壓水堆核動力系統(tǒng)模糊控制研究

1、第 23 卷第 1 期核 科 學(xué) 與 工 程Vo1. 23No . 12003 年3 月Chinese Journal of Nuclear Science and EngineeringMar.2003文章編號 :02582091822003223 (1) :00921675壓水堆核動力系統(tǒng)模糊控制研究劉勝智1 ,崔震華1 ,尤洪君1 ,張乃堯2(1 清華大學(xué)工程物理系 ,2 清華大學(xué)自動化系 北京 , 100084)摘 要 :采用自調(diào)節(jié)模糊控制方法對壓水堆核動力系統(tǒng)進(jìn)行了模糊控制研究 。建立了主要控制參數(shù)的 模糊控制子系統(tǒng) ,并實(shí)現(xiàn)了核動力系統(tǒng)的整體模糊控制 。仿真表明 ,與傳統(tǒng) PID

2、控制系統(tǒng)相比 ,模糊控制系統(tǒng)能達(dá)到更好的控制效果 ,顯示了模糊控制在核動力系統(tǒng)的應(yīng)用前景 。關(guān)鍵詞 :核動力系統(tǒng) ;自調(diào)節(jié)模糊控制 ;仿真1引 言核動力系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多參數(shù) 、強(qiáng)耦合 、 高度非線性的大系統(tǒng) ,系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的動態(tài)特 性相差很大 ,影響核動力系統(tǒng)的內(nèi)部和外部因 素較多 ,加上核動力系統(tǒng)的運(yùn)行對安全性和穩(wěn) 定性的要求很高 ,從而要求核動力控制系統(tǒng)具 有很好的控制性能 。就目前而言 ,主要采用傳 統(tǒng)的 PID ( Proportional Integral Derivation) 控制器 來實(shí)現(xiàn)對核動力系統(tǒng)的控制 。在一般情況下 , 基于 PID 的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)能達(dá)到比較好的控制

3、效果 。然而由于傳統(tǒng)控制理論本身的局限性 , 對于那些具有高度非線性 、交叉耦合嚴(yán)重或環(huán) 境因素干擾強(qiáng)烈等的被控對象的控制效果往往 不是很好 。自從 1965 年美國控制論專家 L12 A1Zadeh 提出模糊集合理論以來 , 模糊控制得 到了很廣泛的應(yīng)用 ,利用模糊控制成功地解決 了過程控制中的非線性 、強(qiáng)耦合 、時變和滯回特 性等難題 。近年來不少學(xué)者將模糊控制理論應(yīng)用到核動力系統(tǒng)的一些子系統(tǒng)的控制 (如蒸汽 發(fā)生器水位控制 、穩(wěn)壓器控制等) 中 ,取得了很 好的控制效果 (見參考文獻(xiàn) 14 ) 。本文主要 采用自調(diào)節(jié)模糊控制方法來實(shí)現(xiàn)核動力系統(tǒng) (包括核反應(yīng)堆 、蒸汽發(fā)生器以及穩(wěn)壓器等)

4、 的 整體模糊控制 ,即在設(shè)計自調(diào)節(jié)模糊控制的過 程中除了考慮各子系統(tǒng)自身的因素外 ,還要考 慮這些系統(tǒng)之間的相互影響 ,從而實(shí)現(xiàn)對核電 站的整體控制 。利用計算機(jī)仿真的方法對核動 力系統(tǒng)整體模糊控制的控制效果進(jìn)行研究 ,并且 將其控制結(jié)果和傳統(tǒng)的 PID 控制器的控制效果 進(jìn)行了比較 。結(jié)果表明 ,與傳統(tǒng) PID 控制系統(tǒng)相 比 ,模糊控制系統(tǒng)能達(dá)到更好的控制效果 ,顯示 了模糊控制在核動力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景。2 自調(diào)節(jié)模糊控制原理模糊控制器包括模糊化 、模糊推理 、解模糊3 個部分 ,如圖 1 所示 。清晰物理量必須經(jīng)過收稿日期 :2001212219 ;退改日期 :2002206219作者

5、簡介 :劉勝智 ,男 ,2000 年畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系 ,獲學(xué)士學(xué)位 ,現(xiàn)為清華大學(xué)工程物理系碩士研究生。崔震華 ,男 ,副教授 ,1992 年畢業(yè)于西安交通大學(xué)核反應(yīng)堆工程與安全專業(yè) ,獲工學(xué)博士學(xué)位 ,現(xiàn)主要從事核動力 系統(tǒng)控制 、建模 、仿真 、和熱工水力瞬態(tài)分析 。尤洪君 ,男 ,2001 年畢業(yè)于清華大學(xué)工程物理系 ,獲碩士學(xué)位 ,現(xiàn)從事核技術(shù)研究工作。 模糊化轉(zhuǎn)化為模糊量后才能用于模糊推理 。模 糊控制器通過控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理 ,模糊控 制規(guī)則是模糊控制器的核心 。模糊推理得到的 模糊輸出必須經(jīng)過解模糊過程變?yōu)榍逦坎拍?作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu) ,然后改變操作量并作用于被 控對象

6、。普通的模糊控制器是預(yù)先設(shè)置好控制 規(guī)則 ,當(dāng)控制環(huán)境發(fā)生變化的時候控制規(guī)則不 能做相應(yīng)的調(diào)整 ,因而導(dǎo)致控制性能下降 。本 文將使用自調(diào)節(jié)模糊控制器 。該控制器有學(xué)習(xí) 法則 ,能根據(jù)被控系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行控制規(guī) 則的調(diào)整 (參考文獻(xiàn) 4 ) 。通過更新控制規(guī)則 中的結(jié)論部分 wi 來實(shí)現(xiàn)對模糊控制規(guī)則的調(diào) 整 。學(xué)習(xí)運(yùn)算法則主要是通過求出性能函數(shù)的 最小值來得到 ,形式如下 :控制系統(tǒng)為例來說明模糊控制系統(tǒng)的構(gòu)造原 理 。蒸汽發(fā)生器水位的高低對蒸汽發(fā)生器的運(yùn) 行產(chǎn)生很大的影響 ,蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng) 的作用就是將水位控制在目標(biāo)值附近 。蒸汽發(fā) 生器水位控制系統(tǒng)是由給水流量 、蒸汽流量 、蒸

7、 汽發(fā)生器水位 3 個參量組成的控制系統(tǒng) 。使給 水流量與蒸汽流量盡可能地匹配 ,以維持蒸汽 發(fā)生器水位在目標(biāo)值附近 。圖 2 是蒸汽發(fā)生器 水位模糊控制流程圖 。w ( t + 1) = w ( t) - k 9 Eiii9w(1)式中 k 是學(xué)習(xí)因子 。性能函數(shù) E 是計算輸出 和期望輸出之差的二次方形式 ,如 :E = 1 ( y - y ) 2(2)圖 2 蒸汽發(fā)生器水位控制流程圖2dFig. 2 Flow chart of steam generators式中 yd 表示期望輸出 , y 表示輸出 。模糊邏輯控制器的輸出 y 用加權(quán)平均的 方法獲得 :ni wi i = 1 wate

8、r level control蒸汽發(fā)生器水位模糊控制器的輸入量為 :(1) 蒸汽流量 Wst 和給水流量 Wfw 之差 FE (they =nii = 1(3)flow error) ; (2) 水位測量值 Lw 和水位定值 L ref 之差L ( L E) (the level error) 。輸出量為給水流量Wfw 。311模糊化蒸汽發(fā)生器水位模糊控制器的輸入量 FE 和L ( L E) 的語言值的數(shù)目取 7 個 : NB , NM , NS , Z , PS , PM , PB ,如圖 3 所示 。由圖 3 可以計算出輸入量 FE 和L ( L E) 對相應(yīng)規(guī)則的隸圖 1 模糊控制系統(tǒng)原

9、理圖Fig. 1 Structure of fuzzy control system3核動力模糊控制系統(tǒng)本文構(gòu)造了核動力系統(tǒng)各主要參數(shù)的模糊 控制系統(tǒng) ,包括反應(yīng)堆堆芯功率控制系統(tǒng) 、堆芯 平均溫度控制系統(tǒng) 、蒸汽發(fā)生器水位控制系統(tǒng) 、 蒸汽排放控制系統(tǒng) 、穩(wěn)壓器壓力控制系統(tǒng)以及 穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng) 。下面以蒸汽發(fā)生器水位10屬度 MFij ,然后計算出每條規(guī)則的隸屬度 i 。i = MFij ( FE) MFij ( L E)(4)312模糊規(guī)則蒸汽發(fā)生器水位模糊控制器的控制規(guī)則的 前提條件部分由水位變化 L E 和流量變化 FE 組成 ?？刂埔?guī)則如下 :If L E is M Fi1 an

10、d FE is MFim ,then W is wi , (for i = 1 , n)(5)圖 3 模糊控制器輸入量的模糊化 Fig. 3 Fuzzification of input variable in fuzzy controller蒸汽發(fā)生器的性能函數(shù)取為 :313解模糊模糊控制器的輸出量為給水流量 Wfw 。nWfw = wi i(12)i = 14仿真研究的結(jié)果及與傳統(tǒng)控制 效果的比較采用計算機(jī)仿真的方法得到了核動力模糊J ( t + d) = 1 L2ref( t + d) - Lw ( t控制系統(tǒng)在多種運(yùn)行工況下的控制效果 ,并將+ d) 2 + W2st(t) - Wfw

11、( t) 2(6)其與實(shí)際的傳統(tǒng) PID 控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行 了比較分析 。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和被控對象的數(shù)據(jù)式中 Lw 是水位 (mm) , L ref 是水位設(shè)定值 ,Wfw是給水流量 , Wst 是蒸汽流量 , d 是系統(tǒng)延遲 時間 ,是權(quán)重因子 (其取值區(qū)間為 0 ,1 ) ?？?以通過適當(dāng)調(diào)節(jié) 來調(diào)節(jié) Wst ( t) - Wfw ( t) 的 權(quán)重 ,從而達(dá)到較高的控制性能 。將性能函數(shù) 對 wi 進(jìn)行求導(dǎo) ,結(jié)果如下 :- 9J ( t + d)9wi ( t) 9L w ( t + d)均來自實(shí)際的核動力系統(tǒng) 。圖 4 包含了汽輪機(jī)負(fù)荷曲線以及反應(yīng)堆功率瞬態(tài)過程 。圖 5 到圖1

12、0 所示分別為在圖 4 負(fù)荷變化工況下堆芯冷 卻劑平均溫度 、穩(wěn)壓器壓力和水位 、蒸汽發(fā)生器 壓力流量和水位在模糊控制系統(tǒng)作用下的瞬態(tài) 過程 ,為了便于比較分析 ,圖中同時給出這些參 數(shù)在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)作用下的變化曲線 。在圖 4 中 ,模糊控制下的堆功率峰值時間 和調(diào)整時間分別比 PID 控制下的短 16 秒和 42=el ( t + d)9Wfw ( t)+ ef ( t)秒(降負(fù)荷) 以及 20秒和 193秒 (升負(fù)荷),說明 9Wfw ( t ) 9wi ( t)(7)模糊控制下反應(yīng)堆功率對汽輪機(jī)負(fù)荷的變化具 有更快的響應(yīng)速度 ,使系統(tǒng)能更快地穩(wěn)定下來 。l (wwf式中 e t + d

13、) L set ( t + d) - L ( t + d) , e ( t )Wst ( t) - Wfw ( t) 。定義函數(shù) i ( x) 如下 : i ( x ) 模糊控制下堆功率接近穩(wěn)態(tài)時不會發(fā)生振蕩 , 而在 PID 控制下發(fā)生了振幅為 1184 %(降負(fù)荷) 和 2 %(升負(fù)荷) 的振蕩 。i ( x) ni ( x)i = 1(8)從堆芯冷卻劑平均溫度的瞬態(tài)過程 (圖 5)可以看出 ,模糊控制作用下的響應(yīng)速度明顯比用Wfw 代替方程 (5) 中的 y ,并且對 wi 求導(dǎo) ,可以得到 :9Wfw ( t) 9wi ( t) = i ( t)(9)定義敏感度因子 S ( t + d

14、 ; t) 如下 :PID 控制的快 ,如系統(tǒng)的調(diào)整時間比 PID 控制 的縮短 249 秒 (降負(fù)荷) 、450 秒 (升負(fù)荷) 。同時 模糊控制下的超調(diào)量 - 0109 %和 + 0105 %遠(yuǎn)比 PID 控制的 - 0186 %和 + 0135 %要小 。仿真還S ( t + d ; t) 9L w ( t + d)9Wfw ( t)從而 , wi 可以被表示為 :wi ( t + 1) = wi ( t) + Kw el ( t + d) S ( t + d ; t) + ef ( t) i ( t)(10)(11)表明模糊控制下的控制棒動作頻率比傳統(tǒng)控制的低 ,對控制棒驅(qū)動機(jī)構(gòu)更有利

15、 。從圖 6 可以看出 ,模糊控制下的穩(wěn)壓器壓 力瞬態(tài)過程短 , 如調(diào)整時間約為 208 秒 ( 降負(fù) 荷) 和 510 秒 (升負(fù)荷) ,而 PID 控制到了 900 秒 以后壓力才趨于穩(wěn)定 ,所以模糊控制系統(tǒng)反應(yīng)11 速度快得多 。在負(fù)荷降低為 20 %時 ,模糊控制 21 秒時啟動噴淋閥 ,PID 控制 25 秒時啟動噴淋 閥 ,比模糊控制晚開啟 4 秒 ,模糊控制 57 秒時 關(guān)閉噴淋閥 , PID 控制 61 秒時關(guān)閉了噴淋閥 , 比模糊控制晚了 4 秒 ,可見模糊控制能更好地 實(shí)現(xiàn)快速控制 。從穩(wěn)壓器水位的瞬態(tài)過程 (圖 7) 來看 ,模 糊控制水位在 181 秒之后基本保持在 5

16、5120 % ; PID 控制水位在 168 秒到達(dá)最低點(diǎn) 53119 % ,然 后緩慢回升 ,直到負(fù)荷開始回升時 (400 秒) 才 上升到 54132 %?？梢娔：刂扑豁憫?yīng)速度 快而且穩(wěn)定 。從蒸汽發(fā)生器壓力曲線 (圖 8) 可以看出 , 模糊控制的調(diào)整時間為 183 秒 (降負(fù)荷) 和 500 秒(升負(fù)荷) ,比 PID 控制的 350 秒 (降負(fù)荷) 和 931 秒 (升負(fù)荷) 短 。從圖 9 中可以看出 , 模糊 控制下 13 秒時就啟動了蒸汽排放 , PID 控制 15 秒才啟動 ,模糊控制的動態(tài)響應(yīng)速度比 PID 控 制快 。在蒸汽發(fā)生器水位瞬態(tài) (圖 10) 中 ,模糊 控

17、制的水位變化范圍為 41108 %43150 % (目 標(biāo)值 為 43150 %) , 比 PID 控 制 的 38141 % 491085 %要小 , 說明模糊控制比 PID 控制能更 好地控制蒸汽發(fā)生器水位的穩(wěn)定 。綜上所述 ,采用模糊控制系統(tǒng)后 ,核動力系 統(tǒng)主要控制參數(shù)的瞬態(tài)響應(yīng)過程具有響應(yīng)速度 快 、超調(diào)量小 、振蕩次數(shù)少的良好動態(tài)特性 ,控 制效果有明顯的改善 ,特別是穩(wěn)壓器水位和蒸 汽發(fā)生器水位瞬態(tài)過程在模糊控制系統(tǒng)作用下 表現(xiàn)出了很好的穩(wěn)定性 ,這些都非常有利于核 動力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行 。核動力模糊控制 系統(tǒng)做進(jìn)一步的完善后 ,有希望能較好地解決 基于 PID 的傳統(tǒng)控制系

18、統(tǒng)難以解決的一些控制 問題 ,特別是大負(fù)荷變化工況下被控對象非線 性特性所引起的控制問題 。目前這一研究工作 正在進(jìn)行之中 。5 結(jié)束語對核動力系統(tǒng)的整體模糊控制進(jìn)行了研圖 4 汽輪機(jī)負(fù)荷變化和反應(yīng)堆功率瞬態(tài)過程Fig. 4 Turbine load variation and dynamic process of reactor power圖 5 堆芯冷卻劑平均溫度瞬態(tài)過程 Fig. 5 Dynamic process of average coolant temperature圖 6 穩(wěn)壓器壓力瞬態(tài)過程 Fig. 6 Dynamic process of pressurizers pres

19、sure12 圖 7 穩(wěn)壓器水位瞬態(tài)過程 Fig. 7 Dynamic process of pressurizers water level圖 10 蒸汽發(fā)生器水位瞬態(tài)過程 Fig. 10 Dynamic process of steam generators water level究 ,構(gòu)造了核動力系統(tǒng)主要控制參數(shù)的模糊控 制系統(tǒng) ,仿真結(jié)果表明 ,同傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng) 相比 ,模糊控制下的控制效果有明顯的改善 。 如何根據(jù)核動力系統(tǒng)自身的特點(diǎn) ,結(jié)合最新的 模糊控制理論 (見參考文獻(xiàn) 2 ,5 ,6 ) ,將模糊控 制全面地應(yīng)用到核動力控制系統(tǒng)中來是一個值 得研究并具有良好應(yīng)用前景

20、的課題 。圖 8 蒸汽發(fā)生器壓力瞬態(tài)過程 Fig. 8 Dynamic process of steam generators pressure圖 9 蒸汽發(fā)生器蒸汽排放流量瞬態(tài)過程 Fig. 9 Dynamic process of steam exhaust flow in steam generator參 考 文 獻(xiàn)1 呂志松 崔震華 穩(wěn)壓器模糊控制系統(tǒng)初步研究J 核動力 工程 ,22 (1) ,20012 Park. GY, Seong. PH“Application of a Fuzzy Learning Algorithm to Nuclear Steam2Generator Le

21、vel Control”Annals of Nuclear En2 ergy 22 (324) :135146 MAR2APR 19953 Na MG“Design of a genetic fuzzy controller for the nuclear steam generator water level control”1IEEE Transactions on Nuclear Sci2 ence ,45 (4) :22612271 ,19984 Na MG, Lim JH KSME“A fuzzy controller based on self2tuning rules for t

22、he nuclear steam generator water level”International Jour2 nal 11 (5) :485493. 19975 Yoshimura. S , Mochizuki . Y, Yagawa. G“Automated structural design based on knowledge engineering and fuzzy control”Engi2 neering Computations 12 (7) :593608 , 19956 Na MG, Upadhyaya BR“A neuro2fuzzy controller for

23、 axial power distribution in nuclear reactors”IEEE Transactions on Nuclear Sci2 ence 45 (1) : 5967 , 1998(下轉(zhuǎn)第 31 頁) A Measurement Method Regarding Reactor Core Thermal Power and Error AnalysisXU Changrong , SONG Xiaona , CHEN Liming , YANG Kun(Beijing Hollysys Co . , Ltd. Beijing , 100096)Abstract :

24、Based on an exact mathematic model , a measurement method regarding core thermal power of nucle2 ar power pressurized water reactor and its error analysis were presented in this paper. The comparison results between KME system and SAPEC system for verification demonstrate that this method can be used for thermalpower measurement.Key words :nuclear power ; thermal power ; measurement ; error analysis(上接第