一种基于内模控制的压水堆蒸汽发生器液位控制系统整定方法与流程

本专利涉及核电厂蒸汽发生器液位控制领域，涉及一种基于等效串级三冲量控制回路与内模控制设计的控制系统整定方法，用于压水堆核电厂蒸汽发生器液位控制系统的参数整定。

背景技术

蒸汽发生器是压水堆冷却系统的重要组成部分，其主要的作用是进行热交换，将一回路从反应堆带来的热量转移到二回路，为汽轮机提供充足、合格的蒸汽。蒸汽发生器液位过高或者过低都会对核电厂的正常运行带来很大的影响。当蒸汽发生器液位过低时，将导致u形管破裂、一次测热量导出效率降低等情况，会造成辐射污染至二回路、堆芯过热等现象。当蒸汽发生器液位过高，会导致蒸汽发生器输出的蒸汽中含水，损伤汽轮机叶片。据统计，对于压水堆核电站，系统稳定运行的影响因素中，约有25％是由蒸汽发生器水位控制差引起的，因此蒸汽发生器液位控制对保证机组安全稳定运行具有重要意义。

压水堆蒸汽发生器液位控制器的结构如图1所示；这是一个只有单个pi控制器的单级三冲量控制器。控制器的输入信号包含两部分，一个是经过微分滞后补偿的蒸汽流量与给水流量偏差信号；另一个是液位经由超前滞后补偿后与液位设定值的偏差信号，该信号还经过了增益补偿。在控制系统的实际设计中，蒸汽流量和给水流量在进行相减计算之前分别作了归一化处理。图1中控制器、超前滞后环节、微分滞后环节之间存在比较严重的耦合，直接进行这些环节的参数设计基本是不可能的。

针对控制器结构耦合的回路进行整定，主要方法是根据方框图等效变换进行解耦，将复杂的控制回路结构转换为常见的、易于整定的回路。在等效转换过程中可以进行一定的近似或假设以符合转化后的控制回路形式。

控制器整定的常用方法之一是内模控制整定法。内模控制具有跟踪调节性能好、鲁棒性强、能消除不可测干扰的影响、设计简单等优点，如图2所示。内模控制与传统反馈控制不同的是在内模控制中引入内部模型，反馈量由输出全反馈变成了扰动的估计量。当g与不完全一致时，将包含模型的失配信息，从而提高控制效果的鲁棒性。

基于上述问题与解决思路，我们提出如图3所示的整定流程，首先根据方框图等效变换的方法，将压水堆蒸汽发生器液位控制系统等效转化为串级三冲量控制回路，并基于等效转换得到串级三冲量控制回路控制器参数与原控制器参数之间的数值关系；然后，基于内模控制设计方法，整定等效串级控制回路；最后再将根据等效变换求取原液位控制系统的参数，完成整定。

技术实现要素：

基于上述液位控制系统结构耦合所带来的问题，本发明提出一种基于内模控制的压水堆蒸汽发生器液位控制系统整定方法，可以有效解决液位控制系统中各环节的耦合，并得到各环节参数的数值整定结果。

本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于内模控制的压水堆蒸汽发生器液位控制系统整定方法，包括如下步骤：

(1)利用方框图等效变换，将压水堆蒸汽发生器液位控制系统等效转化为串级三冲量控制系统结构；

(2)利用(1)中等效转换后的串级三冲量控制回路，得到等效转换后的主副回路控制器参数与原液位控制回路中各环节参数之间的数值关系。

(3)基于内模控制理论，设计等效串级三冲量控制回路中的主回路和副回路控制器参数整定步骤：先进行副回路控制器整定，完成后将副回路整体近似为一阶环节进行主回路控制器整定。

(4)根据整定后的等效串级三冲量控制器参数反算压水堆蒸汽发生器液位控制系统各环节参数，完成整定。

进一步地，所述步骤1具体为：

压水堆蒸汽发生器液位控制系统包含三个传递函数p1(s)、p2(s)、p3(s)和三个控制器c1(s)、c2(s)、c3(s)，其中，p1(s)为给水流量到液位的传递函数；p2(s)为给水流量需求到给水流量的传递函数；p3(s)为蒸汽流量到液位的传递函数；其中，k1表示控制器c1(s)的增益，t1表示控制器c1(s)的时间常数；t4＝αt3，α为常数；

利用方框图等效变换，将压水堆蒸汽发生器液位控制系统等效转化为串级三冲量控制系统，串级三冲量控制系统包含主回路控制器和副回路控制器，其中，

副回路控制器w2(s)为：

w2(s)＝c1(s)c2(s)(1)

当t2>t1时，w2(s)近似为pi控制律：

对于主回路，在等效串级回路中，k2/c2(s)和c3(s)构成了微分先行的串级结构pid控制律，主回路控制器w1(s)即为：

进一步地，步骤2具体为：

对于等效的串级三冲量控制回路，副控制器按照pi控制律进行设计，主控制器按照串形结构pid控制律进行设计，整定得到的控制器为：

令对应项系数相等，可以得到如下的压水堆中控制器参数转化公式为：

k1＝k2,k2＝k1，t1＝t2,t2＝t1,t3＝t3,t4＝αt3(5)

进一步地，步骤3具体为：

对于一阶对象：

设计pi控制器：

其中，k为被控对象的增益，τ为被控对象的时间常数，θ为延迟；s为复变量；表示控制器的增益，τc为被控对象的时间常数，时间常数ti＝τ。i＝1,2,3,4；

对于一阶积分对象：

设计pid控制器：

其中时间常数ti＝2τc+θ，td＝τ

或ti＝τ，td＝2τc+θ。

p1(s)、p2(s)、p3(s)三个传递函数模型分别为：

τ1、τ2、τ3分别为时间常数，z1、z3分别为常数，θ1、θ2、θ3分别表示延迟，κ1、κ2、κ3分别表述传递函数的增益；

由于内模整定法只能整定一个反馈回路，因此先对副回路进行整定，根据式(10)和式(7)，可得副回路控制器为：

其中t2＝τ2，为副回路的期望闭环时间常数。

整定主回路控制器时，将副回路近似为增益为1、时间常数等于内环期望闭环时间常数的一阶环节，即副回路近似为：

由于副回路的速度远大于主回路(即)，因此根据skogestad’shalf准则，p1(s)φ2(s)可近似为：

根据式(9)，主回路控制器可设计为：

其中t3＝τoort1＝τo,为主回路的期望闭环时间常数。

进一步地，步骤4的反算具体如下：

根据式(5)、式(11)和式(14)可得原液位控制系统的参数为：

或

本发明的有益效果在于：本发明采用内模控制的方法原理来对压水堆蒸汽发生器液位控制系统进行整定，通过方框图等效变换将压水堆蒸汽发生器液位控制系统等效转化为串级三冲量控制回路；在此基础上，根据内模控制原理整定等效的串级控制回路，从而计算出变换前控制系统的有效参数。该方法有效提高了压水堆蒸汽发生器液位控制系统的运行平稳性，使得系统的控制品质得到改善，进而提高经济效益。

附图说明

图1是压水堆蒸汽发生器液位控制系统原理图；

图2是经典反馈控制与内模控制；

图3是压水堆蒸汽发生器液位控制系统整定流程图；

图4是压水堆蒸汽发生器液位控制系统方框图；

图5是液位控制系统等效串级三冲量控制回路。

具体实施方法

根据上述发明内容的阐述，结合压水堆蒸汽发生器液位控制系统的实际情况，整定流程如图3所示，具体实施步骤如下：

(1)液位控制系统结构等效变换。

压水堆蒸汽发生器液位控制器的结构如图1所示。其方框图如图4所示。其中：p1(s)为给水流量到液位的传递函数；p2(s)为给水流量需求到给水流量的传递函数；p3(s)为蒸汽流量到液位的传递函数；r为液位设定值，y1为液位实际值，y2为给水流量值，u为给水流量需求值，d为蒸汽流量扰动值。将其等效转化为经典的串级三冲量控制系统，如图5所示。

(2)等效串级回路控制器计算

对比如图5所示的等效串级三冲量控制回路与图1所示的原液位控制回路，可以得到副回路控制器w2(s)为：

w2(s)＝c1(s)c2(s)(1)

当t2>t1时，w2(s)近似为pi控制律：

对于主回路，在等效串级回路中，k2/c2(s)和c3(s)构成了微分先行的串级结构pid控制律，主回路控制器w1(s)即为：

(2)对于等效的串级三冲量控制回路，副控制器按照pi控制律进行设计，主控制器按照串形结构pid控制律进行设计，整定得到的控制器为：

令对应项系数相等，可以得到如下的压水堆中控制器参数转化公式为：

k1＝k2,k2＝k1，t1＝t2,t2＝t1,t3＝t3,t4＝αt3(5)

(3)等效串级回路控制回路整定

根据内模控制的设计方法，对于一阶对象：

k为被控对象的增益，τ为被控对象的时间常数，θ为延迟；s为复变量；

设计pi控制器：

其中表示控制器的增益，τc为被控对象的时间常数，时间常数ti＝τ。i＝1,2,3,4；

对于一阶积分对象：

设计pid控制器：

其中时间常数ti＝2τc+θ，td＝τ

或ti＝τ，td＝2τc+θ。，

p1(s)、p2(s)、p3(s)三个传递函数模型分别为：

τ1、τ2、τ3分别为时间常数，z1、z3分别为常数，θ1、θ2、θ3分别表示延迟，κ1、κ2、κ3分别表述传递函数的增益；

由于内模整定法只能整定一个反馈回路，因此先对副回路进行整定，根据式(10)和式(7)，可得副回路控制器为：

其中t2＝τ2，为副回路的期望闭环时间常数。

整定主回路控制器时，将副回路近似为增益为1、时间常数等于内环期望闭环时间常数的一阶环节，即副回路近似为：

由于副回路的速度远大于主回路(即)，因此根据skogestad’shalf准则，p1(s)φ2(s)可近似为：

根据式(9)，主回路控制器可设计为：

其中t3＝τoort1＝τo,为主回路的期望闭环时间常数。

(4)液位控制系统参数整定

根据式(5)、式(11)和式(14)可得原液位控制系统的参数为：

或

采用这两种取值方式设计的主回路控制器，得到的闭环传递函数相同，但动态品质略有差异。当比例系数k1较小时，t1较小，t3较大，比例作用弱，积分和微分作用强，控制器对液位设定值跟踪的效果好，对蒸汽流量扰动的作用较弱、超调量大；反之当比例系数k1较大时，t1较大，t3较小，比例作用强，积分和微分作用弱，控制器对液位设定值跟踪的效果差，但抗扰能力强、超调量小。在实际电厂运行阶段虽然液位设定值基本不发生变化，但液位经常小范围波动，选取比例系数大的会导致控制器频繁动作，因此选取k1较小时的取值方式，即时选第一种取值方式，时选第二种取值方式，防止给水流量经常波动。另外可以根据实际需求选取合适的控制器取值方式。

通过上述步骤即可得到原压水堆蒸汽发生器液位控制器的参数值，上述方法所设计的控制系统，各参数有明确的数值解，控制效果有较强鲁棒性。