一种基于模型预测控制的空间热离子核电源控制方法技术

一种基于模型预测控制的空间热离子核电源控制方法，主要步骤如下：1、确定空间热离子核电源系统的结构，划分系统节点，建立堆芯及冷却剂、辐射散热系统的微分方程组并给定稳态满功率运行时的初始参数2、计算当前时刻空间热离子核电源的系统参数3、模型预测控制器输入空间热离子核电源的系统参数并计算控制数据4、控制转鼓模块根据控制数据计算控制转鼓的角度以及反应性5、空间热离子核电源系统微分方程组输入控制转鼓的反应性并返回到步骤2进行下一时间步的计算，得到系统的在下一时间步的运行参数；本发明专利技术的方法可以实现针对热离子空间核电源的高保真控制，所采用的模型预测控制器具有更加优越的控制性能。控制器具有更加优越的控制性能。控制器具有更加优越的控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的空间热离子核电源控制方法


[0001]本专利技术涉及空间核反应堆电源，具体涉及一种基于模型预测控制的空间热离子核电源控制方法。

技术介绍

[0002]随着未来太空探索任务需求的提高，空间核反应堆电源(Space NuclearReactor Power System)是未来太空能源的主要研究方向。相比传统太阳能电源，空间核反应堆电源可以实现大功率供电，并具有良好的环境适应性。20世纪50 年代以来，世界主要国家都针对空间核电源进行了研究，其中以美国和俄罗斯的研究水平最为先进。空间核电源具有两种能量转换方式：静态转换(热电偶转换、热离子转换、碱金属转换等)和动态转换(朗肯循环、布雷顿循环和斯特林循环)，前者的发展较为成熟，后者仍在研发阶段。俄罗斯于1987年成功发射两颗TOPAZ 型热离子空间核反应堆电源，是迄今为止成功运行的最先进的设计。
[0003]空间核电源运行在无人干预的太空环境中，大多采用控制转鼓实现功率控制，与地面堆常用的控制棒差异较大且没有完备的事故应急系统。此外，空间核电源工作在低重力或无重力的环境中，无法依靠重力实现自然循环。因此，空间核电源需要配置良好的自动控制系统，以较小的调节时间和超调量实现正常运行时的功率调节和事故工况下的应急控制，而基于传统PID控制器的自动控制系统较难获得良好的控制性能。

技术实现思路

[0004]为了克服上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于模型预测控制的空间热离子核电源控制方法，采用高精度的空间热离子核电源系统模型，并建立基于增量式点堆方程的模型预测控制器。采用模型预测控制器，可以预测热离子空间核电源的被控变量在未来一段时间内的变化，给出最优化的控制数据，实现良好的控制性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取了以下技术方案：
[0006]一种基于模型预测控制的空间热离子核电源控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：确定空间热离子核电源系统的结构，针对堆芯、冷却剂系统、辐射散热器划分计算节点，并分别建立非线性微分方程组，得到空间热离子核电源系统的物理模型；
[0008]空间热离子核电源系统的堆芯区域由热离子燃料元件、ZrH慢化剂和BeO反射层组成；
[0009]热离子燃料元件由燃料芯块、发射极、接收极、冷却剂套管组成，燃料芯块裂变功率由下式计算：
[0010][0045][0046]式中：
[0047]Δp
g，i
——重力压降/Pa
[0048]Δp
a，i
——加速压降/Pa
[0049]Δp
f，i
——摩擦压降/Pa
[0050]Δp
c，i
——局部阻力损失/Pa
[0051]l
i
——控制体长度/m
[0052]A
i
——控制体流通面积/m2[0053][0054]式中：
[0055]ρ
f
——冷却剂密度/kg
·
m
‑3[0056]——k时刻主控制体i的焓值/J
·
kg
‑1[0057]Δt——时间步长/s
[0058]q
i
——主控制体i表面热流密度/W
·
m
‑2[0059]U
i
——主控制体i加热周长/m
[0060]辐射散热器采用热管式设计，针对热管建立热阻网络方程，简化后考虑蒸发段管壁径向导热热阻R1，蒸发段管壁与吸液芯的导热热阻R2，冷凝段吸液芯与管壁的导热热阻R3，冷凝段管壁径向导热热阻R4：
[0061][0062]式中：
[0063]D
o
——热管管壁外径/m
[0064]D
i
——热管管壁内径/m
[0065]λ
c
——热管管壁热导率/W
·
m
‑1·
K
‑1[0066]L
eva
——蒸发段长度/m
[0067][0068]式中：
[0069]D
v
——蒸汽区直径/m
[0070]λ
w
——吸液芯热导率/W
·
m
‑1·
K
‑1[0071][0072]式中：L
con
——冷凝段长度/m
[0073][0074]由式(1)
‑
(10)，得到空间热离子核电源系统的物理模型；针对建立好的空间热离子核电源系统的物理模型，给定初始运行条件，t＝0时，系统处于稳态满功率运行状态；
[0075]步骤2：针对空间热离子核电源系统的物理模型进行一个时间步的瞬态计算，得到当前时刻的系统参数以及被控变量；
[0076]步骤3：空间热离子核电源系统采用模型预测控制器实现功率控制；模型预测控制器输入空间热离子核电源系统的被控变量以及给定的被控变量参考值，经模型预测控制器内部的简化模型计算后给出控制数据，并将控制数据传递到步骤 4的控制转鼓模块；
[0077]模型预测控制器主要由内部的简化模型以及代价函数构成；在每个时间步长内，模型预测控制器基于内部简化模型进行预先计算，估计空间热离子核电源系统未来一段时间的状态；采用代价函数评价空间热离子核电源系统的状态，通过求解使代价函数最小的最优化问题，得出控制数据；
[0078]模型预测控制器内部的简化模型采用线性化的点堆增量方程如下：
[0079][0080]式中：
[0081]ΔP——核功率增量/W
[0082]ρ0——初始反应性
[0083]P0——初始热功率/W
[0084]Δρ——反应性增量
[0085]ΔC
i
——缓发中子先驱核浓度增量
[0086]针对反应性反馈，采用系统辨识的方法拟合得到反应性反馈传递函数：
[0087][0088]式中：
[0089]G(s)——反应性反馈传递函数
[0090]结合式(11)与式(12)，将模型预测控制器内部的简化模型表达为离散的状态空间形式：
[0091][0092]式中：
[0093]x(k)——k时刻简化模型的状态变量；
[0094]x(k+1)——k+1时刻简化模型的状态变量；
[0095]u(k)——k时刻简化模型的控制数据；
[0096]y(k)——k时刻简化模型的输出量；
[0097]A，B，C——各变量对应的状态矩阵
[0098]在k时刻考虑到未来k+p时刻简化模型的状态变量以及未来k+c时刻的控制数据输入，并采用状态空间形式定义未来k+p时刻内部简化模型的状态变量序列和未来k+c时刻的控制数据序列：
[0099]X(k)＝[x(k|k)x(k+1|k)
…
x(k+c|k)
…
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
T
i
——第i个控制体温度/KQ
gen
——第i个控制体产生热量/WQ
in
——第i个控制体输入热量/WQ
out
——第i个控制体输出热量/W冷却剂系统中的冷却剂采用钠钾合金，沿轴向划分若干控制体，列出以下控制方程：W
i
＝W
in
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：W
i
——冷却剂通道内第i个控制体的质量流量/kg
·
s
‑1W
in
——冷却剂通道进口质量流量/kg
·
s
‑1式中：Δp
g，i
——重力压降/PaΔp
a，i
——加速压降/PaΔp
f，i
——摩擦压降/PaΔp
c，i
——局部阻力损失/Pal
i
——控制体长度/mA
i
——控制体流通面积/m2式中：ρ
f
——冷却剂密度/kg
·
m
‑3——k时刻主控制体i的焓值/J
·
kg
‑1Δt——时间步长/sq
i
——主控制体i表面热流密度/W
·
m
‑2U
i
——主控制体i加热周长/m辐射散热器采用热管式设计，针对热管建立热阻网络方程，简化后考虑蒸发段管壁径向导热热阻R1，蒸发段管壁与吸液芯的导热热阻R2，冷凝段吸液芯与管壁的导热热阻R3，冷凝段管壁径向导热热阻R4：式中：D
o
——热管管壁外径/mD
i
——热管管壁内径/mλ
c
——热管管壁热导率/W
·
m
‑1·
K
‑1L
eva
——蒸发段长度/m式中：
D
v
——蒸汽区直径/mλ
w
——吸液芯热导率/W
·
m
‑1·
K
‑1式中：L
con
——冷凝段长度/m由式(1)
‑
(10)，得到空间热离子核电源系统的物理模型；针对建立好的空间热离子核电源系统的物理模型，给定初始运行条件，t＝0时，系统处于稳态满功率运行状态；步骤2：针对空间热离子核电源系统的物理模型进行一个时间步的瞬态计算，得到当前时刻的系统参数以及被控变量；步骤3：空间热离子核电源系统采用模型预测控制器实现功率控制；模型预测控制器输入空间热离子核电源系统的被控变量以及给定的被控变量参考值，经模型预测控制器内部的简化模型计算后给出控制数据，并将控制数据传递到步骤4的控制转鼓模块；模型预测控制器主要由内部的简化模型以及代价函数构成；在每个时间步长内，模型预测控制器基于内部简化模型进行预先计算，估计空间热离子核电源系统未来一段时间的状态；采用代价函数评价空间热离子核电源系统的状态，通过求解使代价函数最小的最优化问题，得出控制数据；模型预测控制器内部的简化模型采用线性化的点堆增量方程如下：式中：ΔP——核功率增量/Wρ0——初始反应性P0——初始热功率/WΔρ——反应性增量ΔC
i
——缓发中子先驱核浓度增量针对反应性反馈，采用系统辨识的方法拟合得到反应性反馈传递函数：式中：G(s)——反应性反馈传递函数结合式(11)与式(12)，将模型预测控制器内部的简化模型表达为离散的状态空间形式：
式...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏光辉，傅江涵，金钊，王成龙，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：