专利名称：核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法
技术领域：
本发明涉及一种核电站反应堆工程的控制方法，特别涉及一种核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法。
背景技术：
近年来，随着核电在我国能源结构中所占比例的逐年增加，我国核电工业已步入快速发展阶段。堆功率调节系统是核电站反应堆控制的核心环节，其对核电站安全经济运行，参与电网调峰都具有重要意义。在核电站运行过程中，研究堆功率控制系统的主要作用是确保反应堆中子通量密度在设定值上运行，实现反应堆功率自动跟随负荷变化，并且其超调量、调节时间、稳态误差等各动态性能指标应满足运行要求。核反应堆中子动力学系统严格地说是一个带有诸多不确定干扰因素的分布参数系统，核反应堆控制棒系统分别参见图1。这些不确定性因素的影响都可能导致堆功率控制系统的控制特性变差。因此，设计的堆功率控制器在保证具有良好的动态响应特性的同时，还必须具有良好的鲁棒性，保证系统在非工作点处运行时的稳定性和过渡过程中的动态特性。目前，大多数核电站所采用的堆功率中子通量密度恒值问题的控制方法，主要是利用近似线性化所得到的传递函数模型来设计PID控制器。但是由于模型的精度较差，因而控制的效果也不太理想。另一方面，由于很难得到堆功率中子动力学系统的精确模型，因而也很难采用精确的非线性反馈控制。
发明内容
本发明是针对核反应堆中子动力学系统属带有诸多不确定干扰因素的分布参数系统，造成现有核电站堆功率控制方式在维持反应堆中子通量密度在设定值上运行控制效果不理想；控制系统鲁棒性较差的问题，提出了一种核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，能够有效地抑制了堆功率系统的控制量，且跟踪调节性能好，鲁棒性强，有一定的抗干扰能力。本发明的技术方案为一种核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，包括如下具体步骤
1)构建核电站堆功率调节系统的数学模型，对系统各部分进行数学建模，构建调节系统的数学模型，建立广义被控对象数学模型；
2)将广义被控对象数学模型中广义传递函数方程转换为状态空间模型，判断系统的能控性，配置闭环系统期望极点，构造系统状态反馈矩阵，状态反馈是将系统的状态变量乘以相应的反馈系数，然后反馈到输入端与参考输入叠加形成控制变量，作为受控系统的输A ；
3)广义被控对象数学模型中出现零点，在状态空间模型的基础上增加一个PID反馈回路，采用状态反馈加PID的复合控制结构。
所述步骤I)中堆功率调节系统数学模型，包括功率控制执行机构和系统测量装置，所述功率控制执行机构依次包括输出接口、步进电机、减速传动结构和控制棒，所述系统测量装置包括反应堆输出功率测量装置、步进电机输出转速测量装置，系统测量装置实时的检测反应堆的工作状态，并通过回路反馈到控制器，控制器输出经过隔离放大电路控制步进电机转速。所述步骤2)中期望极点通过频域设计法的根轨迹图和伯德图获取，根据期望极点构造状态反馈矩阵。如广义被控对象数学模型为η阶系统，最终确定堆功率闭环系统的期望极点为η个，相应的系统反馈矩阵可通过MATLAB控制工具箱中的爱克曼函数acker ()得到。本发明的有益效果在于本发明核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，理论清晰，设计步骤简单，能够有效地抑制了堆功率系统的控制量，且跟踪调节性能好，鲁棒性强，有一定的抗干扰能力，在实际工程应用中具有参考价值，且对核电站反应堆参与电网调峰具有十分重要的现实意义。并且此方法具有一般性的意义，适用范围广，控制效果理想，并给针对带有零点的复杂控制对象的控制提供了新的思路。
图1为模式G下控制棒系统 图2为本发明堆功率调节系统数学模型 图3为本发明广义被控对象数学模型 图4为本发明状态反馈控制系统 图5为本发明堆功率调节系统状态空间分析结构 图6为本发明含超前校正的系统根轨迹和伯德 图7为本发明状态空间结构输出响应测试 图8为本发明状态空间结构的控制量曲线 图9为传统PID控制结构的控制量曲线 图10为本发明状态空间结构鲁棒性测试图。
具体实施例方式本发明运用状态空间分析方法对核电站堆功率调节系统进行控制，所得到的状态反馈阵能够明显改善堆功率调节系统的动态响应特性，且能够很好地抑制堆功率调节系统的控制量，并加入PID控制环节对堆功率调节系统进行微调，进一步优化系统各动态性能指标，保证反应堆中子通量密度为恒值。( I)构建核电站堆功率调节系统的数学模型，并建立广义被控对象数学模型。如图2堆功率调节系统数学模型图，包括功率控制执行机构和系统测量装置。所述功率控制执行机构主要包括输出接口、步进电机、减速传动结构和控制棒，起到直接控制反应堆功率的作用。所述系统测量装置主要包括反应堆输出功率测量装置、步进电机输出转速测量装置，可以实时的检测反应堆的工作状态，并通过回路反馈到控制器，控制器输出经过隔离放大电路控制步进电机转速。对系统各部分进行数学建模，构建调节系统的数学模型，建立广义被控对象数学模型，如图3广义被控对象数学模型图，反馈的电流信号回控制器。
(2)将广义传递函数方程转换为状态空间模型，判断系统的能控性，配置闭环系统期望极点，构造系统状态反馈矩阵。本发明基于Matlab控制工具箱，从理论上仿真验证状态空间分析方法的可行性与有效性。核电站堆功率调节系统属实际连续系统，经状态空间理论验证该系统能控，即核电站堆功率调节系统可任意配置闭环系统期望极点。期望极点通过频域设计法的根轨迹图和伯德图获取，根据期望极点构造状态反馈矩阵。(3)状态空间分析结构的基础上增加一个PID反馈回路，采用状态反馈加PID的复合控制结构。本发明附加的PID反馈回路有效地抑制了核电站堆功率调节系统广义数学模型中零点堆功率系统的影响。复合控制方法中，反馈矩阵 的存在改善了堆功率系统的动态特性，PID控制器完成对系统的微调效果，进一步优化控制系统各动态性能指标，保证中子通
量密度值恒定。状态空间法是采用矩阵运算形式的时域分析方法，它不仅可以处理多变量系统，而且可以处理非线性和时变系统。状态空间表达式如式(I):
P(I) = /[功),神),￡]
其中，χ( )表不系统的状态方程；雄)表不系统的状态；w(0表不系统的输入；纟表不时间;表不系统的输出方程。如图4状态反馈控制系统图解。状态反馈是将系统的状态变量乘以相应的反馈系数，然后反馈到输入端与参考输入叠加形成控制变量，作为受控系统的输入，实现闭环系统的极点的任意配置。系统的状态变量包括系统内部特性的全部信息，因此状态反馈比传统的输出反馈能更有效地改善系统的性能，采用状态反馈不但可以实现闭环系统极点的任意配置，而且也是实现解耦和构成线性最优调节器的主要手段。如果给出了对象的状态方程模型，则我们经常希望引入某种控制器，使得闭环系统的极点可以位于指定的位置，使得闭环系统动态性得到改进。整个分析过程中，最主要
的是获得期望极点和反馈矩阵，期望极点的获取可以通过主导极点(其中，&為表示系统
主导极点，^表示系统阻尼系数，表示系统自然振荡频率)，其余的辅极点的选取空间较
大；由状态空间极点配置理论可知，反馈矩阵F的获取可以通过将系统转化为能控标准型，由能控标准型表示的单输入系统算法，得到反馈矩阵F，进而设计出期望的状态空间控制器。本发明将提出的核电站堆功率状态空间分析方法应用在实际的核电站堆功率调节系统中。本发明基于MATLAB/simulink仿真平台，仿真验证本发明的有效性和可行性。堆功率调节系统状态空间分析结构，如图5所示。其中，广义被控对象传递函数如式(2):
0.008478s+0.0006522
ζ^ζβ) =__ (2 )
0.00141848s5 + 0.038873s4 + 0.943s3 +5s2将传递函数方程转换为状态空间方程，各系数矩阵如下
权利要求
1.一种核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，其特征在于，包括如下具体步骤 1)构建核电站堆功率调节系统的数学模型，对系统各部分进行数学建模，构建调节系统的数学模型，建立广义被控对象数学模型； 2)将广义被控对象数学模型中广义传递函数方程转换为状态空间模型，判断系统的能控性，配置闭环系统期望极点，构造系统状态反馈矩阵，状态反馈是将系统的状态变量乘以相应的反馈系数，然后反馈到输入端与参考输入叠加形成控制变量，作为受控系统的输A ； 3)广义被控对象数学模型中出现零点，在状态空间模型的基础上增加一个PID反馈回路，采用状态反馈加PID的复合控制结构。
2.根据权利要求1所述核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，其特征在于，所述步骤I)中堆功率调节系统数学模型，包括功率控制执行机构和系统测量装置，所述功率控制执行机构依次包括输出接口、步进电机、减速传动结构和控制棒，所述系统测量装置包括反应堆输出功率测量装置、步进电机输出转速测量装置，系统测量装置实时的检测反应堆的工作状态，并通过回路反馈到控制器，控制器输出经过隔离放大电路控制步进电机转速。
3.根据权利要求1所述核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，其特征在于，所述步骤2)中期望极点通过频域设计法的根轨迹图和伯德图获取，根据期望极点构造状态反馈矩阵。
4.根据权利要求3所述核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，其特征在于，所述步骤2)中期望极点通过频域设计法的根轨迹图和伯德图获取，如广义被控对象数学模型为η阶系统，最终确定堆功率闭环系统的期望极点为η个，相应的系统反馈矩阵可通过MATLAB控制工具箱中的爱克曼函数acker ()得到。
全文摘要
本发明涉及一种核电站堆功率调节系统的状态空间分析方法，构建核电站堆功率调节系统的数学模型，对系统各部分进行数学建模，构建调节系统的数学模型，建立广义被控对象数学模型；将广义被控对象数学模型中广义传递函数方程转换为状态空间模型，判断系统的能控性，配置闭环系统期望极点，构造系统状态反馈矩阵；广义被控对象数学模型中出现零点，在状态空间模型的基础上增加一个PID反馈回路，采用状态反馈加PID的复合控制结构。此方法能够有效地抑制了堆功率系统的控制量，且跟踪调节性能好，鲁棒性强，有一定的抗干扰能力，并且此方法具有一般性的意义，适用范围广，控制效果理想，并给针对带有零点的复杂控制对象的控制提供了新的思路。
文档编号G06F17/50GK103020347SQ20121052070
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者朱昊, 韦钢, 翟春荣 申请人:上海电力学院