一种用于快堆功率和冷却剂出口温度的自抗扰控制方法技术

技术编号:19743848 阅读:18 留言:0更新日期:2018-12-12 04:29
本发明专利技术属于核电站控制技术领域,尤其涉及一种用于快堆功率和冷却剂出口温度的自抗扰控制方法,包括:根据反应堆内中子特性建立点堆动态方程,根据宏观能量守恒定律建立快堆燃料平均温度方程和冷却剂出口温度方程,以及建立控制棒的反应性方程和反应堆总体反应性方程;获得快堆功率及冷却剂出口温度二阶微分方程;设计基于线性扩张状态观测器的自抗扰控制器;确定了扩张状态观测器带宽范围,采用偏差和执行机构动作速度允许范围确定了PD带宽范围;给定系统平衡时的冷却剂出口温度和系统平衡时的快堆功率,进行LADRC参数整定,得到控制器带宽、观测器带宽,确定该反应堆功率控制系统与冷却剂出口温度控制系统,完成自抗扰控制。

【技术实现步骤摘要】
一种用于快堆功率和冷却剂出口温度的自抗扰控制方法
本专利技术属于核电站控制
,尤其涉及一种用于快堆功率和冷却剂出口温度的自抗扰控制方法。
技术介绍
核电站机组是高度复杂的非线性系统,其参数是运行功率、核燃料燃尽程度和控制棒价值的函数,并随时间变化。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。快堆与热堆相比,快堆富集度高,能谱硬,多普勒效应比热堆小,且快堆内瞬发中子寿命很短,缓发中子份额小,反应性扰动下快堆功率变化很快,要求快堆控制系统有更好的瞬态响应特性。现有的大部分反应堆的控制采用常规调节系统,按照基本负荷工作点参数设计。压水堆通常所采用的三通道非线性控制器实际为带非线性增益补偿的PID控制器,但若应用到快堆,则由于其无法兼顾目标跟踪和外扰抑制,导致控制效果不佳。所以,常规控制器的调节性能,在大负荷变动条件下受到挑战。许多其他先进的过程控制方法也在不断出现,比如应用改进遗传规划方法的快堆功率控制,仿真结果表明在不清楚各种反应性反馈和控制棒动作产生反应性的函数关系的情况下,通过训练样本集可自动产生预测估计函数,且收敛快,精度高,控制过程中没有大的波动和振荡,很好地避免了过冲现象。基于滑模控制法的快堆功率控制中,结果表明跟踪输出对外部干扰和参数不确定性不敏感,观察到滑模控制观测器在参数具有不确定性和干扰存在的情况下,拥有令人满意的性能,与传统PID控制器的比较显示出更优秀的功率追踪和抗扰能力。基于Takagi-Sugeno模糊模型的核反应堆功率积分控制系统,仿真结果表明具有较好的跟踪特性,能够在很小的超调和很少的振荡情况下实现零稳态跟踪,而且满足核反应堆运行安全要求。这些控制算法都取得了一定的成效,但由于其大多设计结构复杂且存在参数整定方面难度大等缺点,它们目前尚未得到广泛工程应用。因此,研究一种既结构简单又不完全依赖于系统模型,且鲁棒性强的控制策略,对于提高现有快堆功率控制系统的性能有很大的实际意义。
技术实现思路
针对上述问题,本专利技术提出了一种用于快堆功率和冷却剂出口温度的自抗扰控制方法,包括:S1:根据反应堆内中子特性建立点堆动态方程,根据宏观能量守恒定律建立快堆燃料平均温度方程和冷却剂出口温度方程,以及建立控制棒的反应性方程和反应堆总体反应性方程;S2:根据S1中建立的方程获得快堆功率及冷却剂出口温度二阶微分方程;S3:根据S2中建立的二阶微分方程,设计基于线性扩张状态观测器的自抗扰控制器;S4:根据S2中建立的二阶微分方程的时间尺度参数确定了扩张状态观测器带宽范围,采用偏差和执行机构动作速度允许范围确定了PD带宽范围;S5:给定系统平衡时的冷却剂出口温度和系统平衡时的快堆功率,进行LADRC参数整定,得到控制器带宽、观测器带宽,确定该反应堆功率控制系统与冷却剂出口温度控制系统,完成自抗扰控制。所述点堆动态方程为:其中,nr、ρ、cr、λ、l和β分别是快堆功率、反应性的变化、相对先驱核浓度、衰变常数、瞬发中子寿命和有效缓发中子份额,t为时间;所述快堆燃料平均温度方程为:其中,Tf是燃料温度,ff是快堆中燃料产生功率的份额,P0是额定功率,μf是燃料质量乘以比热容,Ω是燃料和冷却剂之间的热量传输,Tout是冷却剂出口温度,Tin是冷却剂入口温度;所述冷却剂出口温度方程为:其中,μc是冷却剂质量乘以比热容,M是冷却剂的流量乘以钠的比热容;所述控制棒的反应性方程为:其中,ρr是控制棒的反应性,Gr是单位长度控制棒价值,Zr是控制棒棒速;所述反应堆总体反应性方程为:其中,ρ是反应性的变化,Pr(t)是归一化功率,Fr(t)是归一化冷却剂流量,A、B、C是反应性反馈参数,δTin是冷却剂入口温度变化量。所述快堆功率的二阶微分方程为:其中:f为总扰动,δnr、分别是快堆功率变化量及其一阶导数、二阶导数,A、B是反应性反馈参数,l是瞬发中子寿命,β是有效缓发中子份额,λ是衰变常数,Gr是单位长度控制棒价值,Zr是控制棒棒速,δρr是控制棒的反应性变化量。所述冷却剂出口温度二阶微分方程为:其中:f为总扰动,Tout、δTout分别是冷却剂出口温度及其一阶导数、二阶导数、变化量,ff是快堆中燃料产生功率的份额,P0是额定功率,W、分别为冷却剂流量和流量变化量,Mc是冷却剂质量,μc是冷却剂质量乘以比热容,μf是燃料质量乘以比热容,Ω是燃料和冷却剂之间的热量传输,Tin、δTin分别是冷却剂入口温度及其一阶导数、变化量,nr是快堆归一化功率,W0、Tout(0)、Tin(0)分别为流量、冷却剂出口温度、冷却剂入口温度的初值。所述自抗扰控制器为:u0=kp(r-z1)-kdz2则增益取为:比例系数kp=ωc2,微分系数kd=2ωc,u0为PD控制器,u为控制函数,是被控系统的控制信号、r为阶跃信号、z1、z2、z3都是观测器输出,ωc为控制器带宽,b为二阶微分方程里的控制量常数系数。本专利技术的有益效果在于:针对目前铅冷快堆对象没有既简单又能取得良好控制效果的控制器,通过推导将原有模型转化为适合设计自抗扰控制器的非线性模型;并且充分利用模型信息,减轻ESO的复负担;最后通过简单调整带宽,就能容易地得出控制器参数,此控制系统相比预测控制和模糊控制等先进控制算法而言结构更简单,但有更出色的控制效果。附图说明图1是功率控制的LADRC结构示意图。图2是冷却剂出口温度控制的LADRC结构示意图。具体实施方式下面结合附图,对实施例作详细说明。线性自抗扰控制(LinearActiveDisturbanceRejectionControl,LADRC)在许多领域应用的综述和范例,包括精密车床中快速刀具伺服控制、异步电机变频调速控制、不确定时滞系统、船舶航向控制、飞行器姿态控制等等,均显示了自抗扰控制技术的巨大潜力。在发电领域,LADRC也在火电单元机组协调系统、锅炉燃烧和负载频率控制、火电厂主汽温控制系统、核电厂蒸汽发生器水位控制等仿真控制中获得良好的控制效果。本专利技术提出了一种用于铅冷快堆功率的自抗扰控制方法,如图1、2所示,包括:S1:根据反应堆内中子特性建立点堆动态方程,根据宏观能量守恒定律建立快堆燃料平均温度方程和冷却剂出口温度方程,以及建立控制棒的反应性方程和反应堆总体反应性方程;S2:根据S1中建立的方程获得快堆功率及冷却剂出口温度二阶微分方程;S3:根据S2中建立的二阶微分方程,设计基于线性扩张状态观测器的自抗扰控制器;S4:根据S2中建立的二阶微分方程的时间尺度参数确定了扩张状态观测器带宽范围,采用偏差和执行机构动作速度允许范围确定了PD带宽范围;S5:给定系统平衡时的冷却剂出口温度和系统平衡时的快堆功率,进行LADRC参数整定,得到控制器带宽、观测器带宽,确定该反应堆功率控制系统与冷却剂出口温度控制系统,完成自抗扰控制。所述步骤S1具体包括:1)假定反应堆内各点的中子密度随时间的变化特性与空间位置不相关的,把核反应堆近似地看作一个没有空间度量的“点”,得到了如下点堆动态方程(1)、(2);2)根据宏观能量守恒定律,得到快堆的关于燃料平均温度和冷却剂出口温度的两个方程(3)、(4);3)控制棒的反应性方程(5);4)根据核反应堆中的反应性反馈,得到总体的反应性方程(6);其中nr,ρ,cr本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于快堆功率和冷却剂出口温度的自抗扰控制方法,其特征在于,包括:S1:根据反应堆内中子特性建立点堆动态方程,根据宏观能量守恒定律建立快堆燃料平均温度方程和冷却剂出口温度方程,以及建立控制棒的反应性方程和反应堆总体反应性方程;S2:根据S1中建立的方程获得快堆功率及冷却剂出口温度二阶微分方程;S3:根据S2中建立的二阶微分方程,设计基于线性扩张状态观测器的自抗扰控制器;S4:根据S2中建立的二阶微分方程的时间尺度参数确定了扩张状态观测器带宽范围,采用偏差和执行机构动作速度允许范围确定了PD带宽范围;S5:给定系统平衡时的冷却剂出口温度和系统平衡时的快堆功率,进行LADRC参数整定,得到控制器带宽、观测器带宽,确定该反应堆功率控制系统与冷却剂出口温度控制系统,完成自抗扰控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于快堆功率和冷却剂出口温度的自抗扰控制方法,其特征在于,包括:S1:根据反应堆内中子特性建立点堆动态方程,根据宏观能量守恒定律建立快堆燃料平均温度方程和冷却剂出口温度方程,以及建立控制棒的反应性方程和反应堆总体反应性方程;S2:根据S1中建立的方程获得快堆功率及冷却剂出口温度二阶微分方程;S3:根据S2中建立的二阶微分方程,设计基于线性扩张状态观测器的自抗扰控制器;S4:根据S2中建立的二阶微分方程的时间尺度参数确定了扩张状态观测器带宽范围,采用偏差和执行机构动作速度允许范围确定了PD带宽范围;S5:给定系统平衡时的冷却剂出口温度和系统平衡时的快堆功率,进行LADRC参数整定,得到控制器带宽、观测器带宽,确定该反应堆功率控制系统与冷却剂出口温度控制系统,完成自抗扰控制。2.根据权利要求1所述方法,其特征在于,所述点堆动态方程为:其中,nr、ρ、cr、λ、l和β分别是快堆功率、反应性的变化、相对先驱核浓度、衰变常数、瞬发中子寿命和有效缓发中子份额,t为时间;所述快堆燃料平均温度方程为:其中,Tf是燃料温度,ff是快堆中燃料产生功率的份额,P0是额定功率,μf是燃料质量乘以比热容,Ω是燃料和冷却剂之间的热量传输,Tout是冷却剂出口温度,Tin是冷却剂入口温度;所述冷却剂出口温度方程为:其中,μc是冷却剂质量乘以比热容,M是冷却剂的流量乘以钠的比热容;所述控制棒的反应性方程为:其中,ρr是控制棒的反应性,Gr是单位长度控制棒价值,Zr是控制棒棒速;...

【专利技术属性】
技术研发人员:周世梁刘凤鸣刘玉燕沈聪
申请(专利权)人:华北电力大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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