CN110767060A - 核反应堆棒控系统实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
核反应堆棒控系统实验装置及其实验方法，属于核反应堆控制领域，该实验装置包括由步进电机、丝杆、滑块和导轨滑台组成的控制棒驱动机构模拟装置，由尺面、光栅传感器及其数据线组成的控制棒棒位测量模拟装置，由数据采集模块、信号输出模块、主控计算机和相关线路组成的主控制台；本发明还提供了该实验装置的实验方法；本发明能够在低参数无辐射条件下的实时模拟并分析核反应堆棒控系统的动态特性，设计并验证相应的控制方案。
Description
技术领域
本发明属于核反应堆控制领域，具体涉及一种核反应堆棒控系统实验装置及其实验方法。
背景技术
池式钠冷快堆中子经济性好，增殖比高，是目前反应堆研究热点之一。反应堆功率控制系统是钠冷快堆的关键系统之一，在功率控制系统中，根据冷却剂平均温度及中子通量控制调节棒在堆芯中的位置来实现反应堆功率的自动调节。当反应堆功率出现偏差时，控制系统将克服反应性的扰动，将反应堆功率维持在设定的功率水平上。它被用于反应堆的启停堆与升降功率以及维持反应堆稳态运行功率水平的过程，所以，控制棒控制是反应性控制的重要手段，决定了反应堆的运行状态，因此，对控制棒控制系统的实验和研究是反应堆运行和安全的重要基础。控制棒运行在高温、高压、高辐射的环境，因此难以实验其控制特性与算法，而计算仿真的结果又难以验证，所以设计一个采用数字模拟和物理模拟相结合的核反应堆棒控系统实验装置是十分有必要的。
发明内容
为实现仿真模型与实物模型结合以设计和验证快堆功率控制系统，本发明的目的在于设计一种反应堆棒控系统实验装置及其实验方法，利用实验的方法研究控制棒控制系统动态特性，并验证控制方案的优劣。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种核反应堆棒控系统实验装置，包括控制棒驱动机构模拟装置1、与控制棒驱动机构模拟装置1连接的控制棒棒位测量模拟装置2、与控制棒驱动机构模拟装置1和控制棒棒位测量模拟装置2相连接的主控制台3；
所述控制棒驱动机构模拟装置1包括步进电机1-1，与步进电机1-1转子连接的丝杆1-2，套在丝杆1-2上的滑块1-3，固定步进电机1-1、丝杆1-2和滑块1-3的导轨滑台1-4；
所述控制棒棒位测量模拟装置2包括尺面2-1，设置在尺面2-1上的光栅传感器2-2及其数据线；
所述主控制台3包括主控计算机3-1，主控计算机3-1中利用Simulink平台设计和搭建的核反应堆仿真系统，与主控计算机3-1采用USB方式连接的数据采集模块3-2，与主控计算机3-1采用USB方式连接的信号输出模块3-3；
所述步进电机1-1的转子与丝杆1-2固定，接收来自信号输出模块3-3的数字脉冲信号并做出精确旋转；
所述控制棒棒位测量模拟装置2中的光栅传感器2-2与滑块1-3固定并能够返回位移信息给接数据采集模块3-2；
所述滑块1-3模拟反应堆中的控制棒，滑块1-3相对于导轨滑台1-4的位移对应于控制棒相对于反应堆的位移，将此位移按照滑块1-3的活动范围与真实反应堆控制棒活动范围的比例放大得到模拟位移数值，将核反应堆仿真系统的仿真对象的控制棒微分价值对模拟位移数值积分得到实时控制棒反应性输入值。
所述丝杆1-2为梯形丝杆，有效长度为120mm，滑块1-3为能被丝杆贯穿的长方体滑块。
所述实验装置的实验方法，试验开始前对实验装置进行复位和调零，确保实验装置能够正确地执行主控制台3的命令并能够准确地采集信息；实验方法包括以下步骤：
S1、设置核反应堆控制棒控制方案；
S2、根据需要被验证的核反应堆控制棒控制方案在主控计算机3-1中搭建控制棒控制系统并应用于在主控计算机3-1中搭建的核反应堆仿真系统，控制输入为最终功率设定值、反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，控制输出为步进电机1-1的转动调节信号；
S3、设置核反应堆棒控系统实验装置的初始稳态，设定滑块1-3的初始位置，光栅传感器2-2复位，使主控计算机3-1中的核反应堆仿真系统开始运行，直至滑块1-3静止到某处或达到稳定，核反应堆仿真系统进入稳态运行；
S4、给步骤S1搭建的控制棒控制系统输入扰动或输入工况的最终功率设定值，对于给定的工况，由控制棒控制系统根据反应堆实时功率值和最终功率设定值的偏差给出步进电机1-1角度控制信号并通过信号输出模块3-3传输到步进电机1-1，使丝杆1-2旋转驱使滑块1-3的位置发生变化即模拟控制棒棒位发生变化；
S5、将实时控制棒反应性输入值输入核反应堆仿真系统，核反应堆仿真系统输出反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，由步骤S1预先搭建的控制棒控制系统接收反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，并根据步骤S3输入的工况给出反应堆功率变化需求且生成控制信号传递到信号输出模块3-3，通过信号输出模块3-3生成数字信号改变步进电机1-1的角度，直至核反应堆仿真系统达到稳定；
S6、主控制台3的主控计算机3-1监测并记录整个动态调节过程中步进电机1-1的转速和角度、光栅传感器2-2的速度与位置、主控计算机3-1中核反应堆仿真系统中的实时控制棒反应性输入值、反应堆实时功率值、反应堆堆芯冷却剂平均温度值及其变化，并分析上述参数在整个瞬态过程中的调整时间、超调量和稳态误差，通过在这个瞬态过程中对核反应堆仿真系统中反应堆功率的过渡特性的优劣评价需要被验证的控制棒控制方案的优劣。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明用丝杆和导轨滑台模拟控制棒驱动系统的动作进行实验，实验环境参数低、无辐射，极大地降低了实验风险。
2、实验装置中的控制棒驱动机构模拟装置和控制棒棒位测量模拟装置，能够模拟真实的控制棒相对于反应堆位移的物理过程并产生真实的实验数据，与仿真计算的数据相比更具有可靠性和可信性。
3、实验装置采用步进电机运动模拟真实控制棒驱动机构模拟装置的机械运动，步进电机位移精确，以使实验数据更真实。
4、控制棒棒位测量模拟装置采用光栅传感器测量位移，输出结果精确。
5、实验装置中的电机角速度和延迟系数可以根据实验需求灵活调整，使得实验装置具有可扩展性。
附图说明
图1为本发明实施例中核反应堆棒控系统实验装置结构示意图。
图2为采用核反应堆棒控系统实验装置的实验方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明涉及一种反应堆棒控系统实验装置，包括控制棒驱动机构模拟装置1、与控制棒驱动机构模拟装置1连接的控制棒棒位测量模拟装置2、与控制棒驱动机构模拟装置1和控制棒棒位测量模拟装置2相连接的主控制台3；
所述控制棒驱动机构模拟装置1包括步进电机1-1，与步进电机1-1转子连接的丝杆1-2，套在丝杆1-2上的滑块1-3，固定步进电机1-1、丝杆1-2和滑块1-3的导轨滑台1-4；
所述控制棒棒位测量模拟装置2包括尺面2-1，设置在尺面2-1上的光栅传感器2-2及其数据线；
所述主控制台3包括主控计算机3-1，主控计算机3-1中利用Simulink平台设计和搭建的核反应堆仿真系统，与主控计算机3-1采用USB方式连接的数据采集模块3-2，与主控计算机3-1采用USB方式连接的信号输出模块3-3；
所述步进电机1-1的转子与丝杆1-2固定，接收来自信号输出模块3-3的数字脉冲信号并做出精确旋转；
所述控制棒棒位测量模拟装置2中的光栅传感器2-2与滑块1-3固定并能够返回位移信息给接数据采集模块3-2；
所述滑块1-3模拟反应堆中的控制棒，滑块1-3相对于导轨滑台1-4的位移对应于控制棒相对于反应堆的位移，将此位移按照滑块1-3的活动范围与真实反应堆控制棒活动范围的比例放大得到模拟位移数值，将核反应堆仿真系统的仿真对象的控制棒微分价值对模拟位移数值积分得到实时控制棒反应性输入值。
所述丝杆1-2为梯形丝杆，有效长度为120mm，滑块1-3为能被丝杆贯穿的长方体滑块。
如图2所示，所述实验装置的实验方法，试验开始前对实验装置进行复位和调零，确保实验装置能够正确地执行主控制台3的命令并能够准确地采集信息；实验方法包括以下步骤：
S1、设置核反应堆控制棒控制方案。例如，根据传统的R棒组控制系统的构架，调整三通道非线性控制器中滤波器和超前\滞后单元参数，即可得到性能未知且需要被验证的控制方案。设置控制方案的途径不局限于参数修改，还能通过修改控制逻辑的方式得到新的控制方案。
S2、根据需要被验证的核反应堆控制棒控制方案在主控计算机3-1中搭建控制棒控制系统并应用于在主控计算机3-1中搭建的核反应堆仿真系统，控制输入为最终功率设定值、反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，控制输出为步进电机1-1的转动调节信号；
S3、设置核反应堆棒控系统实验装置的初始稳态，设定滑块1-3的初始位置，光栅传感器2-2复位，使主控计算机3-1中的核反应堆仿真系统开始运行，直至滑块1-3静止到某处或达到稳定，核反应堆仿真系统进入稳态运行；
S4、给步骤S1搭建的控制棒控制系统输入扰动或输入工况的最终功率设定值，对于给定的工况，由控制棒控制系统根据反应堆实时功率值和最终功率设定值的偏差给出步进电机1-1角度控制信号并通过信号输出模块3-3传输到步进电机1-1，使丝杆1-2旋转驱使滑块1-3的位置发生变化即模拟控制棒棒位发生变化；
S5、将实时控制棒反应性输入值输入核反应堆仿真系统，核反应堆仿真系统输出反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，由步骤S1预先搭建的控制棒控制系统接收反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，并根据步骤S3输入的工况给出反应堆功率变化需求且生成控制信号传递到信号输出模块3-3，通过信号输出模块3-3生成数字信号改变步进电机1-1的角度，直至核反应堆仿真系统达到稳定；
S6、主控制台3的主控计算机3-1监测并记录整个动态调节过程中步进电机1-1的转速和角度、光栅传感器2-2的速度与位置、主控计算机3-1中核反应堆仿真系统中的实时控制棒反应性输入值、反应堆实时功率值、反应堆堆芯冷却剂平均温度值及其变化，并分析上述参数在整个瞬态过程中的调整时间、超调量和稳态误差，通过在这个瞬态过程中对核反应堆仿真系统中反应堆功率的过渡特性的优劣评价需要被验证的控制棒控制方案的优劣。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种核反应堆棒控系统实验装置，其特征在于：包括控制棒驱动机构模拟装置(1)、与控制棒驱动机构模拟装置(1)连接的控制棒棒位测量模拟装置(2)、与控制棒驱动机构模拟装置(1)和控制棒棒位测量模拟装置(2)相连接的主控制台(3)；
所述控制棒驱动机构模拟装置(1)包括步进电机(1-1)，与步进电机(1-1)转子连接的丝杆(1-2)，套在丝杆(1-2)上的滑块(1-3)，固定步进电机(1-1)、丝杆(1-2)和滑块(1-3)的导轨滑台(1-4)；
所述控制棒棒位测量模拟装置(2)包括尺面(2-1)，设置在尺面(2-1)上的光栅传感器(2-2)及其数据线；
所述主控制台(3)包括主控计算机(3-1)，主控计算机(3-1)中利用Simulink平台设计和搭建的核反应堆仿真系统，与主控计算机(3-1)采用USB方式连接的数据采集模块(3-2)，与主控计算机(3-1)采用USB方式连接的信号输出模块(3-3)；
所述步进电机(1-1)的转子与丝杆(1-2)固定，接收来自信号输出模块(3-3)的数字脉冲信号并做出精确旋转；
所述控制棒棒位测量模拟装置(2)中的光栅传感器(2-2)与滑块(1-3)固定并能够返回位移信息给接数据采集模块(3-2)；
所述滑块(1-3)模拟反应堆中的控制棒，滑块(1-3)相对于导轨滑台(1-4)的位移对应于控制棒相对于反应堆的位移，将此位移按照滑块(1-3)的活动范围与真实反应堆控制棒活动范围的比例放大得到模拟位移数值，将核反应堆仿真系统的仿真对象的控制棒微分价值对模拟位移数值积分得到实时控制棒反应性输入值。
2.根据权利要求1所述的核反应堆棒控系统实验装置，其特征在于：所述丝杆(1-2)为梯形丝杆，有效长度为120mm，滑块(1-3)为能被丝杆贯穿的长方体滑块。
3.权利要求1所述实验装置的实验方法，其特征在于：试验开始前对实验装置进行复位和调零，确保实验装置能够正确地执行主控制台(3)的命令并能够准确地采集信息；实验方法包括以下步骤：
S1、设置核反应堆控制棒控制方案；
S2、根据需要被验证的核反应堆控制棒控制方案在主控计算机(3-1)中搭建控制棒控制系统并应用于在主控计算机(3-1)中搭建的核反应堆仿真系统，控制输入为最终功率设定值、反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，控制输出为步进电机(1-1)的转动调节信号；
S3、设置核反应堆棒控系统实验装置的初始稳态，设定滑块(1-3)的初始位置，光栅传感器(2-2)复位，使主控计算机(3-1)中的核反应堆仿真系统开始运行，直至滑块(1-3)静止到某处或达到稳定，核反应堆仿真系统进入稳态运行；
S4、给步骤S1搭建的控制棒控制系统输入扰动或输入工况的最终功率设定值，对于给定的工况，由控制棒控制系统根据反应堆实时功率值和最终功率设定值的偏差给出步进电机(1-1)角度控制信号并通过信号输出模块(3-3)传输到步进电机(1-1)，使丝杆(1-2)旋转驱使滑块(1-3)的位置发生变化即模拟控制棒棒位发生变化；
S5、将实时控制棒反应性输入值输入核反应堆仿真系统，核反应堆仿真系统输出反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，由步骤S1预先搭建的控制棒控制系统接收反应堆实时功率值和反应堆堆芯冷却剂平均温度值，并根据步骤S3输入的工况给出反应堆功率变化需求且生成控制信号传递到信号输出模块(3-3)，通过信号输出模块(3-3)生成数字信号改变步进电机(1-1)的角度，直至核反应堆仿真系统达到稳定；
S6、主控制台(3)的主控计算机(3-1)监测并记录整个动态调节过程中步进电机(1-1)的转速和角度、光栅传感器(2-2)的速度与位置、主控计算机(3-1)中核反应堆仿真系统中的实时控制棒反应性输入值、反应堆实时功率值、反应堆堆芯冷却剂平均温度值及其变化，并分析上述参数在整个瞬态过程中的调整时间、超调量和稳态误差，通过在这个瞬态过程中对核反应堆仿真系统中反应堆功率的过渡特性的优劣评价需要被验证的控制棒控制方案的优劣。
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