積分飽和對(duì)核電廠運(yùn)行的影響及解決方法獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

積分飽和對(duì)核電廠運(yùn)行的影響及解決方法獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

摘

要：核電廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)多為PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精確性加入了積分環(huán)節(jié)。但積分在工程應(yīng)用中存在積分飽和問題，文中介紹了核電廠中積分飽和給運(yùn)行帶來的不利影響，以及應(yīng)該采取的相應(yīng)措施。對(duì)核電廠的正常運(yùn)行起到一定的借鑒意義，在機(jī)組上具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PI;積分飽和;運(yùn)行;手動(dòng)

Abstract：MostofAutomaticcontrolsystemarePIorPIDcontrolsysteminnuclearpowerplant.Forsystemcontrolprecision，wejoinedtheintegrallink.Buttherearetheintegralsaturationproblemsinengineeringapplication.Thispaperintroducesthenegativeinfluenceofintegralsaturationinthenuclearpowerplanttorun，andshouldtakethecorrespondingmeasures.Ithavesomereferencetothenormaloperationoftheplant，ontheunithasacertainpracticalvalue.

Keywords：PI;integralsaturation;running;manual

1.積分飽和現(xiàn)象簡介

1.1積分飽和的概念

在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)器存在積分作用時(shí)，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除偏差時(shí)，由于積分作用，調(diào)節(jié)器輸出的運(yùn)算結(jié)果將繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能輸出最大值或最小值;當(dāng)偏差反向變化時(shí)，由于積分項(xiàng)的累積值已很大，需要一段時(shí)間才能脫離飽和區(qū)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能動(dòng)作，這樣系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)明顯的超調(diào)，這就是積分飽和現(xiàn)象。

1.2積分飽和產(chǎn)生的原因[1]

積分調(diào)節(jié)器的輸出μ（t）與其偏差輸入信號(hào)e（t）隨時(shí)間的累積值成正比，即u（t）=（1/Ti）∫e（t）dt

式中Ti為積分時(shí)間常數(shù)，積分時(shí)間越小，控制作用越強(qiáng);反之，控制作用越弱。

積分控制器的輸出不僅輸入的偏差大小有關(guān)，而且與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積，一直偏差為0，累積才會(huì)停止。所以，積分控制的作用就是可以消除誤差。但是，積分作用存在控制不及時(shí)的缺點(diǎn)，因?yàn)閡（t）是隨著e（t）逐漸累積的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化;再比如本文重點(diǎn)講到的積分飽和引起的響應(yīng)滯后問題。

下面結(jié)合圖一和圖二介紹下積分飽和產(chǎn)生的原因。

各執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門）是由調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)控制的，而調(diào)節(jié)系統(tǒng)中往往包含有積分環(huán)節(jié)來消除誤差，從而提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精度。然而積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)過量會(huì)引起積分飽和，帶來調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后的問題。如圖一所示，當(dāng)輸入量e（t）不為0（假設(shè)大于0）即系統(tǒng)存在偏差時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出u（t）便開始隨著積分累積而逐漸增加，時(shí)間越長，u（t）也越大，閥門也會(huì)開的越大。當(dāng)閥門開到100%的開度時(shí)，若e（t）仍大于0，這時(shí)u（t）的繼續(xù)增加將不會(huì)導(dǎo)致閥門的繼續(xù)開大，調(diào)節(jié)器進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出u（t）的飽和狀態(tài)即為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的積分飽和，時(shí)間越長，調(diào)節(jié)器的飽和程度越深。當(dāng)e（t）=0時(shí)，u（t）不再增加，但也不會(huì)減小，調(diào)節(jié)器仍處于積分飽和狀態(tài);當(dāng)e（t）<0時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要閥門立即關(guān)小，但此時(shí)調(diào)節(jié)器的積分飽和積分部分才開始減小，直到飽和部分抵消即u（t）回到100%以內(nèi)后，閥門才能開始動(dòng)作，這樣積分飽和就引起了響應(yīng)滯后的問題。如圖二所示，e（t）由正值變負(fù)值時(shí)，u（t）達(dá)到最大值，從最大值到閥門限值u（max）的區(qū)間為調(diào)節(jié)死區(qū)。

2.積分飽和對(duì)我廠運(yùn)行的影響

我廠的重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)是需要快速調(diào)節(jié)響應(yīng)的，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分飽和帶來的響應(yīng)滯后問題很可能造成非常不利的后果。這就要求我們必須對(duì)積分飽和現(xiàn)象給予足夠的重視，并有針對(duì)性的采取相應(yīng)措施，來避免由此帶來的后果。下面我舉例分析積分飽和現(xiàn)象對(duì)我廠正常運(yùn)行時(shí)可能造成的潛在后果，以及應(yīng)該采取的必要預(yù)防措施。

2.1積分飽和造成的運(yùn)行事件分析

2011年5月6日6：08，L4號(hào)機(jī)二回路水質(zhì)合格后，當(dāng)班值進(jìn)行機(jī)組轉(zhuǎn)水轉(zhuǎn)汽操作，主控操縱員啟動(dòng)APA102PO，蒸發(fā)器從L4ASG供水切至L4ARE，由于L4APA102PO啟動(dòng)后L4ADG001DZ氧含量升高，決定盡快轉(zhuǎn)汽，將L4ADG切至VVP進(jìn)行除氧。按操作單《GCT-a至GCT-c的切換》準(zhǔn)備進(jìn)行L4GCT-a切至L4GCT-c時(shí)，發(fā)現(xiàn)501KC/502KC仍處于閉鎖狀態(tài)，當(dāng)值操縱員對(duì)501KC/502KC進(jìn)行解鎖操作。解鎖前SG3水位最高，約0.03米左右，GCT壓力定值72.1bar，VVP024MP壓力72.8bar，由于之前壓力定值低于VVP母管壓力時(shí)間較長，GCT401KM給出的開度需求已積分至100%。當(dāng)GCT501KC/502KC相繼解鎖后，L4GCT-c第一組閥門按照需求信號(hào)開啟，開度接近100%。SG3因虛假水位上升到0.93米，P14信號(hào)觸發(fā)，主給水隔離。

這是典型的積分飽和造成運(yùn)行操作失誤的案例，也證明了積分飽和現(xiàn)象的確會(huì)引起核電廠運(yùn)行上的問題，因此我們必須對(duì)積分飽和現(xiàn)象給予足夠的重視。這次事件對(duì)我廠的啟示在于操縱員在開啟GCT501KC/502KC之前，應(yīng)該關(guān)注GCT-C積分調(diào)節(jié)器的輸出量（401KM），并將402KU打手動(dòng)并關(guān)閉GCT-C，再進(jìn)行解鎖操作;鑒于我廠的調(diào)節(jié)器在手動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)部分輸出有跟蹤手動(dòng)的功能，因此在402KU打手動(dòng)后再放自動(dòng)，自動(dòng)輸出的設(shè)定值即為當(dāng)前的壓力值，這樣就可以避免由于積分過量產(chǎn)生的閥門突開現(xiàn)象，也可以立即消除積分飽和產(chǎn)生的閥門滯后響應(yīng)問題。

3.2.1PI調(diào)節(jié)器的性能調(diào)試：

當(dāng)前機(jī)組處于調(diào)試階段，對(duì)各個(gè)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)（比如積分時(shí)間常數(shù)等）需要認(rèn)真調(diào)試，嚴(yán)格把關(guān)，使各個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)都處于良好的調(diào)節(jié)狀態(tài)，避免由于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而容易造成積分飽和的現(xiàn)象。

3.2.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須運(yùn)行在調(diào)節(jié)區(qū)范圍內(nèi)：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門）必須運(yùn)行在正常的調(diào)節(jié)區(qū)范圍內(nèi)，才能保持良好的調(diào)節(jié)特性。如RCV013VP正常調(diào)節(jié)區(qū)間在30%-70%左右，閥門開的過大或過小都會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)的能力和欲度降低，更容易導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2.3關(guān)注PI調(diào)節(jié)器的輸出：

在將執(zhí)行器投入之前，需要關(guān)注調(diào)節(jié)器的輸出，避免某些情況下由于調(diào)節(jié)器偏差導(dǎo)致輸出量的不斷增加，甚至積分飽和，在執(zhí)行器投入之后產(chǎn)生突開突關(guān)的巨大擾動(dòng)。比如前文提到的GCT-c解除閉鎖時(shí)導(dǎo)致閥門突開的經(jīng)驗(yàn)反饋;再比如ARE小閥切大閥的操作，開啟ARE031VL出口隔離閥ARE052/054VL前，一定要關(guān)注ARE031VL的開度，若存在開度會(huì)導(dǎo)致開啟隔離閥后造成給水的擾動(dòng)。

3.2.4打手動(dòng)消除積分飽和：

對(duì)于積分飽和或積分過量的調(diào)節(jié)器，我們可以采用打手動(dòng)控制的方法。圖四所示為ADG031VV的控制邏輯圖[3]，自動(dòng)控制時(shí)偏差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后經(jīng)A/M轉(zhuǎn)換器控制ADG031VV，此時(shí)A/M轉(zhuǎn)換器只起到通道作用，不參與調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)生積分飽和時(shí)，PI調(diào)節(jié)器的跟蹤環(huán)節(jié)TR1的輸出就不斷累加，即發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象。這時(shí)將A/M打至手動(dòng)位，由于自動(dòng)跟蹤手動(dòng)，TR1的輸出量立即變?yōu)槭謩?dòng)輸出的量，此時(shí)再放回自動(dòng)，PI部分就從當(dāng)前的量增加或減小，這樣就可以立即消除積分飽和的部分，加快了調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度。

所以在發(fā)生積分飽和時(shí)，我們可以先將調(diào)節(jié)器打至手動(dòng)，將閥門調(diào)至線性調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)，再將調(diào)節(jié)器放