CN113467528B - 基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法，采用了MATLAB中自带的System Identification Toolbox工具箱对实际现场的实测数据进行系统辨识，得到其数学模型的传递函数，并且转化为状态方程，根据状态方程，设计滑模控制器并令其与传统的PID控制器进行比较，从而来解决实际的工业控制系统中PID控制器无法解决的时变的不确定性和非线性的存在。本发明设计出的控制方法拥有辨识精度高，对系统控制的稳定性好，调节时间快，系统稳态误差小以及系统鲁棒性好等优点，适用于压水堆核电站的除氧器水位的控制。

Description

基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法

技术领域

本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法。

背景技术

核能发电是利用核反应堆中核裂变所释放出的热能来进行发电的方式，与火力发电极其相似。核电站通常由常规岛和核岛组成。核岛常规岛中除氧器的液位作为核电站给水系统的重要组成部分,也需要及时跟踪给水量的变化。除氧器的作用是除氧器是在给水系统中，使给水加热到饱和温度，能去除给水中溶解气体的混合式加热器，其功能是除去锅炉给水中的氧气及其他气体，保证给水品质，维持除氧器水位为设定值，保证给水泵不被汽蚀。在目前的核电厂控制系统中，针对除氧器的控制通常是采用传统的PID控制器进行控制，传统PID控制器针对较大水位扰动的调节时间较长，一般为数分钟，而电力行业标准中对除氧器水位的调节时间规定为：针对设定值±60mm的扰动，需要在10min内进入稳定区间(±20mm)。鉴于以上控制器的自动化程度不够高，同时调节性能较差，因此研发一种高精度的汽轮机控制器有着重要的应用价值。

目前国内学者针对过程控制系统的研究往往是通过传递函数的数学模型，而针对一个实际工业系统，传统的方法是通过其阶跃相应曲线，采用两点法、切线法、近似法等操作来求得传递函数，但是这些方法往往存在通用性差、阶跃响应曲线难获得、工业现场扰动过多得到的曲线不理想等缺点。故目前学者针对上述缺点，研究了最小二乘法、粒子群算法、系统辨识工具箱等智能算法进行系统辨识操作，采用上述算法进行系统辨识时所用到的数据量小、结果精确且对测量设备的精确度要求较低。

发明内容

针对传统PID的调节速度慢，同时控制精度差的问题，提出了一种基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法，采用了MATLAB中自带的System IdentificationToolbox工具箱对实际现场的实测数据进行系统辨识，得到其数学模型的传递函数，并且转化为状态方程，根据状态方程，设计滑模控制器并令其与传统的PID控制器进行比较，从而来解决实际的工业控制系统中PID控制器无法解决的时变的不确定性和非线性的存在，设计出的控制方法提高系统的稳定性。

本发明的技术方案为：一种基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法，具体包括如下步骤：

1)核电站仿真机上获得运行数据；

当仿真机上所得运行数据与大亚湾900MW压水堆核电站除氧器水位系统实际运行数据误差不超过1％后，使用仿真机上运行数据通过实验法建立大亚湾900MW压水堆核电站除氧器水位系统的传递函数；

2)构建核电站除氧器的水位控制系统仿真系统：

仿真系统由滑模控制的核电站除氧器水位系统和PID控制的核电站除氧器水位系统两部分构成，滑模控制的核电站除氧器水位系统包含控制信号s-function模块，传递函数s-function模块以及示波器模块；

PID控制的核电站除氧器水位系统包含阶跃响应模块、PID模块、传递函数模块以及示波器模块；

传递函数s-function模块：由传递函数进行转换得来的状态空间模型，采用能控标准型表示，其输出为3个状态变量和除氧器水位系统的输出值Y，该3个状态变量作为负反馈传递至控制信号s-function模块中，组成一个闭环系统；

控制信号s-function模块为滑模控制器；

PID控制的核电站除氧器水位系统是将阶跃响应信号单元输出单位阶跃信号作为输入信号，输入信号依次经过传统PID控制器和系统传递函数模块产生输出信号，输出信号作为负反馈信号，负反馈信号与输入信号构成误差信号e(t)送入传统PID控制器，组成一个闭环的传统PID控制系统；

PID控制的核电站除氧器水位系统和滑模控制的核电站除氧器水位系统的输出信号送示波器模块，进行输出至工作区进行绘图比较，构成验证系统；

3)采集除氧器水位控制输入输出数据送入MATLAB中的System IdentificationToolbox工具箱中，选择3个极点，无零点，求解三阶控制系统模型，得到控制系统传递函数数学模型；

4)将步骤3)得到控制系统传递函数数学模型送入PID控制的核电站除氧器水位系统传递函数模块中同时改写为能控标准型后送入传递函数s-function模块编写的函数中；

5)比较PID控制的核电站除氧器水位系统和滑模控制的核电站除氧器水位系统，验证滑模变结构控制系统的性能，如传递函数的输出曲线波动较为明显，说明滑模控制器的参数并不理想，则调整滑模控制器参数，直到传递函数的输出曲线较为平滑，将验证合格的滑模控制的核电站除氧器水位系统中滑模控制器应用于核电站除氧器水位控制。

进一步，所述核电站除氧器水位系统简化成一个三阶无零点控制系统模型，则该系统的传递函数模型表示为：

其中a为二次项系数；b为一次项系数；c为常数项系数；d为增益；

转化为状态空间可表示为：

Y＝[d 0 0]x

其中x为状态变量矩阵；w为传递函数s-function模块输入；Y为传递函数s-function模块输出；

为状态变量导数矩阵。

进一步，所述滑模控制器的滑模趋近率

选取如下式所示：

其中，sgn(s)为符号函数，当s＞0时输出为1，当s＜0时输出为0，ε和q为大于0的参数；

本系统设计的滑模面如下式所示：

其中

为状态变量x₂与设定值之差的导数；

为状态变量x₁与设定值之差的导数；e为输出变量w与设定值之差；k为滑模控制器参数；状态变量x₃通过终止符进行终止操作，同时送入滑模控制器和示波器模块；

根据上述的滑模面以及滑模趋近率计算滑模控制器的输出w如下所示：

其中a₁、a₂、a₃为控制器参数。

本发明的有益效果在于：本发明基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法，设计出的控制方法拥有辨识精度高，对系统控制的稳定性好，调节时间快，系统稳态误差小以及系统鲁棒性好等优点，适用于压水堆核电站的除氧器水位的控制。

附图说明

图1为本发明基于滑模变结构控制的核电站除氧器的水位控制设计方法的整体仿真结构图；

图2为PID控制系统原理图；

图3为本发明基于滑模变结构控制的核电站除氧器的水位控制的输出曲线图；

图4为本发明PID控制器与基于滑模变结构控制的输出曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法，具体包括如下步骤：

1)核电站仿真机上获得运行数据；

当仿真机上所得运行数据与大亚湾900MW压水堆核电站除氧器水位系统实际运行数据误差不超过1％后，使用仿真机上运行数据通过实验法建立大亚湾900MW压水堆核电站除氧器水位系统的传递函数；

2)构建核电站除氧器的水位控制系统仿真系统：

仿真系统由滑模控制的核电站除氧器水位系统和PID控制的核电站除氧器水位系统两部分构成，滑模控制的核电站除氧器水位系统包含控制信号s-function模块，传递函数s-function模块以及示波器模块。

PID控制的核电站除氧器水位系统包含阶跃响应模块、PID模块、传递函数模块以及示波器模块。

传递函数s-function模块中包括初始化函数，输出函数以及连续微分函数，在连续微分函数中编写状态空间模型，命名为TF__plant。状态空间模型由传递函数进行转换得来，采用能控标准型表示，产生3个状态变量，输出变量为1个，输入变量为1个，跟踪信号为单位阶跃信号。控制信号s-function模块为滑模控制器，命名为TF__ctrl，其输入为3个状态变量，输出为1个控制信号，从而组成一个闭环系统。

PID控制的核电站除氧器水位系统是将阶跃响应信号单元输出单位阶跃信号作为输入信号，输入信号依次经过传统PID控制器和系统传递函数模块产生输出信号，输出信号作为负反馈信号，负反馈信号与输入信号构成误差信号e(t)送入传统PID控制器，组成一个闭环的传统PID控制系统；

通过对PID控制的核电站除氧器水位系统和滑模控制的核电站除氧器水位系统的信号进行输出至工作区进行绘图比较，构成验证系统。

系统传递函数模块使用三阶无零点控制系统模型；

3)采集除氧器水位控制输入输出数据送入MATLAB中的System IdentificationToolbox工具箱中，选择3个极点，无零点，求解三阶控制系统模型，得到控制系统传递函数数学模型；

4)将步骤3)得到控制系统传递函数数学模型送入PID控制的核电站除氧器水位系统传递函数模块中同时改写为能控标准型后送入传递函数s-function模块编写的函数中；

5)比较PID控制的核电站除氧器水位系统和滑模控制的核电站除氧器水位系统，验证滑模变结构控制系统的性能，如传递函数的输出曲线波动较为明显，说明滑模控制器的参数并不理想，则调整滑模控制器参数，直到传递函数的输出曲线较为平滑，将验证合格的滑模控制的核电站除氧器水位系统中滑模控制器应用于核电站除氧器水位控制。

图1所示基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位的整体仿真结构图，图1中控制信号s-function模块，传递函数s-function模块，示波器模块，信号分解模块，信号合成模块。

传递函数s-function模块编写的代码是由传递函数进行转换得来的状态空间模型，采用能控标准型表示，其输出为3个状态变量和除氧器水位系统的输出值Y，该3个状态变量作为负反馈传递至控制信号s-function模块中，通过编写控制信号s-function模块的代码，进而进行滑模控制。

滑模变结构控制中的滑模趋近率

选取如下式所示：

其中，sgn(s)为符号函数，当s＞0时输出为1，当s＜0时输出为0，ε和q为大于0的参数；

本系统设计的滑模面如下式所示

其中

为状态变量x₂与设定值之差的导数；

为状态变量x₁与设定值之差的导数；e为输出变量w与设定值之差；k为滑模控制器参数。4个变量分别为输出水位w以及三个状态变量，参与系统反馈的为三个变量，其中一个状态变量通过终止符进行终止操作。

根据上述的滑模面以及滑模趋近率计算滑模变结构控制器的输出w如下所示：

其中a₁、a₂、a₃为控制器参数。

为方便与传统PID控制器进行比较，在上述模型下方搭建一个基于PID控制的控制原理图，并且将信号传入同一示波器中进行比较，如图1下半部分所示。

为方便控制器的设计，将该核电站除氧器水位系统简化成一个三阶无零点控制系统模型，则该系统的传递函数模型可表示为：

其中a为二次项系数；b为一次项系数；c为常数项系数；d为增益。

转化为状态空间可表示为：

Y＝[d 0 0]x

其中x为状态变量矩阵；w为传递函数s-function模块输入；Y为传递函数s-function模块输出；

为状态变量导数矩阵。

打开MATLAB中自带的System Identification Toolbox工具箱，导入核电站仿真机上获得运行数据，由于该信号是由运行工况加5％负阶跃信号的响应所测得，故输入信号为0.95，输出信号为实际现场测得的数据，时间间隔为2s，选择3个极点，0个零点进行系统辨识，得到可以得到要研究的核电站除氧器水位控制系统传递函数的数学模型：

设计出滑模控制器，控制器中参数c，q，ε分别为1，1，5，并于传统的PID控制器进行比较得到一个控制性能明显优于基于传统PID参数的控制器。

为说明本发明的正确性和可行性，对大亚湾核电站900MW机组的仿真机上采集的除氧器水位数据进行仿真验证。该实验参数为运行工况加5％负阶跃信号的响应数据。具体51组数据见表1所示除氧器水位测量数据。

表1

图2为传统PID控制系统原理结构图。阶跃响应信号单元输出阶跃响应信号作为输入信号，输入信号依次经过传统PID控制器和系统传递函数模块产生输出信号y(t)，输出信号作为负反馈信号，负反馈信号与输入信号r(t)构成误差信号e(t)送入传统PID控制器，组成一个闭环的传统PID控制系统；在传统PID结构中，r(t)为参考输入信号，e(t)为控制偏差信号，u(t)为PID调节器输出控制信号，y(t)为被控系统输出信号。其中控制偏差信号e(t)＝r(t)-y(t)，控制信号u(t)为：

其中K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数；积分系数K_i＝K_p/T_i；微分系数K_d＝K_p*T_d。

性能指标分析：图3为基于滑模变结构控制器的曲线图，观察图3可知超调量为16.3％，上升时间约为3.7s，调节时间约为8s，满足电力行业标准中对除氧器水位的调节时间、超调量、上升时间的规定。

由图4可知通过对基于滑模变结构控制的输出曲线与传统的PID控制的输出曲线相比，可知，基于滑模变结构控制的输出曲线，具有调节时间短，超调量较小，较高的稳态精度，抗扰性好，鲁棒性能好等优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种基于滑模变结构控制的核电站除氧器水位控制设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)核电站仿真机上获得运行数据；

当仿真机上所得运行数据与大亚湾900MW压水堆核电站除氧器水位系统实际运行数据误差不超过1％后，使用仿真机上运行数据通过实验法建立大亚湾900MW压水堆核电站除氧器水位系统的传递函数；

2)构建核电站除氧器的水位控制系统仿真系统：

仿真系统由滑模控制的核电站除氧器水位系统和PID控制的核电站除氧器水位系统两部分构成，

滑模控制的核电站除氧器水位系统包含控制信号s-function模块，传递函数s-function模块以及示波器模块；

PID控制的核电站除氧器水位系统包含阶跃响应模块、PID模块、传递函数模块以及示波器模块；

传递函数s-function模块：由传递函数进行转换得来的状态空间模型，采用能控标准型表示，其输出为3个状态变量和除氧器水位系统的输出值Y，该3个状态变量作为负反馈传递至控制信号s-function模块中，组成一个闭环系统；

控制信号s-function模块为滑模控制器；

PID控制的核电站除氧器水位系统是将阶跃响应信号单元输出单位阶跃信号作为输入信号，输入信号依次经过传统PID控制器和系统传递函数模块产生输出信号，输出信号作为负反馈信号，负反馈信号与输入信号构成误差信号e(t)送入传统PID控制器，组成一个闭环的传统PID控制系统；

PID控制的核电站除氧器水位系统和滑模控制的核电站除氧器水位系统的输出信号送示波器模块，进行输出至工作区进行绘图比较，构成验证系统；

3)采集除氧器水位控制输入输出数据送入MATLAB中的System IdentificationToolbox工具箱中，选择3个极点，无零点，求解三阶控制系统模型，得到控制系统传递函数数学模型；

4)将步骤3)得到控制系统传递函数数学模型送入PID控制的核电站除氧器水位系统传递函数模块中同时改写为能控标准型后送入传递函数s-function模块编写的函数中；

5)比较PID控制的核电站除氧器水位系统和滑模控制的核电站除氧器水位系统，验证滑模变结构控制系统的性能，如传递函数的输出曲线波动较为明显，说明滑模控制器的参数并不理想，则调整滑模控制器参数，直到传递函数的输出曲线较为平滑，将验证合格的滑模控制的核电站除氧器水位系统中滑模控制器应用于核电站除氧器水位控制；所述核电站除氧器水位系统简化成一个三阶无零点控制系统模型，则该系统的传递函数模型表示为：

其中a为二次项系数；b为一次项系数；c为常数项系数；d为增益；

转化为状态空间可表示为：

Y＝[d00]x

其中x为状态变量矩阵；w为传递函数s-function模块输入；Y为传递函数s-function模块输出；

为状态变量导数矩阵；所述滑模控制器的滑模趋近率

选取如下式所示：

其中，sgn(s)为符号函数，当s＞0时输出为1，当s＜0时输出为0，ε和q为大于0的参数；

本系统设计的滑模面如下式所示：

其中

为状态变量x₂与设定值之差的导数；

为状态变量x₁与设定值之差的导数；e为输出变量w与设定值之差；k为滑模控制器参数；状态变量x₃通过终止符进行终止操作，同时送入滑模控制器和示波器模块；

根据上述的滑模面以及滑模趋近率计算滑模控制器的输出w如下所示：

其中a₁、a₂、a₃为控制器参数。

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