基于專用仿真機(jī)的核電站汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)整定研究

王潛博

（中廣核工程有限公司，廣東深圳，518124）

0 引言

隨著核電站建設(shè)和運(yùn)行中越來越強(qiáng)調(diào)專業(yè)化和精細(xì)化，近年來開始出現(xiàn)專用仿真機(jī)的趨勢，通過對核電站中某一流程單元甚至單一設(shè)備進(jìn)行深度仿真，提高調(diào)試和運(yùn)行的準(zhǔn)確性和安全性，很好地彌補(bǔ)了通用仿真機(jī)在具體設(shè)備或設(shè)備單元層面不夠?qū)I(yè)的不足[1,2]。基于該專用仿真機(jī)，對汽輪機(jī)的進(jìn)行了控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究。結(jié)果表明，專用仿真機(jī)能滿足現(xiàn)場瞬態(tài)試驗(yàn)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組態(tài)需求。

1 核電站汽輪機(jī)專用仿真機(jī)簡介

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)對整個(gè)核電廠的安全運(yùn)行有著極其重要的意義。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)專用仿真機(jī)的主要功能就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)用于汽輪機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的仿真平臺，提高調(diào)試效率和水平。與傳統(tǒng)的大型全范圍仿真機(jī)相比，該專用仿真機(jī)構(gòu)建更加簡潔，使用和維護(hù)非常簡便和低成本。

仿真測試裝置完成了汽機(jī)控制系統(tǒng)包括汽機(jī)啟停、轉(zhuǎn)速控制、負(fù)荷控制、快速甩負(fù)荷、RunBack、汽機(jī)自動試驗(yàn)、汽機(jī)超速等在內(nèi)的重要機(jī)組控制功能的測試試驗(yàn)，以及汽機(jī)控制系統(tǒng)與其他接口系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)和汽機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)通道校驗(yàn)試驗(yàn)等關(guān)鍵調(diào)試活動。仿真調(diào)試裝置與汽輪機(jī)控制系統(tǒng)連接功能框圖如圖1 所示。

2 基于專用仿真機(jī)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化方法

2.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括實(shí)際轉(zhuǎn)速測量和處理模件、轉(zhuǎn)速設(shè)定值模件以及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器等三大部分，其作用是根據(jù)汽輪機(jī)自啟動程控設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，完成汽輪機(jī)從啟動到中速暖機(jī)、再升至額定轉(zhuǎn)速暖機(jī)到同期并網(wǎng)的轉(zhuǎn)速控制。在這過程中，為了限制汽輪機(jī)的熱應(yīng)力，機(jī)組的升降速率取決于熱應(yīng)力評估模塊，運(yùn)行人員無法手動干預(yù)。另外，根據(jù)功頻一致原理，機(jī)組并網(wǎng)期間也可通過轉(zhuǎn)速控制達(dá)到負(fù)荷控制的目的。

圖1 仿真調(diào)試裝置與汽輪機(jī)控制系統(tǒng)連接功能框圖

汽輪機(jī)自啟動程控發(fā)出暖機(jī)有效指令，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)定為暖機(jī)轉(zhuǎn)速390r/min。延時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定值會按一定的速率逐漸升高，同時(shí)調(diào)門逐漸開啟，主機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速設(shè)定值一起升高。經(jīng)過一定時(shí)間暖機(jī)，程控判斷暖機(jī)結(jié)束并且運(yùn)行人員釋放額定轉(zhuǎn)速后，程控將汽機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)為1515r/min，調(diào)門逐漸開大，汽機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨轉(zhuǎn)速設(shè)定值一起升高。發(fā)出并網(wǎng)請求后，根據(jù)同步升降轉(zhuǎn)速的需要將目標(biāo)轉(zhuǎn)速根據(jù)同期增減信號調(diào)整轉(zhuǎn)速。到并網(wǎng)同步結(jié)束后，目標(biāo)轉(zhuǎn)速切回存儲器中記錄的1515r/min，直到汽機(jī)并網(wǎng)帶負(fù)荷到最小負(fù)荷以上，目標(biāo)轉(zhuǎn)速再切為額定轉(zhuǎn)速值1500r/min。機(jī)組并網(wǎng)后的實(shí)際轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)頻率。

2.2 控制器參數(shù)的整定優(yōu)化

控制器參數(shù)的選擇直接影響到控制系統(tǒng)的控制效果。近年來，控制器參數(shù)的整定技術(shù)越來越受到重視，在工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。經(jīng)調(diào)查，工業(yè)中90%的控制器為PID 控制器，其中大部分的控制性能并不理想，主要原因是控制器參數(shù)存在問題[3]。由于理論本身的局限性和調(diào)試工具的缺乏，目前工業(yè)上的PID 控制器參數(shù)整定仍然常常依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試湊[4]。隨著核安全要求的越來越嚴(yán)格和對核電廠運(yùn)行要求越來越精準(zhǔn)，對大規(guī)模、大容量、高參數(shù)的核電廠控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)確定提出了更高的優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)上的試湊方法不僅無法滿足這些要求，還存在著核安全隱患，況且實(shí)際工作中也不允許操作者進(jìn)行頻繁試湊。因此，研究并開發(fā)一個(gè)能直接服務(wù)于現(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)的控制器參數(shù)整定和優(yōu)化工具具有重大應(yīng)用價(jià)值。

控制器參數(shù)的整定優(yōu)化一般經(jīng)歷四個(gè)步驟：首先，取得用于模型辨識的階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)，這里通過專用仿真機(jī)的階躍試驗(yàn)運(yùn)行來得到；然后利用階躍數(shù)據(jù)通過模型辨識算法如最小二乘算法得到被控對象電動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)模型；第三，運(yùn)用專門的PID 參數(shù)整定算法如繼電器反饋法（Relay-Feedback，RF）進(jìn)行參數(shù)的整定優(yōu)化；最后，進(jìn)行控制器參數(shù)整定優(yōu)化前、后的控制系統(tǒng)性能比較，確定最終的PID 參數(shù)。其中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是采用RF 算法的參數(shù)整定分析。

基于RF 整定PID 參數(shù)的主要思想為用一個(gè)繼電環(huán)節(jié)代替PID 控制器，通過調(diào)節(jié)繼電器的滯環(huán)寬度和繼電器特性幅值，使得被控對象輸出振蕩波形，從而從該圖中獲得輸出波形的頻率和幅度，進(jìn)而計(jì)算臨界點(diǎn)信息（臨界增益Ku 和臨界振蕩周期Tu），最后通過ZN 臨界比例度法獲得PID控制器參數(shù)。基于繼電反饋的單回路PID 控制器參數(shù)整定結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 基于RF 的單回路系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

從圖2 中可以看出，該控制器有兩個(gè)可以相互切換的模態(tài)，當(dāng)操作者感覺需要重新整定PID 控制系數(shù)時(shí)，切換開關(guān)，接通繼電環(huán)節(jié)，進(jìn)入整定模態(tài)。由于繼電特性，在系統(tǒng)穩(wěn)定前，通常會產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的繼電極限環(huán)振蕩，從而可以得到極限頻率 cW 和輸出幅值a。

從傅里葉級數(shù)展開的觀點(diǎn)來看，可以認(rèn)為幅值a 是繼電器輸出的主諧波，因此極限增益可以近似為：

圖3 振蕩臨界點(diǎn)信息的確定其中u 為繼電特性幅值，a為被控對象輸出的振蕩幅值。在設(shè)定時(shí)，只需要調(diào)整一個(gè)參數(shù)，即繼電器的輸出幅值u（注意u 的選取必須綜合考慮辨識和控制性能）。所謂振蕩臨界點(diǎn)，即為繼電器描述函數(shù)的負(fù)倒數(shù)曲線與其奈奎斯特曲線的交點(diǎn)，如圖3 所示。

一旦確定了振蕩臨界點(diǎn)的臨界增益Ku 和臨界振蕩周期Tu，就可以根據(jù)如下經(jīng)過優(yōu)化處理的整定規(guī)則來整定PID參數(shù)，見表1 所示。

表1 原始ZN整定

2.3 PID 參數(shù)整定優(yōu)化

根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在仿真系統(tǒng)中搭建如圖4 所示的RF 整定分析。

圖3 振蕩臨界點(diǎn)信息的確定

圖4 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的RF 整定分析圖

調(diào)節(jié)繼電反饋器的繼電特性幅值，當(dāng)調(diào)節(jié)繼電特性幅值為3 時(shí)，出現(xiàn)如圖5 所示振蕩波形。

由圖可知被控對象輸出的振蕩幅值a 平均為0.6，臨界振蕩周期Tu 為2，可根據(jù)ZN 臨界比例度法整定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)PID 控制器參數(shù)。

2.4 PID 參數(shù)整定的效果分析

將基于繼電反饋法的PID 控制器參數(shù)優(yōu)化值與優(yōu)化前的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)PID 控制參數(shù)值分別投運(yùn)到專用仿真機(jī)，參數(shù)優(yōu)化前后的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為：

為微分增益。

在核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，控制器參數(shù)優(yōu)化前采用的轉(zhuǎn)速控制器類型為PI 控制器，控制器參數(shù)為Kp=1.7，Ki=1.05；轉(zhuǎn)速控制器參數(shù)優(yōu)化前后的控制器參數(shù)值的投運(yùn)效果曲線如圖6 所示。圖中所示，采用基于繼電反饋法優(yōu)化的P 控制器的系統(tǒng)階躍響應(yīng)存在一定的靜差；采用基于繼電反饋法優(yōu)化的PID 控制器的系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)為10%，調(diào)節(jié)時(shí)間為6 秒，不存在靜差；采用基于繼電反饋法優(yōu)化的PI 控制器的系統(tǒng)階躍響應(yīng)不存在超調(diào)和靜差，調(diào)節(jié)時(shí)間為7 秒；采用原始系統(tǒng)的控制器參數(shù)值的系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)為19%，調(diào)節(jié)時(shí)間8 秒，不存在靜差。綜上分析以及圖5 中所示，基于繼電反饋法的PI 控制器參數(shù)優(yōu)化值的控制效果最好，明顯優(yōu)于系統(tǒng)的原始控制器參數(shù)。

圖6 控制器參數(shù)優(yōu)化前后轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)比較

3 結(jié)論

本文利用已建成的專用仿真機(jī)進(jìn)行了控制器參數(shù)的整定優(yōu)化分析工作，整個(gè)整定優(yōu)化過程包括四步，其中采用繼電反饋RF 算法的參數(shù)整定分析是其中關(guān)鍵的一步。通過整定前后的控制性能比較分析，整定效果令人滿意，不僅確定了最優(yōu)的PID 參數(shù)，而且有助于選擇合適的控制器結(jié)構(gòu)。