基于滑模变结构的核反应堆功率复合控制器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及核电智能控制领域，尤其是涉及一种基于滑模变结构的核反应堆功率 复合控制器设计方法。
【背景技术】
[0002] 核电在当今世界的总发电量中所占的比重越来越大，这一发展趋势决定了核电机 组必须能使反应堆输出功率与电网负荷需求相适应。而核反应堆功率动态过程是一个具有 强非线性、多参数（反应堆运行功率、核燃料燃烧程度、控制棒的使用等）、强耦合、强干扰 等特点的复杂时变系统。在负荷跟随条件下，当出现大的功率变动时，就必须特别考虑这些 因素的影响。因此，为了保证安全、可靠和经济地实现核能的利用，就必须正确地调节核反 应功率和冷却剂温度。经典控制器根据由汽轮机负荷决定的温度设定值控制反应堆堆芯的 平均温度，该经典控制器具有实现简单的优点，是已经被验证较好的技术。然而经典控制器 的调节性能，诸如闭环渐进稳定性等，受到了挑战。采用滑模变结构技术、模糊逻辑控制技 术等智能控制技术，不仅会节约时间，也可以在很大程度上改善控制效果。
[0003] 伍宇忠等人利用基于局部模型全维观测器的全状态反馈法，设计带有鲁棒性能的 局部模型控制器作为非线性堆芯局部控制器，用于相应功率水平域内的功率控制。穆铁钢 提出了必须保证轴向功率偏差在设计好的目标运行带之内变化的控制方案，并按照上述控 制器采用专家PID控制器实现了反应堆功率分布与功率控制的协调，仿真结果表明该控制 器是有效的。但是上述控制器建模复杂，且鲁棒性一般，耗时久，不利于紧急工况下使用。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种跟踪调节性能 好、鲁棒性强、能消除不可测干扰的基于滑模变结构的核反应堆功率复合控制器设计方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种基于滑模变结构的核反应堆功率复合控制器设计方法，包括以下步骤：
[0007] 1)建立核反应堆功率标准模型；
[0008] 2)设计状态反馈局部控制；
[0009] 3)满足Lyapunov稳定性基础上，考虑滑模控制自身抖振问题，结合步骤1)和2)， 获得自适应模糊滑模复合控制器。
[0010] 所述步骤1)具体为：
[0011] 11)根据等效单组缓发中子动力学模型获得核反应堆功率数学模型：
[0012]
CN 105137759 A IX m "ti 2/6 页
[0013] 式中，x为状态变量，
；y为输出向量，y = Δ r^;u为输入向量，u =[AzJ ;A、B、C、D为系数矩阵，
A 为相对于额定功率平衡状态的相对中子密度增量；△ q为等效单组缓发中子先驱核的 相对浓度增量；A P为反应性变化量；A Z1^为控制棒速度变化量；β为总缓发中子份额；λ 为等效单组缓发中子先驱核衰变常量，单位s S Λ为中子代时间，单位s ;G 1^为控制棒反应 性；为相对于额定功率平衡状态的相对中子密度；
[0014] 12)将所述核反应堆功率数学模型转化为标准型，获得核反应堆功率标准模型。
[0015] 所述步骤2)中，状态反馈局部控制的状态反馈矩阵通过极点配置法确定。
[0016] 所述步骤3)中，自适应模糊滑模复合控制器的设计过程包括： _7] 31)考虑η阶SISO系统P _ '/ ^'/) + &'')" + '7('),其中4为控制输入，€和8 为已知非线性函数，d(t)为未知干扰，|d(t) I < d。，d。为干扰d(t)可取的最大值，g(x，t) > 〇 ；
[0018] 32)考虑滑模控制自身抖振问题，基于自适应策略和模糊逻辑，将基础滑模控制器 变更为：
[0019]
[0020] 其中，XdS核反应堆功率的理想输出，
为系统误差， 为模糊系统输出，Φ (S)为模糊向量，s为滑模切换函数，参数向量￡根据自适 应律I6 =巧#)变化，γ为自适应参数，γ > 〇, #表示~的11阶导数，理想状态下， /?(.s-|〇A) = "sgn(.s'), k1;、η 均为常数，η > d0。
[0021 ] 所述模糊系统由模糊推理机、单值模糊器和中心平均解模糊器组成。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0023] 1)本发明采用标准型核反应堆模块进行控制器设计，避免相对于额定功率平衡状 态的相对中子密度ηΛ取值的变化带来的对象不确定性影响；
[0024] 2)本发明状态反馈矩阵通过极点配置法确定，设计准确可靠；
[0025] 3)本发明在滑模控制器中加入了自适应策略及模糊逻辑，可以在动态过程中，根 据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等），有目的地不断变化，迫使系统按照预定"滑 动模态"的状态轨迹运动；
[0026] 4)本发明设计的自适应模糊滑模复合控制器跟踪调节性能好、鲁棒性强，能消除 不可测干扰，体现了先进控制技术在反应堆功率控制中的价值；
[0027] 5)本发明设计的自适应模糊滑模复合控制器满足Lyapunov稳定性要求；
[0028] 6)本发明设计的自适应模糊滑模复合控制器与现有控制（PID复合控制器、滑模 PID复合控制器）相比，阶跃响应在满足上升速度快、调节时间短的要求时，超调量相对滑 模PID复合控制下明显减小，具有较好性能。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明整体原理示意图；
[0030] 图2为本发明状态反馈局部控制示意图；
[0031] 图3为本发明的自适应模糊滑模复合控制器与PID复合控制器、滑模PID复合控 制器的阶跃响应比较曲线图。
【具体实施方式】
[0032] 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。
[0033] 如图1所示，本实施例提供一种基于滑模变结构的核反应堆功率复合控制器设计 方法，具体步骤如下：
[0034] 1)建立核反应堆功率标准模型；
[0035] 2)设计状态反馈局部控制，改善系统的性能；
[0036] 3)满足Lyapunov稳定性基础上，考虑滑模控制自身抖振问题，结合步骤1)和2)， 获得自适应模糊滑模复合控制器。
[0037] 步骤1)中，建立核反应堆功率标准模型具体为：
[0038] 在核反应堆控制系统中，通常以点堆中子动力学方程作为被控对象。为方便分 析问题而又不失一般性，本实施例采用等效单组缓发中子的点堆动力学方程作为被控对 象。在不考虑外加中子源、反应性反馈和氙毒反馈的情况下，等效单组缓发中子动力学模型 为：
[0039] ⑴
[0040] 式中，η中子密度；c等效单组缓发中子先驱核浓度；P反应性； β -缓发中子总份额；Λ ---中子平均寿命（中子代时间），单位s ; λ ---等效单组缓发 中子先驱核衰变常数，单位s ^ -控制棒速度；匕一控制棒反应性。
[0041] 为计算方便，通常对式（1)进行归一化和平衡点线性化处理，经推导，得到： CN 105137759 A VL 4/6 贝
[0042]
(2)
[0043] 式中，ηΛ平衡点处相对中子密度；△ 相对于额定功率平衡状态的相对中 子密度增量；Δ & 等效单组缓发中子先驱核的相对浓度增量；Δ p---反应性变化量； Azr控制棒速度变化量。
[0044] 取状态变量.
：，输出向量y= [AnJ，输入向量U= [AzJ，将式⑵ 改写为状态空间方程组形式，即
[0045]
C 3)：
[0046] 式中，
[0047] 在控制系统设计时，常数取为：β = 〇· 〇〇65 ; Λ = 〇· OOOls ; λ = 〇· 125s