：

$u_2\left(k\right)=(1+\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}})u_2(k-1)-\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{u}_2(k-2)+$

$\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T\left(k\right)-\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+2K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-1)+$

$\frac{K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-2)$

其中，e_T=T_out,r-T_out，K_P,2=θΓ_P,2，K_D,2=θΓ_D,2，

T_s,T为堆芯出口热氦温度控制回路的采样周期，T_out为堆芯出口热氦温度测量值，T_out,r为堆芯出口热氦温度参考值，u₂(k)为当前相对核功率参考值的修正，e_T为堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，e_T(k)为当前采样时刻所对应的堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述核功率控制器的离散化形式为：

$u_1\left(k\right)=(1+\frac{\mathrm{\&kappa;}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})u_1(k-1)-\frac{\mathrm{\&kappa;}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}}{u}_1(k-2)+(K_{P,1}+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})e_n\left(k\right)-$

$(K_{P,1}+\frac{{2K}_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}})e_n(k-1)+\frac{K_{D,1}}{T_{s,n}+\mathrm{\&kappa;}}{e}_n(k-2),$

其中，e_n=l_s-n_r，K_P,1=Γ_P,1+Γ_P,2，K_D,1=Γ_D,1+Γ_D,2，

${\mathrm{\&Gamma;}}_{P,i}=\frac{F_i{\mathrm{\&sigma;}}_i}{G_r},$ ${\mathrm{\&Gamma;}}_{D,i}=\frac{F_i}{G_r},$ i=1、2，

σ₁、σ₂、F₁以及F₂均为预设的正常数，κ为预设的正常数、且取值范围为0.001≤κ≤0.01，T_s,n为核功率控制回路的采样周期，G_r为控制棒微分价值，l_s为堆芯相对中子通量密度参考值，n_r为堆芯相对中子通量密度测量值，e_n为堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，e_n(k)为当前采样时刻所对应的堆芯相对中子通量密度测量值和所述堆芯相对中子通量密度参考值之间的偏差，u₁(k)为当前所述核功率控制器的输出量，k为当前采样时刻；

所述堆芯出口热氦温度控制器的离散化形式为：

$u_2\left(k\right)=(1+\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}})u_2(k-1)-\frac{K_{D,1}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{u}_2(k-2)+$

$\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T\left(k\right)-\frac{K_{P,2}{T}_{s,T}+2K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-1)+$

$\frac{K_{D,2}}{K_{P,1}{T}_{s,T}+K_{D,1}}{e}_T(k-2)$

其中，e_T=T_out,r-T_out，K_P,2=θΓ_P,2，K_D,2=θΓ_D,2，

θ为预设的正常数,T_s,T为堆芯出口热氦温度控制回路的采样周期，T_out为堆芯出口热氦温度测量值，T_out,r为堆芯出口热氦温度参考值，u₂(k)为当前相对核功率参考值的修正，e_T为堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差，e_T(k)为当前采样时刻所对应的堆芯出口热氦温度测量值与所述堆芯出口热氦温度参考值之间的偏差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制器参数σ₁、σ₂、F₁以及F₂的取值范围分别为：

$\left\{\begin{array}{c}0<{\mathrm{\&sigma;}}_1<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}}\\ \mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1)<F_1<\frac{4G_r^2{v}_m^2}{\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_1+4{\mathrm{\&epsiv;}}_1){\mathrm{\&epsiv;}}_2^2}\\ 0<{\mathrm{\&sigma;}}_2<\frac{2\mathrm{\&beta;}}{\mathrm{\&Lambda;}}\\ F_2>\mathrm{\&beta;}({\mathrm{\&sigma;}}_2+4{\mathrm{\&epsiv;}}_3)\end{array}\right.$

其中，Λ为中子每代时间，β为缓发中子份额，v_m为控制棒运动的最大速率，ε₁，ε₂和ε₃均为预设的常数、且取值范围为大于0小于1。

5.一种高温气冷堆功率控制系统，其特征在于，包括：

参数设置模块，用于设置核功率控制器参数和堆芯出口热氦温度控制器参数；

功率控制模块，用于所述堆芯出口热氦温度控制器根据堆芯出口热氦温度的测量值与所述堆芯出口热氦温度的参考值之间的偏差，通过计算获得相对核功率参考值的修正；所述核功率控制器根据由堆芯相对中子通量密度的测量值和所述堆芯相对中子通量密度的参考值之间的偏差通过计算给出驱动控制棒运动的棒速信号，以实现对反应堆功率控制，所述堆芯相对中子通量密度参考值为所述相对核功率参考值和所述修正值相加；其中，所述核功率控制器和堆芯出口热氦温度控制器通过离散化形式计算得到控制命令，以实现对反应堆功率的控制。

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