CN111796814A - 反应堆模块化微分方程模型的图形界面控制系统设计方法 - Google Patents

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王明路
张光新
周振德
陈嘉彧
于卫平
李文韬
王国强
赵曦
许雷雷
郑伟
宋霏
顾诞英
徐冬苓
王旭
张淑慧
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Abstract

本发明公开了反应堆模块化微分方程模型的图形界面控制系统设计方法，包括以微分方程形式建立反应堆通用图形界面模型库、搭建反应堆模型、计算模型稳态、计算模型瞬态、设计控制系统、整定控制系统参数值。通过微分方程形式建立反应堆图形界面通用模型库，可提高模型的可重用性。通过模型库的组合对反应堆进行图形界面敏捷建模，可提高反应堆建模的便捷性。在反应堆图形界面模型基础上进行控制系统的图形化设计、建模、仿真、测试和验证，可提升控制系统设计的便利性、可靠性和准确性。

Description

反应堆模块化微分方程模型的图形界面控制系统设计方法
技术领域
本发明属于反应堆控制系统仿真、建模和测试领域，特别是反应堆模块化图形界面控制系统领域。
背景技术
反应堆控制系统用于维持反应堆的正常运行，防止反应堆偏离安全状态。在反应堆功率运行时，通过控制反应堆控制棒、阀门、泵、加热器等设备的状态，调节反应堆、反应堆冷却剂系统、给水系统、蒸汽系统、汽轮机等系统的参数，维持恒定的发电功率，或根据输入的负荷指令调整反应堆和汽轮机的输出功率。
反应堆是一个相当复杂的物理热工系统，研究反应堆控制，必须在对反应堆物理热工过程充分了解的基础上，建立切合实际的物理模型和数学模型。通常，反应堆控制系统分析中普遍采用传递函数来研究反应堆的动态特性。但是传递函数是建立在线性系统的基础上，因此，必须将反应堆的动态方程作为线性环节来处理，才能求出其传递函数。随着技术的发展，越来越多的反应堆控制研究采用推导反应堆微分方程模型，但推导微分方程模型往往针对特定条件、模型重用率低。本专利提出一种采用模块化思想，利用图形界面建立反应堆通用微分方程模型库，针对不同堆型、不同工况敏捷建模并在此基础上图形化设计反应堆控制系统的方法，这将极大提高反应堆控制系统设计效率。
发明内容
为解决目前反应堆控制系统分析依赖针对特定条件推导传递函数、状态空间方程和微分方程的弊端，本专利提供了反应堆模块化微分方程模型的图形界面控制系统设计方法，步骤如下：
建立反应堆通用图形界面模型库：使用微分方程构建图形化的堆芯模块、热构件模块、流体模块、稳压器模块、主泵模块、阀模块、泵模块，汽轮机模块、凝汽器模块、加热器模块、除氧器模块等；
搭建反应堆模型：基于所述反应堆通用图形界面模型库，在图形界面任意配置不同的反应堆模型；温度、压力、焓、干度、流量等参数在模块之间可相互传递；
计算模型稳态：计算所述搭建的反应堆模型在不同工况下的反应堆稳态值；
计算模型瞬态：在所述反应堆稳态值基础上引入参数扰动，计算所述反应堆瞬态特性；
设计控制系统：根据所述反应堆瞬态特性，搭建控制系统模型；或可将模型线性化，得到传递函数后在频域设计控制系统；
整定控制系统参数值：通过时域或频域分析，整定出控制系统的参数值。
本专利提出的核电站控制系统设计方法，首先通过微分方程形式建立反应堆图形界面通用模型库，可提高模型的可重用性。通过模型库的组合对反应堆进行图形界面敏捷建模，可提高反应堆建模的便捷性。在反应堆图形界面模型基础上进行控制系统的图形化设计、建模、仿真、测试和验证，可提升控制系统设计的便利性、可靠性和准确性。
附图说明
图1为反应堆基于模块化微分方程模型的图形界面控制系统设计方法示意图；
图2为点堆模块示意图；
图3为封装后的点堆仿真模块参数设置窗口示意图；
图4为反应堆堆芯模型示意图；
图5为模型参数设置界面示意图；
图6为模型参数扰动设置界面示意图；
图7为控制系统设计界面示意图；
图8为PID参数整定界面示意图。
具体实施方式
本专利提出基于以微分方程形式构建反应堆通用图形界面模型库，通过通用模型库的图形化组合对反应堆敏捷建模，在此基础上进行反应堆控制系统的图形化设计、建模、仿真、测试和验证，其方法流程如图1所示。
下面在MATLAB/SIMULINK平台上说明本专利提出方法如何进行实施。
(1)反应堆通用图形界面模型库
反应堆通用图形界面模型库以点堆模块为例说明。点堆模块的微分方程通过变换可式(1)的形式。
Figure BDA0002567123230000031
使用MATLAB/SIMULINK实现的方法如图2所示。
点堆模块的封装过程通过Mask Editor实现，封装后的图形化参数设置界面如图3所示。
同理可构建反应堆微分方程形式的图形界面热构件模块、流体模块、稳压器模块、主泵模块、阀模块、泵模块，汽轮机模块、凝汽器模块、加热器模块、除氧器模块等。
(2)图形界面搭建反应堆模型
下面以反应堆堆芯模型为例说明图形化搭建反应堆模型方法。
反应堆堆芯模型如图4所示。点堆模型用于模拟反应堆中子密度随时间变化。堆芯流道轴向由四个流体控制体连接而成，每个流体控制体通过热构件与燃料芯块交换热量。
(3)计算反应堆稳态值
配置完成的反应堆模型可在不同工况下计算得到反应堆稳态值。双击模块，在图形界面窗口逐一设置模型参数，参数设置界面如图5所示。参数设置完成后，在命令行窗口输入命令“op＝MoldelFindSteady(gcs)”，通过稳态值求解算法求取模型稳态值，验证模型参数设置的合理性。
(4)计算反应堆瞬态特性
通过阶跃信号模块为模型输入一个扰动，如图6所示。在MATLAB/SIMULINK菜单栏中给出仿真时间后点击运行，可获得模型动态特性。
(5)图形界面设计控制系统
在MATLAB/SIMULINK环境下，可通过模块化图形界面方式搭建控制系统，如图7所示。
根据反应堆瞬态特性，可在时域设计控制系统，也可将模型线性化，得到传递函数后在频域设计控制系统，并整定出控制系统的参数值。以PID参数整定为例，在MATLAB/SIMULINK环境下通过Tune功能可整定PID参数，如图8所示。
控制系统设计完成后，在菜单栏中给出仿真时间后点击运行，可获得在控制系统作用下模型的动态特性。
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。上述实施例或实施方式只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (1)

1.反应堆模块化微分方程模型的图形界面控制系统设计方法，其特征在于，步骤如下：
建立反应堆通用图形界面模型库：使用微分方程构建图形化的堆芯模块、热构件模块、流体模块、稳压器模块、主泵模块、阀模块、泵模块，汽轮机模块、凝汽器模块、加热器模块、除氧器模块；
搭建反应堆模型：基于所述反应堆通用图形界面模型库，在图形界面任意配置不同的反应堆模型；温度、压力、焓、干度、流量等参数在模块之间可相互传递；
计算模型稳态：计算所述搭建的反应堆模型在不同工况下的反应堆稳态值；
计算模型瞬态：在所述反应堆稳态值基础上引入参数扰动，计算所述反应堆瞬态特性；
设计控制系统：根据所述反应堆瞬态特性，搭建控制系统模型；或可将模型线性化，得到传递函数后在频域设计控制系统；
整定控制系统参数值：通过时域或频域分析，整定出控制系统的参数值。
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