核电站压水堆一回路水温的MCP

核电站压水堆一回路水温的MCP-PID控制

摘要：压水堆型核电站的一回路水温控制可通过反应堆的控制棒插入深度来控制，通

过MCP-PID控制器与Z-N法对系统的被控过程数学模型的参数整定和性能评测。导出按调整时间计算的MCP-PID控制器整定公式。实验结果证明：MCP-PID控制器与Z-N法相比较，具有鲁棒性强和调整时间短的特点。

关键词：核电站；压水堆一回路；多容惯性；参数整定；控制系统设计 0 引言

压水堆核电站用铀制成的核燃料在反应堆内进行裂变并释放出大量热能；高压下的循环冷却水把热能带出，在蒸汽发生器内生成蒸汽；高温高压的蒸汽推动汽轮机，进而推动发电机旋转。

在压水堆核电站一回路中，反应堆堆芯因核燃料裂变产生巨大的热能，由主泵泵入堆芯的水被加热成高温高压水，高温高压水流经蒸汽发生器内的传热Ｕ型管，通过管壁将热能传递给Ｕ型管外的二回路冷却水，释放热量后又被主泵送回堆芯重新加热再进入蒸汽发生器。水这样不断地在密闭的回路内循环，被称为一回路。 压水堆核电站的一回路系统与二回路系统完全隔开，它是一个密闭的循环系统。压水堆型核电站的一回路水流温度可通过反应堆控制棒的插入深度来控制。针对此过程的数学模型，进行了以下几种情况的分析：

1）利用传统的Z-N法对数学模型的鲁棒特性进行参数整定与评测

2）采用多容惯性MCP-PID控制器对数学模型的鲁棒特性进行参数整定与评测

3）对经过两种控制器整定后的数据信息进行分析与对比

1 核电站压水堆一回路水温控制的被控模型

控制棒的控制是反应堆的重要动作规律，通过控制棒的控制可以实现反应堆的启动、功 率调节、停堆和事故情况下的安全控制。通过文献[2]可知，当控制棒不断地提升，所

引入的正反应也越大。积分价值在棒位为零 步时等于零。因此，可以将水温控制的被控过程看做一个一阶惯性串接纯迟延环节。可用式（1）所示的数学模型来描述。

e??s Gs?Ts?1 （1）

其中：T为时间常数；τ为滞后时间常数。 通过对实际控制过程模拟，对实验数据进行分析，具体模型参数如式（2）所示。

??T?0.2??0.4 （2） ?2 利用Z-N法对水温控制系统的参数整定

2.1 水温控制系统

核电站压水堆一回路的水温控制系统结

构如图1所示。其中被控过程模式如式（1）所示，控制器GC(s)模型如式（3）所示。

图1 控制系统结构

控制器Gc(s) 是常用的PID 控制器。PID 控制器的参数有Td、Ti和Kp。

Gc(s)?Kp(1?1Ts?Tds) （3) i2.2 PID控制器参数的Z-N法参数整

定计算

通过文献[3]中的表4-3所示的有自平衡受控过程的PID控制器参数Z-N整定公式，代入式（2）给定的被控过程参数，可得出式（4）所示的Z-N法整定的PID参数。

??K1?p?ZN?.18T1.18?0.2K??1?0?0.59?T0.4.4i?ZN?2??2??0.8 (4) ??Td?ZN?0.5??0.5?0.4?0.2?为了与MCP-PID控制器参数相区别，式（4）中的参数下角标标有ZN。

3 MCP-PID控制器及参数整定 3.1 MCP-PID控制器

应用文献[]中的一种新的标准传递函数，即多容惯性（multiple capacity process，MCP） 标准传递函数，通过文献[]证明了MCP 标准传递函数具有无超调、无系统阶数限制、无系统型次限制和高鲁棒性的优秀特性，远优于传统的ITAE 标准传递函数。故应用MCP-PID控制器对数学模型进行参数整定。

3.2 MCP-PID 控制器参数整定计算

根据文献[]中提到的MCP标准传递函数的

惯性单元时间T? 与调整时间Ts的关系，如式（5）、式（6）所示。

??K13T???K(T2?1)?????TT3? (5) ?i?3T??T????T3T??(T ??)T??d?3T??T2T?? T??tsK?0.158ts （6） nn对PID 型控制器导出以期望调整时间s t 为参变量的MCP-PID 控制器的参数整定公式式（7）。

??K13T?p?K((0.158t)2?1)?s?.474t(0.158t3?Ts)i?0s?(7)?T???Td?(3T?3T??0.158t?T??)/(2?1)s(0.158ts)

利用仿真试验优化方法可以确定期望调整时间ts，先做一个ZN-PID 的控制仿真试验，测取系统的调整时间s t 指标数值然后围绕ZN-PID 的ts设定一组调整时间ts数值算出一组MCP-PID参数（表1）。 Ts/S Kp Ti Td 0.2 239.3461 0.09441 0.0292 0.4 59.0865 0.1864 0.0541 0.6 25.7051 0.2738 0.0751 0.8 14.0216 0.3540 0.0926 1.0 8.6138 0.4247 0.1067 1.2 5.6763 0.4836 0.1173 1.4 3.9050 0.5283 0.1242 1.6 2.7554 0.5565 0.1268 1.8 1.9672 0.5657 0.1240 2.0 1.4035 0.5537 0.1136 2.2 0.9863 0.5178 0.0917 0.0492 通过式（9）可以得出被控过程的总仿真模表1 MCP-PID参数 型,即式（10)。 通过表1的数据进行MCP-PID控制仿真实验；

1分析控制仿真试验响应曲线和各项性能指

G0(s)? （10)

2.4 0.6691 0.4560 标，选出最优的ts值，即式（8）。

?s?14.2 调整时间参量优化仿真试验

?Kp?59.0865??Ti?0.1864 （8） ?T?0.0541?d

利用表1 所示的一组PID 参数进行核电站压水堆一回路水温的MCP-PID控制控制仿真试验。通过对仿真实验结果（图2）的分析

ts?0.4时的MCP-PID控制参数为优选参

数。即式（8）。

4 调整时间参量优化及鲁棒性测试

仿真试验

4.1 纯滞后环节的线性化仿真模型

在搭建调整时间参量优化及鲁棒性测试仿真试验系统时，选用一种线性化仿真模型代替被控过程模型中的纯滞后环节，即式（9）。

e??s?

1(s?1)2? （9）

2图2 ts仿真实验结果

4.3 MCP-PID 控制的鲁棒性性能测试及与ZN-PID控制的比较

[1]朱继洲 主编 压水堆核电厂的运行 北京：原子能出版社 2008.8

[2]郑福裕 邵向业 丁云峰 著 压水堆核电厂运行 北京：原子能出版社 1998.11 [3]臧希年 著 核电厂系统及设备 北京：清华大学出版社 2010.9

[4]杨平 余洁 孙宇贞 多容惯性标准传递函数的建立与比较 上海电力学院学报 2011.27

[5]张建民 姜晶 著 核反应堆控制 北京：原子能出版社 2009.10

[6]杨平 翁思义 郭平 著 自动控制原理-理论篇 北京：中国电力出版社 2009:147-155