CN103021489A - 核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置及方法，该控制装置包括：热交换模块，用于通过热交换来调节下泄流温度；温度测量模块，用于测量实际下泄流温度；参数生成模块，用于基于实际下泄流温度、以及实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数；PID控制器，用于基于控制参数来控制热交换模块进行热交换。相比于现有技术中采用的PI控制器，PID控制器原理简单、适应性强、鲁棒性强。进一步地，还采用补偿模块来补偿控制中产生的与时间有关的纯延迟，从而明显减少超调量和加速调节过程；采用模糊模块来实时整定控制参数，使得控制过程中控制参数达到最优，从而提高控制精度，改善控制效果。
Description
技术领域
本发明涉及核电领域，尤其涉及一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置及方法。
背景技术
化学和容积控制系统是压水堆核电厂的一个回路的主要辅助系统之一，它可以保证回路必需的三种功能，即：容积控制、化学控制和反应性控制。其中，核电厂稳态功率运行时，回路系统某个环路的冷却剂泵的出口至反应堆入口的冷管段有高温高压水流下泄到化学和容积控制系统，一般将该高温高压水流称之为下泄流。而该下泄流温度是一个很重要的参数，若该参数经常波动，不仅对化学和容积控制系统的下游设备的运行带来不利影响，并且根据大亚湾和岭澳核电站的运行经验，还可引起相关联的主泵1号轴封泄漏流量异常，进而影响主泵的运行。
目前，通常通过温度测量值与温度给定值的偏差来调控阀门，以改变冷却水流量，从而通过热交换过程来精确控制下泄流温度。对于此类过程控制，常见控制系统为单回路闭环控制。例如，在中广核在建和在役中国改进型压水堆电站中，化学和容积控制系统中下泄流温度控制普遍采用的是单回路控制系统，控制器为简单比例积分（PI：Proportional Integral）控制器，温度控制过程中，由于控制器简单，温度调整过程波动大，不易稳定，整个调整过程时间太长，控制精度差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中在下泄流温度的控制过程中，由于控制器简单，温度调整过程波动大的缺陷，提供一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置；以及针对现有技术中在下泄流温度的控制过程中，由于控制器简单，温度调整过程波动大的缺陷，提供一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置，包括：
热交换模块，用于通过热交换来调节下泄流温度；
温度测量模块，用于测量实际下泄流温度；
参数生成模块，用于基于所述实际下泄流温度、以及所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数；
PID控制器，用于基于所述控制参数来控制所述热交换模块进行热交换。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置中，所述控制装置还包括补偿模块，所述补偿模块的输入端与所述PID控制器的输出端连接，所述补偿模块的输出端与所述参数生成模块的输入端连接；其中，
所述补偿模块用于采用延迟预估补偿模型来生成延迟补偿，以使所述参数生成模块基于所述延迟补偿调节所述控制参数。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置中，所述延迟预估补偿模型为史密斯预估补偿模型。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置中，所述控制装置还包括模糊控制模块，所述模糊控制模块的输入端与所述参数生成模块的输出端连接，所述模糊控制模块的输出端与所述PID控制器的输入端连接；
其中，所述模糊控制模块用于生成所述控制参数与所述实际下泄流温度的模糊函数，并基于所述模糊函数实时调节所述控制参数，并将调节后的控制参数输入至所述PID控制器。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置中，所述模糊函数包括所述控制参数与所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差的模糊函数、以及所述控制参数与所述误差的变化率的模糊函数。
本发明还一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法，包括步骤：
温度测量模块测量实际下泄流温度；
参数生成模块基于所述实际下泄流温度、以及所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数；
PID控制器基于所述控制参数来控制所述热交换模块进行热交换；
热交换模块通过热交换来调节下泄流温度。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法中，在步骤参数生成模块基于所述实际下泄流温度、以及所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数之后，所述控制方法还包括步骤：
所述补偿模块采用延迟预估补偿模型生成延迟补偿；
所述参数生成模块基于所述延迟补偿调节所述控制参数。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法中，所述延迟预估补偿模型为史密斯预估补偿模型。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法中，在步骤PID控制器基于所述控制参数来控制所述热交换模块来进行热交换之前，所述控制方法还包括步骤：
所述模糊控制模块生成所述控制参数与所述实际下泄流温度的模糊函数，并基于所述模糊函数实时调节所述控制参数，并将调节后的控制参数输入至所述PID控制器。
在本发明所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法中，所述模糊函数包括所述控制参数与所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差的模糊函数、以及所述控制参数与所述误差的变化率的模糊函数。
本发明产生的有益效果是：相比于PI控制器，PID控制器原理简单、适应性强、鲁棒性强。通过史密斯预估补偿回路补偿了阀门和换热器纯时间延迟带给系统的不稳定性，然后通过模糊控制实时整定PID控制参数来做到时刻最优控制，从而大力改善了系统的控制性能，使得下泄温度控制可靠可行。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1示出了依据本发明第一实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图；
图2示出了依据本发明第二实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图；
图3示出了依据本发明第三实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图；
图4示出了依据本发明第四实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图；
图5示出了依据本发明实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了依据本发明第一实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图，如图1所示，该控制装置包括：参数生成模块100、比例积分微分（PID：Proportional Integral Differentiation）控制器、热交换模块300、以及温度测量模块400。其中，参数生成模块100可接收外部输入以及与温度测量模块400的输出连接；参数生成模块100的输出端与PID控制器200的输入端连接；PID控制器200的输出端与热交换模块300的输入端连接，从而使得热交换模块300在PID控制器200的控制下进行热交换，以调节下泄流温度。
具体而言，温度测量模块400可以为任何适用的测温仪器，例如温度传感器，可测量下泄流的温度，并将测量的实际下泄流温度传输至参数生成模块100。
参数生成模块100一方面可从外界输入获取预设的基准下泄流温度，另一方面可从温度测量模块400获取当前的实际下泄流温度。继而，基于实际下泄流温度、以及实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度之间的误差来生成控制参数。此处可设置该误差为实际下泄流温度与基准下泄流温度之差，生成的控制参数包括比例增益（Kp）、积分时间常数（Ki）、以及微分时间常数（Kd）。
PID控制器200为现有的任何适用的PID控制器200，可基于从参数生成模块100获取的控制参数，控制热交换模块300进行热交换。相比于PI控制器，PID控制器原理简单、适应性强、鲁棒性强。微分动作作用下，执行机构的移动速度与被控量的变化速度成正比。微分作用使执行机构快速移动，迅速缓和下来并逐渐消失，能此能进一步获得稳定的下泄流温度控制。
热交换模块300可通过对下泄流实施热交换过程来调节下泄流的温度。例如，热交换模块300包括阀门和热交换单元，其中，阀门在PID控制器200的控制下，调节热交换单元流入的冷却水流量，从而通过改变冷却水流量来控制下泄流温度。
已知的，在上述控制装置对下泄流温度进行控制的过程中，由于热交换模块300（即阀门和热交换单元）具有固有的时间延迟性，即使执行机构（热交换模块300）接受PID控制器200产生的控制信号后立即动作，也需要经过纯迟延时间T以后，才能作用于被控对象（即下泄流温度）。由此，纯迟延的存在使得下泄流温度不能及时反映控制装置所承受的扰动，这种纯延迟将导致产生比较明显的超调量和较长的调节时间，从而有必要对这种纯延迟进行补偿。
图2示出了依据本发明第二实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图，如图2所示，在第一实施例中的控制装置的基础上，该控制装置还包括补偿模块500，补偿模块500的输入端与PID控制器200的输出端连接，补偿模块500的输出端与参数生成模块100的输入端连接。补偿模块500可依据PID控制器200输出的控制信号，并采用延迟预估补偿模型来生成延迟补偿，以使参数生成模块100基于该延迟补偿调节控制参数。在本实施例中，通过延迟补偿，系统稳定性增强，超调进一步减小，可以更快稳定，鲁棒性更强。
优选地，延迟预估补偿模型为史密斯预估补偿模型。其中，在有扰动的前提下，电路可以预先估计其动态特性，然后由延迟预估补偿模块500进行补偿，力图使被延迟的被控量超前反映到调节器，使调节器提前动作，从而明显减小超调量和加速调节过程。
此外还可采用微分先行控制模型或中间反馈控制模型。微分先行控制模型中，即将微分作用移到反馈回路，以加强微分作用，达到减小超调量的效果。中间反馈控制模型中，系统中的微分作用是独立的。当被控量变化时，微分能及时根据其变化的速率起附加的校正作用。这种微分作用与PI控制器的输出信号无关，并且只在变化时才起作用，而在静态时或者被控量变化速率恒定时不起作用。它和微分先行控制方案都是按照被控量的变化速率大小进行矫正的，它可以使控制系统的闭环极点位置左移，从而使系统的超调量大大下降，控制品质更好。
在下泄流温度的控制过程中，PID控制器200的控制参数一旦确定后则不再改变。然而，在存在纯滞后的控制系统，由于噪声和扰动的影响，过程参数不是固定的，这样，无法保证在控制环境改变时控制参数依然最优，从而难以适应不同瞬态的调控环境，所以控制效果差。由此就要求PID控制器200在控制过程中，其控制参数能够在线实时调整，根据实际情况自动整定控制参数，从而达到实时最优参数的效果。
图3示出了依据本发明第三实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图，如图3所示，在第一实施例中的控制装置的基础上，该控制装置还包括模糊控制模块600，模糊控制模块600的输入端与参数生成模块100的输出端连接，模糊控制模块600的输出端与PID控制器200的输入端连接。其中，模糊控制模块600生成控制参数与实际下泄流温度的模糊函数，并基于模糊函数实时调节控制参数，并将调节后的控制参数输入至PID控制器200。
已知的，模糊化的功能是将输入的精确量转换成为模糊量，可以分两步，第一步将输入量处理，使其变成模糊控制器要求的输入量；第二步，对该量进行尺度变换，变换到适用于论域的范围，进行模糊化处理，这样，输入量就由原来的精确量转变成了模糊量，用相应的模糊集合表示。
在本实施例的优选实施方式后中，模糊函数包括控制参数与实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差的模糊函数、以及控制参数与误差的变化率的模糊函数。具体而言，获取控制参数（Kp、Ki、以及Kd）与误差e和误差的变化率ec之间的模糊关系，其中，误差e为实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度之差，ec=de/dt。在控制中时刻检测e和ec，根据已知的模糊控制原理来对控制参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，只有这样，被控对象才能同时有良好的动、静态性能。
图4示出了依据本发明第四实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置的逻辑框图，如图4所示，在第一实施例中的控制装置的基础上，该控制装置还同时包括补偿模块500和模糊控制模块600。在该实施例的控制装置中，不仅采用补偿模块500对纯延迟进行补偿，还在控制参数的整定上，使控制参数可以随误差和误差变化率数值自动调整，以获得最优的控制参数。
表1示出了依据本发明的各个实施例的控制装置与现有的控制装置的参数对比，其中，与第一实施例中的控制装置相比，现有的控制装置中选用PI控制器。从表1可以看出，在超调量、调整时间、调整时间和误差绝对积分指标四个方面，本发明实施例中的控制装置相比于现有的控制装置均得到了大幅改善，其中，第四实施例中的控制装置的超调量、调整时间和误差绝对积分指标均为最低。
表1.控制装置的参数对比
图5示出了依据本发明实施例的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法的流程图，可采用上述任何控制装置来实施该控制方法，因此此处部分或全部引用上述关于控制装置的阐述。下面将按步骤描述该控制方法。
S100、温度测量模块400测量实际下泄流温度。
S200、参数生成模块100基于实际下泄流温度、以及实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数。此处可设置该误差为实际下泄流温度与基准下泄流温度之差，生成的控制参数包括比例增益（Kp）、积分时间常数（Ki）、以及微分时间常数（Kd）。
S300、补偿模块500采用延迟预估补偿模型生成延迟补偿；参数生成模块100基于延迟补偿调节控制参数。延迟预估补偿模型为史密斯预估补偿模型。该步骤为优选步骤。
S400、模糊控制模块600生成控制参数与实际下泄流温度的模糊函数，并基于模糊函数实时调节控制参数，并将调节后的控制参数输入至PID控制器200。优选地，模糊函数包括控制参数与实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差的模糊函数、以及控制参数与误差的变化率的模糊函数。该步骤为优选步骤。
S500、PID控制器200基于控制参数来控制热交换模块300进行热交换。
S600、热交换模块300通过热交换来调节下泄流温度。
从以上可以看出，相比于现有的下泄流温度控制装置和方法，依据本发明实施例的下泄流温度控制装置和方法中采用PID控制器替代现有的PI控制器，从而提供控制稳定性，减少控制参数波动；采用补偿模块来补偿控制中产生的与时间有关的纯延迟，从而明显减少超调量和加速调节过程；采用模糊模块来实时整定控制参数，使得控制过程中控制参数达到最优，从而提高控制精度，改善控制效果。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置，其特征在于，包括：
热交换模块，用于通过热交换来调节下泄流温度；
温度测量模块，用于测量实际下泄流温度；
参数生成模块，用于基于所述实际下泄流温度、以及所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数；
PID控制器，用于基于所述控制参数来控制所述热交换模块进行热交换。
2.根据权利要求1所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括补偿模块，所述补偿模块的输入端与所述PID控制器的输出端连接，所述补偿模块的输出端与所述参数生成模块的输入端连接；其中，
所述补偿模块用于采用延迟预估补偿模型来生成延迟补偿，以使所述参数生成模块基于所述延迟补偿调节所述控制参数。
3.根据权利要求2所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置，其特征在于，所述延迟预估补偿模型为史密斯预估补偿模型。
4.根据权利要求1到3任一项所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括模糊控制模块，所述模糊控制模块的输入端与所述参数生成模块的输出端连接，所述模糊控制模块的输出端与所述PID控制器的输入端连接；
其中，所述模糊控制模块用于生成所述控制参数与所述实际下泄流温度的模糊函数，并基于所述模糊函数实时调节所述控制参数，并将调节后的控制参数输入至所述PID控制器。
5.根据权利要求4所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制装置，其特征在于，所述模糊函数包括所述控制参数与所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差的模糊函数、以及所述控制参数与所述误差的变化率的模糊函数。
6.一种核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法，其特征在于，包括步骤：
温度测量模块测量实际下泄流温度；
参数生成模块基于所述实际下泄流温度、以及所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数；
PID控制器基于所述控制参数来控制所述热交换模块进行热交换；
热交换模块通过热交换来调节下泄流温度。
7.根据权利要求6所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法，其特征在于，在步骤参数生成模块基于所述实际下泄流温度、以及所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差来生成控制参数之后，所述控制方法还包括步骤：
所述补偿模块采用延迟预估补偿模型生成延迟补偿；
所述参数生成模块基于所述延迟补偿调节所述控制参数。
8.根据权利要求6所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法，其特征在于，所述延迟预估补偿模型为史密斯预估补偿模型。
9.根据权利要求6到8任一项所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法，其特征在于，在步骤PID控制器基于所述控制参数来控制所述热交换模块来进行热交换之前，所述控制方法还包括步骤：
所述模糊控制模块生成所述控制参数与所述实际下泄流温度的模糊函数，并基于所述模糊函数实时调节所述控制参数，并将调节后的控制参数输入至所述PID控制器。
10.根据权利要求9所述的核电站化学与容积控制系统下泄流温度的控制方法，其特征在于，所述模糊函数包括所述控制参数与所述实际下泄流温度与预设的基准下泄流温度的误差的模糊函数、以及所述控制参数与所述误差的变化率的模糊函数。
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