模糊PID算法在數(shù)字化棒控系統(tǒng)中的應(yīng)用

賀　新　 楊　鍇

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院1，上海　200240；上海工業(yè)自動化儀表研究院2， 上?！?00233)

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模糊PID算法在數(shù)字化棒控系統(tǒng)中的應(yīng)用

賀新1楊鍇2

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院1，上海200240；上海工業(yè)自動化儀表研究院2， 上海200233)

摘要：數(shù)字化棒控系統(tǒng)是核電站控制系統(tǒng)的重要組成部分。在冷態(tài)工況和熱態(tài)工況下，溫度的變化會導(dǎo)致驅(qū)動機(jī)構(gòu)的參數(shù)發(fā)生變化，這將最終影響棒控系統(tǒng)的控制性能。研究了現(xiàn)有棒控系統(tǒng)，歸納總結(jié)了數(shù)字化棒控系統(tǒng)在核電站控制過程中所參與的三個控制回路，并對受溫度影響最大的電流控制回路進(jìn)行Matlab仿真。為解決溫度對控制回路的影響，引入了模糊PID算法并加以改進(jìn)，通過算法仿真進(jìn)行驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證了模糊PID在數(shù)字化棒控系統(tǒng)中的可用性。

關(guān)鍵詞：核電站數(shù)字化棒控系統(tǒng)傳感器控制系統(tǒng)控制回路驅(qū)動機(jī)構(gòu)模糊PID算法三相半波整流

0引言

數(shù)字化棒控系統(tǒng)主要通過調(diào)節(jié)供給驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電流來實(shí)現(xiàn)移動控制棒的目的，是核電站控制系統(tǒng)的重要組成部分。隨著時代的進(jìn)步，棒控系統(tǒng)已完成從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變[1]，這就解決了原系統(tǒng)中信號通信不便、系統(tǒng)繁雜、不易維護(hù)等缺點(diǎn)，并提高了棒控系統(tǒng)的可用性和可靠性[2]。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，并沒有給出棒控系統(tǒng)的物理模型，且在現(xiàn)場調(diào)試過程中總要進(jìn)行冷態(tài)參數(shù)調(diào)整和熱態(tài)參數(shù)調(diào)整等多次現(xiàn)場調(diào)試[3]，增加了調(diào)試?yán)щy。本文針對該問題進(jìn)行了探討。

1控制回路

在電站模型中，數(shù)字化棒控系統(tǒng)主要參與電流控制。本文對現(xiàn)有核電站中的棒控系統(tǒng)進(jìn)行歸納總結(jié)，最終推理得出數(shù)字化棒控系統(tǒng)所參與的三種控制回路。

數(shù)字化棒控系統(tǒng)[4]的核心是電流控制回路，目前核電站采用的電流控制回路如圖1所示。將邏輯指令生成的模板電流作為輸入、霍爾傳感器采樣的電流作為反饋，通過控制算法(多為PID算法)計算出控制導(dǎo)通角，最終通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成對電流的控制，實(shí)現(xiàn)對步動作的控制。

圖1　電流控制回路Fig.1　Current controlloop

除電流控制回路之外，數(shù)字化棒控系統(tǒng)也參與核電站的兩大控制回路。溫度控制回路是一個閉環(huán)回路，如圖2所示。其根據(jù)平均溫度設(shè)置點(diǎn)和反饋溫度的偏差，通過電站控制系統(tǒng)計算后向數(shù)字化棒控系統(tǒng)發(fā)送方向和速度指令，并移動控制棒來實(shí)現(xiàn)對核電站回路中溫度的控制。功率控制回路也是一個典型的負(fù)反饋回路，對核電站的功率定值和反饋值求差并發(fā)送給電站控制系統(tǒng)。功率控制回路如圖3所示。同時，根據(jù)控制棒的位置信息，電站控制系統(tǒng)會輸出相應(yīng)的方向和速度指令，數(shù)字化棒控系統(tǒng)將根據(jù)這些指令完成控制棒的移動控制，最終實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)堆功率的控制。

圖2　溫度控制回路Fig.2　Temperature controlloop

圖3　功率控制回路Fig.3　Power controlloop

2算法仿真

數(shù)字化棒控系統(tǒng)中的電流控制多采用PID算法[5]，而在之前的工程應(yīng)用中，工程師必須將棒控系統(tǒng)連接至真實(shí)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)后，才能進(jìn)行PID參數(shù)的整定，這就增加了現(xiàn)場操作的難度，并且會耗費(fèi)很長時間，嚴(yán)重時甚至?xí)涎庸て?。為了避免這種情況發(fā)生，可以對算法進(jìn)行仿真，調(diào)試出大致的PID參數(shù)，為以后工程應(yīng)用提供參考。秦山核電站的電流調(diào)節(jié)原理圖如圖4所示。

圖4　電流調(diào)節(jié)原理圖Fig.4　Current regulation principle

控制組件根據(jù)偏差P產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)角度，過零檢測電路可以準(zhǔn)確地判斷觸發(fā)起始點(diǎn)。從該點(diǎn)開始計時，當(dāng)?shù)竭_(dá)相應(yīng)的觸發(fā)角度時，控制組件會向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)送一個脈沖信號來導(dǎo)通晶閘管，從而完成對電流的控制。根據(jù)該原理[6]，可以通過Matlab建立一個仿真模型[7]，如圖5所示。

圖5　算法仿真模型Fig.5　Algorithm simulation model

3算法的不足

在電流控制回路中，數(shù)字化棒控系統(tǒng)的最終負(fù)載為驅(qū)動線圈。該線圈相當(dāng)于一個電阻和電感的串聯(lián)。由于阻性負(fù)載會隨溫度的變化而發(fā)生較大的變化，這將影響控制的性能，因此在現(xiàn)場調(diào)試過程中要進(jìn)行冷態(tài)調(diào)試和熱態(tài)調(diào)試等多次調(diào)試。一組提升線圈在不同溫度下的電阻值和電感值如表1所示。

表1　電阻和電感變化表Tab.1　Variation of resistance and inductance

由表1可以看出，電阻在200 ℃時的阻值是在0 ℃時的1.85倍。通過算法仿真模型進(jìn)行算法驗(yàn)證，先設(shè)置電阻電感值為0 ℃時的數(shù)值，在經(jīng)過PID參數(shù)整定后，將電阻電感值改為200 ℃時的數(shù)值，并進(jìn)行仿真。仿真發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差明顯增大，嚴(yán)重時，該處電流可能會由于下降過多而無法控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)。重新整定PID參數(shù)，待系統(tǒng)平穩(wěn)后，再將電阻電感值改為0 ℃時的數(shù)值并仿真，可以發(fā)現(xiàn)超調(diào)量將會超出要求。通過上述仿真可知，不同溫度下的PID參數(shù)是不能通用的，因此，在工程應(yīng)用中，需要分別在冷態(tài)和熱態(tài)情況下對PID參數(shù)進(jìn)行整定。這就加重了調(diào)試的工作量，也增加了在核電站運(yùn)行過程中因溫度變化造成的棒控系統(tǒng)風(fēng)險。

4算法改進(jìn)

穩(wěn)態(tài)誤差隨溫度上升變化曲線和超調(diào)量隨溫度下降變化曲線分別如圖6和圖7所示。

為了解決溫度對棒控系統(tǒng)的影響，本文將引入模糊PID控制器，根據(jù)溫度的變化來實(shí)時地進(jìn)行PID參數(shù)整定，從而使棒控系統(tǒng)在核電站運(yùn)行過程中不會因環(huán)境溫度的變化而導(dǎo)致控制性能的下降。

圖6　穩(wěn)態(tài)誤差隨溫度上升變化曲線Fig.6　Curves of the change of steady state error as the temperature rises

圖7　超調(diào)量隨溫度下降變化曲線Fig.7　Curves of the change of overshoot as the temperature decreases

模糊控制器取溫度變量作為輸入，根據(jù)電阻值隨溫度變化的函數(shù)設(shè)置三組隸屬度函數(shù)，并根據(jù)多次

PID仿真結(jié)果設(shè)置模糊控制規(guī)則，將溫度信息變成需要的P、I、D參數(shù)。此時，這些參數(shù)將會隨溫度的變化而發(fā)生變化，最終完成控制性能的優(yōu)化。將模糊控制器加入到Matlab仿真中，并添加溫度信號作為一個新的反饋量；通過仿真發(fā)現(xiàn)，在0 ℃和200 ℃兩種情況下，經(jīng)模糊PID控制器進(jìn)行整流的電流波形與模板電流幾乎一致。

5結(jié)束語

通過上述仿真驗(yàn)證結(jié)果可以判斷，引入模糊PID算法，能夠降低數(shù)字化棒控系統(tǒng)因溫度變化而產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差和過度超調(diào)量。而在實(shí)際核電站中，驅(qū)動機(jī)構(gòu)附近的溫度是可測的，因此只要將此溫度信號反饋給數(shù)字化棒控系統(tǒng)，并使用模糊PID算法進(jìn)行PID參數(shù)整定，便能夠?qū)崿F(xiàn)棒控系統(tǒng)在冷態(tài)工況和熱態(tài)工況下的自動控制。這將縮減現(xiàn)場工程人員進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)的工作量，也將減少驅(qū)動機(jī)構(gòu)因輸出電流波形不標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生的損耗，同時也提升了棒控系統(tǒng)在全電站運(yùn)行情況下的可靠性和安全性。

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中圖分類號：TH-39;TP273+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201607017

Application of the Fuzzy PID Algorithm in Digitized Rod Control System

Abstract：Digitized rod control system (DRCS) is an important part of control system nuclear power plant.Control performance would be changed because the parameters of drive mechanism are affected by the temperature variation of the cold conditions and hot conditions of the unit.The existing rod control systems are researched,three of the control loops that DRCS involves in process of NPP are summarized,and the current control loop which is mostly affected by temperature is simulated with Matlab.To solve the influence of temperature on the control loop,the fuzzy PID algorithm is introduced and improved,and it is verified by algorithm simulation.The simulation verifies the availability of fuzzy PID algorithm in DRCS.

Keywords:Nuclear power plantDigitized rod control systemSensorControl systemControl loopDrive mechanismFuzzy PID algorithmThree-phase half-wave rectification

修改稿收到日期：2015-11-16。

第一作者賀新(1987— )，男，現(xiàn)為上海交通大學(xué)工業(yè)自動化專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事數(shù)字化棒控棒位系統(tǒng)的研究。