CN111564226A

CN111564226A - 一种基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法

Info

Publication number: CN111564226A
Application number: CN202010257980.9A
Authority: CN
Inventors: 甄建霄; 罗忠
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2020-08-21
Anticipated expiration: 2040-04-03
Also published as: CN111564226B

Abstract

本发明涉及一种基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，该方法分别以反应堆功率倍周期和反应堆功率偏差百分比作为横、纵坐标，建立坐标系，并将反应堆功率倍周期和反应堆功率偏差百分比划分为若干个区间，针对不同区间的相交区域设定不同的调节棒目标棒速；根据当前的反应堆功率计算反应堆功率倍周期和反应堆功率偏差百分比；根据计算结果确定在所述坐标系中所属的区域，根据该区域设定的目标棒速驱动调节棒。该方法简单有效，既确保了研究堆的运行安全，又保证了研究堆长期稳定的功率运行。

Description

一种基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法

技术领域

本发明属于反应堆功率控制技术，具体涉及一种基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法。

背景技术

研究堆是指主要利用其内受控核裂变产生的中子进行各项科学试验和工程应用的核反应堆。研究堆在不同功率台阶运行时，由于反应堆本身的反应性扰动、试验样品出入堆、温度变化、棒位变化、毒物变化等均会引起反应堆功率的变化。为了保证安全，需要长时间稳定反应堆功率，主要依靠自动调节棒、驱动机构、核功率测量系统及功率自动调节控制系统来实现。其原理是核功率测量系统测量当前的反应堆功率，功率自动调节系统接收当前反应堆的功率，判断其与功率定值(目标值)的偏差，根据偏差大小控制自动调节棒的上下移动进而实现反应堆功率的稳定。反应堆功率的变化是一个复杂的过程，影响因素很多。目前新建研究堆均采用数字化的功率自动调节系统，对于反应堆功率，由于影响的变量过多且是一个动态的变化过程，难以用准确的数学模型描述系统的动态，传统的PID调节方式在实际应用中往往不能满足要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，实现研究堆的功率自动调节控制，保证其稳定安全运行。

本发明的技术方案如下：一种基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，包括：

分别以反应堆功率倍周期和反应堆功率偏差百分比作为横、纵坐标，建立坐标系，并将反应堆功率倍周期和反应堆功率偏差百分比划分为若干个区间，针对不同区间的相交区域设定不同的调节棒目标棒速；

根据当前的反应堆功率计算反应堆功率倍周期和反应堆功率偏差百分比；

根据计算得到的反应堆功率倍周期和反应堆功率偏差百分比，确定在所述坐标系中所属的区域，根据该区域设定的目标棒速驱动调节棒。

进一步，如上所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其中，所述反应堆功率倍周期的计算方式如下：

F为反应堆功率倍周期的倒数，T₂为反应堆功率倍周期，P_t为当前的反应堆功率，P_(t-Δt)为Δt时间前的反应堆功率；反应堆功率倍周期为正值代表反应堆功率在增长，反应堆功率倍周期为负值代表反应堆功率在下降，其绝对值越小代表反应堆功率变化越快。

进一步，如上所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其中，所述反应堆功率偏差百分比的计算方式如下：

P_t为当前反应堆功率，P_S为反应堆功率定值(代表反应堆的目标功率)。

进一步，如上所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其中，各所述区域的目标棒速可以为固定值，或者是根据公式的计算值；目标棒速的计算可采用如下公式之一：

v＝-k₂ΔP (b)

v为调节棒的目标棒速，k₁、k₂为比例系数，根据具体的驱动机构和反应堆由试验确定，T₂为反应堆功率倍周期，ΔP为反应堆功率偏差百分比；

公式(a)适用于电离室信号输出稳定的情况；

公式(b)适用于电离室信号输出波动大的情况。

进一步，如上所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其中，根据反应堆功率自动调节仿真试验和反应堆调试试验调整和优化所述比例系数，以及调节棒的目标棒速。

进一步，如上所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其中，所述反应堆功率偏差百分比的划分区间包括[-1％,1％]、(1％，2％]、(2％，+∞)、(-∞，-2％)、[-2％,-1％)；所述反应堆功率倍周期的划分区间包括(0s，40s]、(40s，100s]、(100s,200s]、(200s,+∞)、(-∞,-200s)、[-200s,-100s)、[-100s,0)。

本发明的有益效果如下：本发明提供的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法通过反应堆运行经验的积累和提炼，提出了有别于传统的研究堆功率调节(如以反应堆功率偏差比为输入的比例调节或PID调节)的新方法，模型简单有效，既确保了研究堆的运行安全，又保证了研究堆长期稳定的功率运行。该调节方法对今后研究堆数字化升级改造、新建研究堆有重要参考价值，对核电站功率自动调节系统有借鉴意义。

附图说明

图1为本发明实施例中反应堆功率偏差百分比和反应堆倍周期区间的划分示意图；

图2为本发明实施例中反应堆功率自动调节仿真系统的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

研究堆功率自动调节系统的技术指标要求往往包括引入特定阶跃反应性，系统的最大超调量、系统的调节时间、振荡次数等。如某反应堆的功率自动调节系统技术指标为：当反应性阶跃输入为5×10^-4△k/k时，系统最大超调量小于7％给定功率，调节时间小于3s，静态误差小于±1％给定功率，震荡次数1～2个。

功率自动调节系统可以使用各种可靠的满足特定堆型需要的计算机控制系统，由相应的硬件设备、软件和计算机网络组成。该系统实现对调节棒状态(位置)的监测、通过调节棒驱动机构实现对调节棒上下运动的驱动、通过核测系统实现反应堆功率的实时监测。通过上位机进行逻辑编程和自动调节算法的编程。

自动调节算法是写在功率自动调节系统中可以执行的计算机程序，包括如下内容：

(1)根据反应堆功率计算反应堆功率的倍周期，这里的倍周期可以为正值和负值，正值代表反应堆功率在增长，负值代表反应堆功率在下降，其绝对值越小，代表反应堆功率变化越快。

反应堆功率倍周期的计算公式如下：

其中，F为反应堆功率倍周期的倒数，T₂为反应堆倍周期，P_t为当前反应堆功率，P_(t-Δt)为Δt时间前的反应堆功率。Δt取值一般小于或等于1s。

(2)根据反应堆功率计算反应堆功率偏差百分比，功率偏差百分比的大小代表当前反应堆功率偏离功率定值(反应堆的目标功率)的程度。

功率偏差百分比的计算公式如下：

其中P_t为当前功率，P_S为功率定值。

(3)按数值将反应堆功率倍周期和功率偏差百分比划分为若干个区间，区间越细，调节越精确，但参数越多。功率偏差百分比是现有功率状态的判断，判断当前功率比功率定值高还是低以及偏离功率定值的程度，反应堆功率倍周期大小代表的是反应堆功率增长或降低的快慢，是一个功率走向的趋势判断。

例如，功率偏差百分比可划分为[-1％,1％]、(1％，2％]、(2％，+∞)、(-∞，-2％)、[-2％,-1％)、等几个区间，其中功率偏差比在[-1％,1％]以内的区域称为死区，这时候控制棒应停止不动。(1％，2％]及[-2％,-1％)成为调平区，在此范围内，计算机判断功率走势，及时将功率调至死区。将反应堆的功率倍周期划分为若干个间隔，如(0s，40s]、(40s，100s]、(100s,200s]、(200s,+∞)、(-∞,-200s)、[-200s,-100s)、[-100s,0)等，分别代表反应堆功率急速增长、过快增长、快速增长、在增长、在下降、在快速下降、过快下降等。

如果将反应堆功率倍周期作为横坐标，反应堆功率偏差百分比作为纵坐标建立一个坐标系，根据上述划分区域的方法，将坐标系划分为若干个区域，如图1所示，那么在任何时候反应堆的功率都处在任意一个由不同功率偏差百分比和功率倍周期所构成的小的区域内。不同的区域代表不同的含义。例如，反应堆功率倍周期为20s，而功率偏差为-2％，尽管反应堆功率没有超过功率目标值，但是此时反应堆功率增长过快，必须快速下插调节棒。又比如反应堆的功率倍周期为80s，功率偏差为-3％，此时虽然反应堆功率小于功率目标值，但此时由于反应堆功率处于安全上可接受的上升阶段，调节棒应停止不动，如果此时提升调节棒将使反应堆倍周期变小，使反应堆趋于不安全。以此类推可分析其他场景。

(4)基于模糊控制的自动调节棒速度的设定

功率自动调节系统根据当前的反应堆功率大小(功率偏差百分比)和功率变化的快慢(倍周期)判断当前功率处于上述划分的某个区域，在不同区域依照规律设定不同的自动调节棒速度，速度的大小代表自动调节棒移动的快慢，速度的正负代表自动调节棒运动的方向，正为向上，负为向下。

自动调节棒速度的设定目标是根据反应堆功率变化的规律，使反应堆的功率变化倍周期尽可能地长(根据实际经验，由于功率信号的波动，反应堆倍周期大于200s是适当的)；使反应堆的功率与功率定值的偏差±1％以内；在调节过程中，反应堆功率倍周期应大于40s(对于大功率堆，应适当增大)；使自动调节棒尽可能少动或误动。

基于上述的目标，有两种方法设定自动调节棒的速度。

第一种是根据实际情况可以细分相应的区域，在不同的区域设定不同的速度，在同一区域，速度是一个固定值。速度大小根据经验确定再经试验予以优化。

第二种方法是对于部分区域采用固定的公式，调节棒速度在该区域是变化的，部分区域采用固定值，予以分别定义。

应特别注意两种情景。一种是反应堆超功率且功率还在过快增长即：功率偏差百分比大于2％，倍周期小于200s且大于0。另一种是短周期(倍周期)即反应堆功率倍周期小于40s(不论反应堆功率偏差为多少)。这两种情况均代表反应堆向不安全的趋势发展，自动调节棒均应以最大速度下插。

在自动调节计算机程序中，结合反应堆运行经验和具体分析，根据上述不同的区域，在不同的区域设定不同的计算机。例如，在程序中设定：

计算当前控制系统需要驱动的调节棒的目标棒速(默认值)，(4)式或(5)式任选其一或混合使用，(4)式适用于电离室信号输出稳定，更适用于高功率(在这样的反应堆功率水平下，用于测量反应堆功率的电离室信号输出稳定，信号的波动很小)，(5)式适用于电离室信号较弱，波动较大，更适用于低功率(例如几百瓦以下)。

v＝-k₂ΔP (5)

其中，v为要驱动的调节棒的目标棒速，k₁、k₂为比例系数，与具体的驱动机构和反应堆有关，由试验确定，T₂为反应堆的功率倍周期，ΔP为反应堆功率偏差百分比。

采用固定值棒速的区域如下：

当T₂＞200且ΔP≤-2％，v＝C₁；

当T₂＞200且-1％≤ΔP≤1％，v＝0；

当200≥T₂＞100且ΔP≤-2％，v＝0；

当200≥T₂＞100且-1％≤ΔP≤1％，v＝0；

当100≥T₂＞40且ΔP≤-2％，v＝0；

当40≥T₂＞0，v＝C₂；

当T₂＜-200且-2％≤ΔP＜-1％，v＝C₃；

当T₂＜-200且-1％≤ΔP≤1％，v＝0；

当-200≤T₂＜-100且ΔP≥2％，v＝0；

当-200≤T₂＜-100且-1％≤ΔP≤1％，v＝0；

当-100≤T₂＜0且ΔP≥2％，v＝0。

其中C₁、C₂、C₃为常数，根据具体反应堆的特性及试验确定。

在程序中还应对调节棒速度的最大值和最小值予以限值。

(5)调节参数的确定和优化

对于不能确定的参数如调节棒速度、计算公式中的比例系数等，可根据经验预先设定然后根据仿真试验及反应堆的调试试验中予以优化确定。

功率自动调节仿真试验通过在反应堆外搭建功率自动调节仿真试验平台，该平台包括调节棒驱动机构、功率自动调节系统、模拟反应堆的仿真系统等，如图2所示。仿真系统一般基于点堆动力学方程和实际堆芯的物理参数而开发，其接收驱动机构的棒位信号，根据棒位信号模拟计算反应堆功率然后发送至功率自动调节系统，功率自动调节系统根据接收到的反应堆模拟功率和输入的功率定值进行调节棒速度的计算和判断，然后驱动调节棒驱动机构动作，完成一个闭式循环。根据仿真试验结果不断优化调节参数，直至满足技术规格书和反应堆运行的要求。

功率自动调节功能堆内调试指自动调节系统堆外试验已完成，反应堆已经物理启动完成，自动调节系统已和反应堆的系统相连，启动反应堆后在设计的功率台阶投入功率自动，通过参数判断自动调节参数选择的正确性，当调节不理想时可以调整某些调节参数。根据实际经验，通过堆外模拟试验确定的调节参数基本能够满足堆内功率调节的需要。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其特征在于，所述反应堆功率倍周期的计算方式如下：

F为反应堆功率倍周期的倒数，T₂为反应堆功率倍周期，P_t为当前的反应堆功率，P_(t-Δt)为Δt时间前的反应堆功率；反应堆功率周期为正值代表反应堆功率在增长，反应堆功率倍周期为负值代表反应堆功率在下降，其绝对值越小代表反应堆功率变化越快。

3.如权利要求1所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其特征在于，所述反应堆功率偏差百分比的计算方式如下：

P_t为当前反应堆功率，P_S为反应堆功率定值。

4.如权利要求1所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其特征在于，各所述区域的目标棒速可以为固定值，或者是根据公式的计算值；目标棒速的计算可采用如下公式之一：

v＝-k₂ΔP (b)

公式(a)适用于电离室信号输出稳定的情况；

公式(b)适用于电离室信号输出波动大的情况。

5.如权利要求4所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其特征在于，根据反应堆功率自动调节仿真试验和反应堆调试试验调整和优化所述比例系数，以及调节棒的目标棒速。

6.如权利要求1所述的基于模糊控制的研究堆功率自动调节方法，其特征在于，所述反应堆功率偏差百分比的划分区间包括[-1％,1％]、(1％，2％]、(2％，+∞)、(-∞，-2％)、[-2％,-1％)；所述反应堆功率倍周期的划分区间包括(0s，40s]、(40s，100s]、(100s,200s]、(200s,+∞)、(-∞,-200s)、[-200s,-100s)、[-100s,0)。