專利名稱：核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種核電站反應(yīng)堆工程的控制方法，特別涉及一種核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著核電在我國能源結(jié)構(gòu)中所占比例的逐年增加，我國核電工業(yè)已步入快速發(fā)展階段。堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)是核電站反應(yīng)堆控制的核心環(huán)節(jié)，其對核電站安全經(jīng)濟(jì)運行，參與電網(wǎng)調(diào)峰都具有重要意義。在核電站運行過程中，研究堆功率控制系統(tǒng)的主要作用是確保反應(yīng)堆中子通量密度在設(shè)定值上運行，實現(xiàn)反應(yīng)堆功率自動跟隨負(fù)荷變化，并且其超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等各動態(tài)性能指標(biāo)應(yīng)滿足運行要求。核反應(yīng)堆中子動力學(xué)系統(tǒng)嚴(yán)格地說是一個帶有諸多不確定干擾因素的分布參數(shù)系統(tǒng)，核反應(yīng)堆控制棒系統(tǒng)分別參見圖1。這些不確定性因素的影響都可能導(dǎo)致堆功率控制系統(tǒng)的控制特性變差。因此，設(shè)計的堆功率控制器在保證具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性的同時，還必須具有良好的魯棒性，保證系統(tǒng)在非工作點處運行時的穩(wěn)定性和過渡過程中的動態(tài)特性。目前，大多數(shù)核電站所采用的堆功率中子通量密度恒值問題的控制方法，主要是利用近似線性化所得到的傳遞函數(shù)模型來設(shè)計PID控制器。但是由于模型的精度較差，因而控制的效果也不太理想。另一方面，由于很難得到堆功率中子動力學(xué)系統(tǒng)的精確模型，因而也很難采用精確的非線性反饋控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對核反應(yīng)堆中子動力學(xué)系統(tǒng)屬帶有諸多不確定干擾因素的分布參數(shù)系統(tǒng)，造成現(xiàn)有核電站堆功率控制方式在維持反應(yīng)堆中子通量密度在設(shè)定值上運行控制效果不理想；控制系統(tǒng)魯棒性較差的問題，提出了一種核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，能夠有效地抑制了堆功率系統(tǒng)的控制量，且跟蹤調(diào)節(jié)性能好，魯棒性強，有一定的抗干擾能力。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，包括如下具體步驟
1)構(gòu)建核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)各部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立廣義被控對象數(shù)學(xué)模型；
2)將廣義被控對象數(shù)學(xué)模型中廣義傳遞函數(shù)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型，判斷系統(tǒng)的能控性，配置閉環(huán)系統(tǒng)期望極點，構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣，狀態(tài)反饋是將系統(tǒng)的狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù)，然后反饋到輸入端與參考輸入疊加形成控制變量，作為受控系統(tǒng)的輸A ；
3)廣義被控對象數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)零點，在狀態(tài)空間模型的基礎(chǔ)上增加一個PID反饋回路，采用狀態(tài)反饋加PID的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。
所述步驟I)中堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，包括功率控制執(zhí)行機構(gòu)和系統(tǒng)測量裝置，所述功率控制執(zhí)行機構(gòu)依次包括輸出接口、步進(jìn)電機、減速傳動結(jié)構(gòu)和控制棒，所述系統(tǒng)測量裝置包括反應(yīng)堆輸出功率測量裝置、步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)速測量裝置，系統(tǒng)測量裝置實時的檢測反應(yīng)堆的工作狀態(tài)，并通過回路反饋到控制器，控制器輸出經(jīng)過隔離放大電路控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速。所述步驟2)中期望極點通過頻域設(shè)計法的根軌跡圖和伯德圖獲取，根據(jù)期望極點構(gòu)造狀態(tài)反饋矩陣。如廣義被控對象數(shù)學(xué)模型為η階系統(tǒng)，最終確定堆功率閉環(huán)系統(tǒng)的期望極點為η個，相應(yīng)的系統(tǒng)反饋矩陣可通過MATLAB控制工具箱中的愛克曼函數(shù)acker ()得到。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，理論清晰，設(shè)計步驟簡單，能夠有效地抑制了堆功率系統(tǒng)的控制量，且跟蹤調(diào)節(jié)性能好，魯棒性強，有一定的抗干擾能力，在實際工程應(yīng)用中具有參考價值，且對核電站反應(yīng)堆參與電網(wǎng)調(diào)峰具有十分重要的現(xiàn)實意義。并且此方法具有一般性的意義，適用范圍廣，控制效果理想，并給針對帶有零點的復(fù)雜控制對象的控制提供了新的思路。


圖1為模式G下控制棒系統(tǒng) 圖2為本發(fā)明堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 圖3為本發(fā)明廣義被控對象數(shù)學(xué)模型 圖4為本發(fā)明狀態(tài)反饋控制系統(tǒng) 圖5為本發(fā)明堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)空間分析結(jié)構(gòu) 圖6為本發(fā)明含超前校正的系統(tǒng)根軌跡和伯德 圖7為本發(fā)明狀態(tài)空間結(jié)構(gòu)輸出響應(yīng)測試 圖8為本發(fā)明狀態(tài)空間結(jié)構(gòu)的控制量曲線 圖9為傳統(tǒng)PID控制結(jié)構(gòu)的控制量曲線 圖10為本發(fā)明狀態(tài)空間結(jié)構(gòu)魯棒性測試圖。
具體實施例方式本發(fā)明運用狀態(tài)空間分析方法對核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制，所得到的狀態(tài)反饋陣能夠明顯改善堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，且能夠很好地抑制堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制量，并加入PID控制環(huán)節(jié)對堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)各動態(tài)性能指標(biāo)，保證反應(yīng)堆中子通量密度為恒值。( I)構(gòu)建核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并建立廣義被控對象數(shù)學(xué)模型。如圖2堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型圖，包括功率控制執(zhí)行機構(gòu)和系統(tǒng)測量裝置。所述功率控制執(zhí)行機構(gòu)主要包括輸出接口、步進(jìn)電機、減速傳動結(jié)構(gòu)和控制棒，起到直接控制反應(yīng)堆功率的作用。所述系統(tǒng)測量裝置主要包括反應(yīng)堆輸出功率測量裝置、步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)速測量裝置，可以實時的檢測反應(yīng)堆的工作狀態(tài)，并通過回路反饋到控制器，控制器輸出經(jīng)過隔離放大電路控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速。對系統(tǒng)各部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立廣義被控對象數(shù)學(xué)模型，如圖3廣義被控對象數(shù)學(xué)模型圖，反饋的電流信號回控制器。
(2)將廣義傳遞函數(shù)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型，判斷系統(tǒng)的能控性，配置閉環(huán)系統(tǒng)期望極點，構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣。本發(fā)明基于Matlab控制工具箱，從理論上仿真驗證狀態(tài)空間分析方法的可行性與有效性。核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)屬實際連續(xù)系統(tǒng)，經(jīng)狀態(tài)空間理論驗證該系統(tǒng)能控，即核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)可任意配置閉環(huán)系統(tǒng)期望極點。期望極點通過頻域設(shè)計法的根軌跡圖和伯德圖獲取，根據(jù)期望極點構(gòu)造狀態(tài)反饋矩陣。(3)狀態(tài)空間分析結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個PID反饋回路，采用狀態(tài)反饋加PID的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。本發(fā)明附加的PID反饋回路有效地抑制了核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)廣義數(shù)學(xué)模型中零點堆功率系統(tǒng)的影響。復(fù)合控制方法中，反饋矩陣 的存在改善了堆功率系統(tǒng)的動態(tài)特性，PID控制器完成對系統(tǒng)的微調(diào)效果，進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)各動態(tài)性能指標(biāo)，保證中子通
量密度值恒定。狀態(tài)空間法是采用矩陣運算形式的時域分析方法，它不僅可以處理多變量系統(tǒng)，而且可以處理非線性和時變系統(tǒng)。狀態(tài)空間表達(dá)式如式(I):
P(I) = /[功),神),￡]
其中，χ( )表不系統(tǒng)的狀態(tài)方程；雄)表不系統(tǒng)的狀態(tài)；w(0表不系統(tǒng)的輸入；纟表不時間;表不系統(tǒng)的輸出方程。如圖4狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)圖解。狀態(tài)反饋是將系統(tǒng)的狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù)，然后反饋到輸入端與參考輸入疊加形成控制變量，作為受控系統(tǒng)的輸入，實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的極點的任意配置。系統(tǒng)的狀態(tài)變量包括系統(tǒng)內(nèi)部特性的全部信息，因此狀態(tài)反饋比傳統(tǒng)的輸出反饋能更有效地改善系統(tǒng)的性能，采用狀態(tài)反饋不但可以實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)極點的任意配置，而且也是實現(xiàn)解耦和構(gòu)成線性最優(yōu)調(diào)節(jié)器的主要手段。如果給出了對象的狀態(tài)方程模型，則我們經(jīng)常希望引入某種控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)的極點可以位于指定的位置，使得閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)性得到改進(jìn)。整個分析過程中，最主要
的是獲得期望極點和反饋矩陣，期望極點的獲取可以通過主導(dǎo)極點(其中，&為表示系統(tǒng)
主導(dǎo)極點，^表示系統(tǒng)阻尼系數(shù)，表示系統(tǒng)自然振蕩頻率)，其余的輔極點的選取空間較
大；由狀態(tài)空間極點配置理論可知，反饋矩陣F的獲取可以通過將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為能控標(biāo)準(zhǔn)型，由能控標(biāo)準(zhǔn)型表示的單輸入系統(tǒng)算法，得到反饋矩陣F，進(jìn)而設(shè)計出期望的狀態(tài)空間控制器。本發(fā)明將提出的核電站堆功率狀態(tài)空間分析方法應(yīng)用在實際的核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。本發(fā)明基于MATLAB/simulink仿真平臺，仿真驗證本發(fā)明的有效性和可行性。堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)空間分析結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其中，廣義被控對象傳遞函數(shù)如式(2):
0.008478s+0.0006522
ζ^ζβ) =__ (2 )
0.00141848s5 + 0.038873s4 + 0.943s3 +5s2將傳遞函數(shù)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間方程，各系數(shù)矩陣如下
權(quán)利要求
1.一種核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，其特征在于，包括如下具體步驟 1)構(gòu)建核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)各部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立廣義被控對象數(shù)學(xué)模型； 2)將廣義被控對象數(shù)學(xué)模型中廣義傳遞函數(shù)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型，判斷系統(tǒng)的能控性，配置閉環(huán)系統(tǒng)期望極點，構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣，狀態(tài)反饋是將系統(tǒng)的狀態(tài)變量乘以相應(yīng)的反饋系數(shù)，然后反饋到輸入端與參考輸入疊加形成控制變量，作為受控系統(tǒng)的輸A ； 3)廣義被控對象數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)零點，在狀態(tài)空間模型的基礎(chǔ)上增加一個PID反饋回路，采用狀態(tài)反饋加PID的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，其特征在于，所述步驟I)中堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，包括功率控制執(zhí)行機構(gòu)和系統(tǒng)測量裝置，所述功率控制執(zhí)行機構(gòu)依次包括輸出接口、步進(jìn)電機、減速傳動結(jié)構(gòu)和控制棒，所述系統(tǒng)測量裝置包括反應(yīng)堆輸出功率測量裝置、步進(jìn)電機輸出轉(zhuǎn)速測量裝置，系統(tǒng)測量裝置實時的檢測反應(yīng)堆的工作狀態(tài)，并通過回路反饋到控制器，控制器輸出經(jīng)過隔離放大電路控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，其特征在于，所述步驟2)中期望極點通過頻域設(shè)計法的根軌跡圖和伯德圖獲取，根據(jù)期望極點構(gòu)造狀態(tài)反饋矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，其特征在于，所述步驟2)中期望極點通過頻域設(shè)計法的根軌跡圖和伯德圖獲取，如廣義被控對象數(shù)學(xué)模型為η階系統(tǒng)，最終確定堆功率閉環(huán)系統(tǒng)的期望極點為η個，相應(yīng)的系統(tǒng)反饋矩陣可通過MATLAB控制工具箱中的愛克曼函數(shù)acker ()得到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析方法，構(gòu)建核電站堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)各部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立廣義被控對象數(shù)學(xué)模型；將廣義被控對象數(shù)學(xué)模型中廣義傳遞函數(shù)方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間模型，判斷系統(tǒng)的能控性，配置閉環(huán)系統(tǒng)期望極點，構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)反饋矩陣；廣義被控對象數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)零點，在狀態(tài)空間模型的基礎(chǔ)上增加一個PID反饋回路，采用狀態(tài)反饋加PID的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)。此方法能夠有效地抑制了堆功率系統(tǒng)的控制量，且跟蹤調(diào)節(jié)性能好，魯棒性強，有一定的抗干擾能力，并且此方法具有一般性的意義，適用范圍廣，控制效果理想，并給針對帶有零點的復(fù)雜控制對象的控制提供了新的思路。
文檔編號G06F17/50GK103020347SQ20121052070
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者朱昊, 韋鋼, 翟春榮 申請人:上海電力學(xué)院