CN104267754B - 反应堆入口压力智能调节系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了反应堆入口压力智能调节系统及其控制方法，反应堆入口压力智能调节系统，压力变送器用于检测反应堆入口母管内部的压力并将压力信号反馈到I/V转换，I/V转换将压力信号传输到智能控制器，智能控制器根据压力设定值和输入的压力信号输出控制电流信号到电/气转换器上，电/气转换器将控制电流信号转为对应的气压信号，气动阀依照对应的气压信号实现适应的开度。运行稳定可靠。本装置的调节性能良好，响应时间、超调量、振荡次数、调节时间等各项性能均符合要求，抗扰动能力明显提高。

Description

反应堆入口压力智能调节系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及反应堆堆入口压力智能调节技术，属于自动控制领域。

背景技术

HEFTR（高通量工程试验堆）的堆入口压力调节装置用于对反应堆的堆入口压力进行调节，该装置将堆入口压力的测量值与运行设定值进行比较，输出偏差量控制执行机构动作，对堆入口压力进行调节，使反应堆入口压力稳定在设定值，确保反应堆安全运行。

HFETR的堆入口压力调节装置原采用模拟式调节方式。通过多年的使用经验来看，实际上并不一定能实现对反应堆入口压力的快速调节，调节装置抗扰动能力差，调节效果不理想。主要存在的问题是：

（1）结构复杂，多为机械式结构和模拟式结构元器件，体积大，质量重，在使用过程中易损坏，增加了维护难度；

（2）采用滑动式指针操作与显示，存在一定的指示误差；

（3）采用拨盘式结构设定堆入口压力定值，设定值与实际值误差大；

（4）控制参数为人工设定，需通过调节电位器进行设置，找到一组合适的参数值，这需要丰富的工程经验，并经过多次试验才能成功，耗时耗力，且参数是某一种工况下一组固定值，当现场运行状况发生变化时，需要重新进行参数设置；

（5）调节装置的响应速度慢，在调节过程中易出现超调，达到稳定需要的时间长。

正是由于原调节装置的种种缺陷，通过不断的探索和试验，我们需要研制出了一种新型堆入口压力智能调节系统，确保反应堆的运行安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种反应堆入口压力智能调节系统及其控制方法，改善堆入口压力调节装置的可操作性，提高装置的调节性能，实现对堆入口压力的恒压控制。

本发明的实现方案如下：

反应堆入口压力智能调节系统，

包括安装在反应堆入口母管上的压力变送器、与压力变送器连接的I/V转换、与I/V转换连接的智能控制器、与智能控制器连接的电/气转换器、与电/气转换器连接的气动阀，气动阀安装在反应堆出口母管上；

压力变送器用于检测反应堆入口母管内部的压力并将压力信号反馈到I/V转换，

I/V转换将电流形式的压力信号转换成电压形式的压力信号传输到智能控制器，

智能控制器根据压力设定值和输入的压力信号做出逻辑运算后输出控制电流信号到电/气转换器上，

电/气转换器将智能控制器输出的控制电流信号转为对应的气压信号，

气动阀依照对应的气压信号实现适应的开度；

智能控制器包括参数采集模块、定值设置模块、参数自适应模糊PID控制模块、信号输出模块，

参数采集模块通过输入隔离模块与I/V转换进行交互，

参数自适应模糊PID控制模块同时与参数采集模块、定值设置模块、信号输出模块进行交互，

信号输出模块与电/气转换器进行交互，

定值设置模块对参数自适应模糊PID控制模块输入压力设定值；

参数自适应模糊PID控制模块根据模糊推理法对反应堆入口压力调节的特点建立有模糊规则表，模糊规则表是以反应堆压力的偏差e和偏差e的变化率ec为输入、PID调节参数为输出而设置的，将压力的偏差e和偏差e的变化率ec模糊化，查模糊规则表，根据模糊规则表对PID调节参数进行实时修改。

上述系统的调节原理为：反应堆入口母管内的压力经过压力变送器的测量和I/V转换的转换，在智能控制器中与压力设定值进行比较处理后，智能控制器送出输出控制电流信号（可以是4mA～20mA的电流信号，也可以是其他范围值的控制信号）去控制执行机构动作（电/气转换器），从而调节气动阀的开度。当反应堆入口母管的压力变化时，该气动阀开度变化使得从反应堆入口母管引出的除气系统流量发生变化，以保持堆入口压力稳定在设定值。

上述压力调节系统在反应堆运行过程中，确保堆的压力稳定在设定值，确保反应堆的安全。反应堆在运行过程中，要求调节系统能够抑制外界扰动，在出现扰动时，要求系统能够快速平稳实现压力调节，在调节过程中超调量小，系统的响应性快，调节精度高，达到稳定的时间短。例如:当反应堆入口母管的压力由于某种原因出现压力突升时，要求快速全开气动阀，进行泄压；当压力出现剧降时，要求全关气动阀，防止失压。为了取得上述效果，智能控制器由输入隔离模块、参数采集模块、定值设置模块、参数自适应模糊PID控制模块、信号输出模块构成（还可以增加参数显示模块），其核心是参数自适应模糊PID控制模块，要构建自适应模糊PID控制模块首先根据反应堆入口压力调节的特点建立模糊规则表，模糊规则表是以压力的偏差e和偏差e的变化率ec为输入、PID调节参数为输出而设置的。自适应模糊PID控制模块要判断压力的偏差e和偏差e的变化率ec是否超过设定的越限，如果超过设定的限值则将其设为上限值或下限值，例如：即在反应堆压力突升时全开气动阀，压力突降时全关气动阀，确保反应堆运行安全，总的来说：不论是压力突降还是压力突升，此时的偏差e变大，偏差e的变化率ec也变大，相当于超过设定的越限，此时全关气动阀或全开气动阀。具体的操控是：将压力的偏差e和偏差e的变化率ec进行模糊化处理，查模糊规则表，根据模糊规则表对PID参数进行实时修改，以满足不同运行工况时的压力调节要求。以下反应堆入口母管的压力我简称为堆入口压力。

本系统能实现的功能如下：

（1）根据运行要求，设定堆入口压力的定值；

（2）设定压力偏差e和压力偏差e的变化率ec的限值，PID参数值的变化范围；

（3）具有手动控制功能，通过手动方式控制气动阀的开度；

（4）能自动对堆入口压力进行调节，满足不同工况下的智能调节要求；

（5）对各参数进行数字化显示。

可见，与原装置对比，新装置具有以下优点：

（1）采用单片机作为控制器，具有体积小，重量轻，安装方便的特点；

（2）采用数字化显示方式，便于读数；

（3）堆入口压力的定值、控制器参数值设定方便快捷，可操作性强；

（4）具有手动和自动控制两种方式供选择，灵活方便；

（5）调节装置的控制性能良好，抗扰动能力强，响应速度快，在调节过程中无超调，振荡的情况，达到稳定所需要的时间短。

优选的，压力变送器反馈给I/V转换的信号为4mA至20mA的电流信号。

优选的，智能控制器输出到电/气转换器上的信号为4mA至20mA的电流信号。

优选的，上述反应堆出口母管上安装有除气流量计，反应堆出口母管远离反应堆的一端连通到除气系统。

上述反应堆入口压力智能调节系统的控制方法，

包括以下步骤：

A、采样步骤：通过压力变送器和I/V转换对反应堆入口母管内的压力进行采样和处理；

B、信号处理步骤：通过智能控制器根据压力采样的数据和压力设定值计算出e（k）和ec（k），判断e（k）和ec（k）是否越限，当e（k）和ec（k）没有越限时，直接将e（k）和ec（k）进行模糊化处理为E和EC，当e（k）和ec（k）越限时，将e（k）和ec（k）设置成上限值或下限值后再进行模糊化处理为E和EC，对E和EC进行模糊推理，并解模计算出△Kp、△Ki、△Kd，修正当前Kp、Ki、Kd后进行PID计算，将计算结果输出，进行PID计算后，数据作为控制电流信号输出；

步骤C、控制步骤：控制电流信号输入到电/气转换器，电/气转换器将智能控制器输出的控制电流信号转为对应的气压信号，气动阀依照对应的气压信号实现适应的开度。

本装置的堆入口压力调节具有手动和自动两种调节方式：

方法一：将本系统设置为手动调节模式，手动设置系统的输出值，通过电/气转换器控制气动阀的开度。此时，调节系统为一开环结构，系统的控制参数为一组固定值。

方法二：即为上述反应堆入口压力智能调节系统的控制方法，该方法是将本系统设置为自动调节模式，系统的控制参数为不固定值。本系统能根据堆入口压力的测量值，智能化地实现对控制参数的修改，使控制器能满足不同运行情况下的调节要求。系统通过计算堆入口压力的偏差e和偏差e的变化率ec（偏差e的变化趋势），然后对控制器的PID参数进行调整设定。

本发明的效果在于：运行稳定可靠。本装置的调节性能良好，响应时间、超调量、振荡次数、调节时间等各项性能均符合要求，抗扰动能力明显提高。在进行定值设定时，原装置由于为机械式结构，和指针时显示方式，压力设定值与实际值之间的误差大；本装置采用数字式方式设定值，压力定值的误差很小，精度有了很大的提高。在出现扰动的情况下，系统达到设定值的调节时间由原来的5分钟缩短至30秒以内；响应速度有了很大的改进，由原来的20秒缩短至5秒内；无超调量，调节系统的动态和静态性能有了极大的提高。原装置需要根据运行工况手动调节控制参数，耗时长；现装置能根据工况的变化智能化地设置控制参数，极大地减少了运行人员的工作量，操作效率明显提高，节约了HFETR的运行成本。本装置通过长期考验，满足使用要求。

附图说明

图1 为本发明的硬件系统示意图。

图2为智能控制器的架构图。

图3为参数自适应模糊PID控制模块的算法流程图。

图4为Kp、Ki和Kd的模糊控制规则表。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图3所示。

反应堆入口压力智能调节系统，

包括安装在反应堆入口母管上的压力变送器、与压力变送器连接的I/V转换、与I/V转换连接的智能控制器、与智能控制器连接的电/气转换器、与电/气转换器连接的气动阀，气动阀安装在反应堆出口母管上；

压力变送器用于检测反应堆入口母管内部的压力并将压力信号反馈到I/V转换，

I/V转换将电流形式的压力信号转换成电压形式的压力信号传输到智能控制器，

智能控制器根据压力设定值和输入的压力信号做出逻辑运算后输出控制电流信号到电/气转换器上，

电/气转换器将智能控制器输出的控制电流信号转为对应的气压信号，

气动阀依照对应的气压信号实现适应的开度；

智能控制器包括参数采集模块、定值设置模块、参数自适应模糊PID控制模块、信号输出模块，

参数采集模块通过输入隔离模块与I/V转换进行交互，

参数自适应模糊PID控制模块同时与参数采集模块、定值设置模块、信号输出模块进行交互，

信号输出模块与电/气转换器进行交互，

定值设置模块对参数自适应模糊PID控制模块输入压力设定值；

参数自适应模糊PID控制模块根据模糊推理法对反应堆入口压力调节的特点建立有模糊规则表，模糊规则表是以反应堆压力的偏差e和偏差e的变化率ec为输入、PID调节参数为输出而设置的，将压力的偏差e和偏差e的变化率ec模糊化，查模糊规则表，根据模糊规则表对PID调节参数进行实时修改。

上述系统的调节原理为：反应堆入口母管内的压力经过压力变送器的测量和I/V转换的转换，在智能控制器中与压力设定值进行比较处理后，智能控制器送出输出控制电流信号（可以是4mA～20mA的电流信号，也可以是其他范围值的控制信号）去控制执行机构动作（电/气转换器），从而调节气动阀的开度。当反应堆入口母管的压力变化时，该气动阀开度变化使得从反应堆入口母管引出的除气系统流量发生变化，以保持堆入口压力稳定在设定值。

上述压力调节系统在反应堆运行过程中，确保堆的压力稳定在设定值，确保反应堆的安全。反应堆在运行过程中，要求调节系统能够抑制外界扰动，在出现扰动时，要求系统能够快速平稳实现压力调节，在调节过程中超调量小，系统的响应性快，调节精度高，达到稳定的时间短。例如:当反应堆入口母管的压力由于某种原因出现压力突升时，要求快速全开气动阀，进行泄压；当压力出现剧降时，要求全关气动阀，防止失压。为了取得上述效果，智能控制器由输入隔离模块、参数采集模块、定值设置模块、参数自适应模糊PID控制模块、信号输出模块构成（还可以增加参数显示模块），其核心是参数自适应模糊PID控制模块，要构建自适应模糊PID控制模块首先根据反应堆入口压力调节的特点建立模糊规则表，模糊规则表是以压力的偏差e和偏差e的变化率ec为输入、PID调节参数为输出而设置的。自适应模糊PID控制模块要判断压力的偏差e和偏差e的变化率ec是否超过设定的越限，如果超过设定的限值则将其设为上限值或下限值，例如：即在反应堆压力突升时全开气动阀，压力突降时全关气动阀，确保反应堆运行安全，总的来说：不论是压力突降还是压力突升，此时的偏差e变大，偏差e的变化率ec也变大，相当于超过设定的越限，此时全关气动阀或全开气动阀。具体的操控是：将压力的偏差e和偏差e的变化率ec进行模糊化处理，查模糊规则表，根据模糊规则表对PID参数进行实时修改，以满足不同运行工况时的压力调节要求。以下反应堆入口母管的压力我简称为堆入口压力。

本系统能实现的功能如下：

（1）根据运行要求，设定堆入口压力的定值；

（2）设定压力偏差e和压力偏差e的变化率ec的限值，PID参数值的变化范围；

（3）具有手动控制功能，通过手动方式控制气动阀的开度；

（4）能自动对堆入口压力进行调节，满足不同工况下的智能调节要求；

（5）对各参数进行数字化显示。

可见，与原装置对比，新装置具有以下优点：

（1）采用单片机作为控制器，具有体积小，重量轻，安装方便的特点；

（2）采用数字化显示方式，便于读数；

（3）堆入口压力的定值、控制器参数值设定方便快捷，可操作性强；

（4）具有手动和自动控制两种方式供选择，灵活方便；

（5）调节装置的控制性能良好，抗扰动能力强，响应速度快，在调节过程中无超调，振荡的情况，达到稳定所需要的时间短。

优选的，压力变送器反馈给I/V转换的信号为4mA至20mA的电流信号。

优选的，智能控制器输出到电/气转换器上的信号为4mA至20mA的电流信号。

优选的，上述反应堆出口母管上安装有除气流量计，反应堆出口母管远离反应堆的一端连通到除气系统。

实施例2

如图1、图2、图3，上述反应堆入口压力智能调节系统的控制方法，

包括以下步骤：

A、采样步骤：通过压力变送器和I/V转换对反应堆入口母管内的压力进行采样和处理；

B、信号处理步骤：通过智能控制器根据压力采样的数据和压力设定值计算出e（k）和ec（k），判断e（k）和ec（k）是否越限，当e（k）和ec（k）没有越限时，直接将e（k）和ec（k）进行模糊化处理为E和EC，当e（k）和ec（k）越限时，将e（k）和ec（k）设置成上限值或下限值后再进行模糊化处理为E和EC，对E和EC进行模糊推理，并解模计算出△Kp、△Ki、△Kd，修正当前Kp、Ki、Kd后进行PID计算，将计算结果输出，进行PID计算后，数据作为控制电流信号输出；

步骤C、控制步骤：控制电流信号输入到电/气转换器，电/气转换器将智能控制器输出的控制电流信号转为对应的气压信号，气动阀依照对应的气压信号实现适应的开度。

本装置的堆入口压力调节具有手动和自动两种调节方式：

方法一：将本系统设置为手动调节模式，手动设置系统的输出值，通过电/气转换器控制气动阀的开度。此时，调节系统为一开环结构，系统的控制参数为一组固定值。

方法二：即为上述反应堆入口压力智能调节系统的控制方法，该方法是将本系统设置为自动调节模式，系统的控制参数为不固定值。本系统能根据堆入口压力的测量值，智能化地实现对控制参数的修改，使控制器能满足不同运行情况下的调节要求。系统通过计算堆入口压力的偏差e和偏差e的变化率ec（偏差e的变化趋势），然后对控制器的PID参数进行调整设定。

假设压力设定值为M，压力采样值为K，压力偏差e=K-M，压力偏差变化率ec=de/dt，e(k)为k时刻的压力偏差，ec(k)为k时刻的压力偏差变化率，设定变量e的模糊子集为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}，简记为{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，同理将压力偏差变化率ec的变化区域对称地映射为7个模糊子集，模糊控制器的输出量是PID三个参数的修正量，即△Kp、△Ki和△Kd，设其9个模糊子集为{负大、负中、负小、负微、零、正微、正小、正中、正大}，简记为{NB、NM、NS、NW、ZO、PW、PS、PM、PB}。根据e和ec应用模糊逻辑推理，总结出一套△Kp、△Ki和△Kd的模糊逻辑整定模型，Kp、Ki和Kd的模糊控制规则表如图4的△Kp、△Ki和△Kd的模糊控制规则所示。

经过模糊推理后得到PID参数的修正量△Kp、△Ki和△Kd后，按下面公式进行PID参数调整：

Kp(k)= Kp(k-1)+△Kp(k)；

Ki(k)= Ki(k-1)+△Ki(k)；

Kd(k)= Kd(k-1)+△Kd(k)；

根据PID参数的修正量△Kp、△Ki和△Kd，加上PID参数前一时刻的值，便得到本次PID参数的实际值。

如上所述，则能很好的实现本发明。

Claims (5)

1.反应堆入口压力智能调节系统，其特征在于：

包括安装在反应堆入口母管上的压力变送器、与压力变送器连接的I/V转换、与I/V转换连接的智能控制器、与智能控制器连接的电/气转换器、与电/气转换器连接的气动阀，气动阀安装在反应堆出口母管上；

压力变送器用于检测反应堆入口母管内部的压力并将压力信号反馈到I/V转换，

I/V转换将电流形式的压力信号转换成电压形式的压力信号传输到智能控制器，

智能控制器根据压力设定值和输入的压力信号做出逻辑运算后输出控制电流信号到电/气转换器上，

电/气转换器将智能控制器输出的控制电流信号转为对应的气压信号，

气动阀依照对应的气压信号实现适应的开度；

智能控制器包括参数采集模块、定值设置模块、参数自适应模糊PID控制模块、信号输出模块，

参数采集模块通过输入隔离模块与I/V转换进行交互，

参数自适应模糊PID控制模块同时与参数采集模块、定值设置模块、信号输出模块进行交互，

信号输出模块与电/气转换器进行交互，

定值设置模块对参数自适应模糊PID控制模块输入压力设定值；

参数自适应模糊PID控制模块根据模糊推理法对反应堆入口压力调节的特点建立有模糊规则表，模糊规则表是以反应堆压力的偏差e和偏差e的变化率ec为输入、PID调节参数为输出而设置的，将压力的偏差e和偏差e的变化率ec模糊化，查模糊规则表，根据模糊规则表对PID调节参数进行实时修改，根据模糊规则表解模计算出PID调节参数△Kp、△Ki、△Kd，根据△Kp、△Ki、△Kd，修正当前Kp、Ki、Kd后进行PID计算，将计算结果输出，进行PID计算后，数据作为控制电流信号输出。

2.根据权利要求1所述的反应堆入口压力智能调节系统，其特征在于：压力变送器反馈给I/V转换的信号为4mA至20mA的电流信号。

3.根据权利要求1所述的反应堆入口压力智能调节系统，其特征在于：智能控制器输出到电/气转换器上的信号为4mA至20mA的电流信号。

4.根据权利要求1所述的反应堆入口压力智能调节系统，其特征在于：上述反应堆出口母管上安装有除气流量计，反应堆出口母管远离反应堆的一端连通到除气系统。

5.根据权利要求1或2或3或4所述反应堆入口压力智能调节系统的控制方法，其特征在于：

包括以下步骤：

A、采样步骤：通过压力变送器和I/V转换对反应堆入口母管内的压力进行采样和处理；

B、信号处理步骤：通过智能控制器根据压力采样的数据和压力设定值计算出e（k）和ec（k），判断e（k）和ec（k）是否越限，当e（k）和ec（k）没有越限时，直接将e（k）和ec（k）进行模糊化处理为E和EC，当e（k）和ec（k）越限时，将e（k）和ec（k）设置成上限值或下限值后再进行模糊化处理为E和EC，对E和EC进行模糊推理，并解模计算出△Kp、△Ki、△Kd，修正当前Kp、Ki、Kd后进行PID计算，将计算结果输出，进行PID计算后，数据作为控制电流信号输出；e(k)为k时刻的压力偏差，ec(k)为k时刻的压力偏差变化率；

步骤C、控制步骤：控制电流信号输入到电/气转换器，电/气转换器将智能控制器输出的控制电流信号转为对应的气压信号，气动阀依照对应的气压信号实现适应的开度。