蒸汽發(fā)生器水位神經(jīng)自校正控制研究

陳 杰

（中國(guó)人民解放軍海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海200433）

核動(dòng)力蒸汽發(fā)生器是壓水堆核動(dòng)力裝置中的主要設(shè)備之一，也是把一回路冷卻劑從反應(yīng)堆堆芯帶出的熱量傳給二回路水的關(guān)鍵性設(shè)備。在運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行水位必須控制在一定的范圍內(nèi)。

現(xiàn)在大多數(shù)蒸汽發(fā)生器水位控制是采用傳統(tǒng)PID控制方案的模擬控制系統(tǒng)［1］。傳統(tǒng)的PID控制方法在蒸汽發(fā)生器水位控制過(guò)程中存在著一些缺點(diǎn)［2］。蒸汽發(fā)生器是一個(gè)高度復(fù)雜的非線性時(shí)變的非最小相位系統(tǒng)，具有很大的純滯后，其穩(wěn)定裕度較小。要在變工況運(yùn)行情況下仍獲得良好的控制效果，往往需要改變PID控制器的參數(shù)。由于模擬PID控制器的參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)，其增益也不能調(diào)得過(guò)高，否則會(huì)引起控制系統(tǒng)閉環(huán)不穩(wěn)定，因此難以滿足核動(dòng)力裝置在各種功率情況下的自動(dòng)控制要求。而將PID控制與神經(jīng)元結(jié)合起來(lái)，充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性逼近特性及自學(xué)習(xí)、自組織的能力，在線調(diào)節(jié)PID的三個(gè)系數(shù)，往往能夠有效地克服純滯后和模型時(shí)變的影響［3］。因此，設(shè)計(jì)了蒸汽發(fā)生器單神經(jīng)元PID控制器。

1 單神經(jīng)元控制器的設(shè)計(jì)

單神經(jīng)元自校正PID控制器模型如圖1所示［4］。

圖1 神經(jīng)元PID控制器

圖1 中，r為期望輸出，y為實(shí)際輸出，e為系統(tǒng)誤差信號(hào)，wi（k）為k時(shí)刻的權(quán)重，i＝1，2，3，分別代表PID控制三個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd。X為神經(jīng)元的狀態(tài)量。

這里取3個(gè)狀態(tài)分別是

控制器的輸出可表示為：

式（2）中權(quán)重向量W 和狀態(tài)向量X 內(nèi)積后除以權(quán)重向量的歐幾里德范數(shù)‖W‖，目的是保證控制策略的收斂性，可顯著減少震蕩，增強(qiáng)控制過(guò)程過(guò)渡的平穩(wěn)性。

權(quán)值的學(xué)習(xí)采用聯(lián)想式學(xué)習(xí)策略，該學(xué)習(xí)策略將Hebbian與有監(jiān)督學(xué)習(xí)相結(jié)合，在導(dǎo)師信號(hào)的作用下對(duì)權(quán)值進(jìn)行在線調(diào)整。將輸入狀態(tài)X加到神經(jīng)元的輸入端，同時(shí)將相應(yīng)的期望輸出與實(shí)際輸出相比較得到誤差信號(hào)，以此調(diào)整連接權(quán)值，隨著環(huán)境（包括期望輸出、模型參數(shù)漂移、干擾）不斷地提供輸入狀態(tài)，W 不斷改變。如果環(huán)境發(fā)生變化，W 也隨之改變。這種調(diào)節(jié)過(guò)程可描述為：

式中：ηi——學(xué)習(xí)速率。

比例因子Ku的選擇很重要，Ku值取得大，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，但超調(diào)量大，甚至可能產(chǎn)生震蕩；Ku值取得小，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，Ku值取得太小，有可能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。

2 三沖量控制器的設(shè)計(jì)

壓水堆使用的蒸汽發(fā)生器，其數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)形式為：

式中：y——蒸汽發(fā)生器水位；

QW——給水流量；

Qs——蒸汽流量；

G1（s）——給水流量對(duì)蒸汽發(fā)生器水位的影響；

G2（s）——蒸汽流量（負(fù)荷）對(duì)蒸汽發(fā)生器水位的影響。

考慮汽輪機(jī)輸出功率的隨機(jī)性，蒸汽流量QS（s）也是隨機(jī)的，故應(yīng)將d＝ G2（s）QS（s）看作輸出干擾，而只對(duì)y（s）＝G1（s）QW（s）部分進(jìn)行PID參數(shù)設(shè)計(jì)。

為克服蒸汽發(fā)生器特有的“虛假水位”現(xiàn)象，并有助于消除水位靜態(tài)誤差，必須采用三沖量水位控制系統(tǒng)。所謂三沖量是指控制系統(tǒng)具有三個(gè)輸入量作為控制變量，即汽包水位、蒸汽流量（負(fù)荷）和給水流量。在該系統(tǒng)中，汽包水位為被控變量，是主調(diào)節(jié)信號(hào)，蒸汽流量和給水流量是兩個(gè)輔助調(diào)節(jié)信號(hào)，其實(shí)質(zhì)為前饋加反饋控制系統(tǒng)。蒸汽流量前饋信號(hào)的引入可克服“虛假水位”現(xiàn)象，給水流量反饋信號(hào)的引入則會(huì)克服給水側(cè)的波動(dòng)［5］。

因?yàn)檎羝l(fā)生器是一類(lèi)存在較大純滯后特性和模型不確定性的對(duì)象，傳統(tǒng)的PID三沖量控制器的控制性能不是很優(yōu)。

結(jié)合神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)、自組織的特性，設(shè)計(jì)出蒸汽發(fā)生器單神經(jīng)元自校正PID三沖量控制系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 蒸汽發(fā)生器單神經(jīng)元自校正PID控制系統(tǒng)

圖2 中，K1、K2分別表示給水流量和蒸汽流量的分壓系數(shù)。為保證給水流量能匹配蒸汽流量，K1和 K2取值應(yīng)相等［6］。

3 仿真實(shí)例

某壓水堆蒸汽發(fā)生器模型G1（s）、G2（s）的具體表達(dá)式為［7］：

式中：Ps——額定負(fù)荷。

負(fù)荷在（15%～90%）Ps時(shí)用（6）式及（8）描述；小于15%Ps時(shí)用（7）式及（8）描述。

本例仿真中，控制系統(tǒng)的K1，K2同取為0.5，Ku取值1，PID系數(shù)初始值為采用比例臨界整定法設(shè)計(jì)出的Kp＝32.730 8，Ki＝0.924 1，Kd＝335.922 8。仿真中限制控制量u（即給水流量）在0到額定流量258kg／s之間。仿真采用Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

考慮期望水位在第50s時(shí)由初始的0階躍到2m并保持在2m，接著在第1 000s時(shí)蒸汽流量由100kg／s階躍為150kg／s，當(dāng)采用神經(jīng)元自校正PID控制時(shí)，Kp、Ki、Kd的在線自調(diào)整過(guò)程見(jiàn)圖3，給水流量對(duì)蒸汽流量的跟蹤過(guò)程見(jiàn)圖4，采用神經(jīng)元自校正的PID控制與不加神經(jīng)元的傳統(tǒng)PID控制的性能比較示于圖5。

圖3 Kp、Ki、Kd 的在線調(diào)整過(guò)程

圖4 給水流量對(duì)蒸汽流量的跟蹤

圖5 期望水位、蒸汽流量階躍響應(yīng)圖

可見(jiàn)，與不加神經(jīng)元的傳統(tǒng)PID控制相比，神經(jīng)元自校正的PID控制器超調(diào)量、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間均顯著減少。

4 結(jié)論

本文針對(duì)蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)具有大滯后，模型不確定的特點(diǎn)設(shè)計(jì)單神經(jīng)元自校正控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單方便，對(duì)蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)進(jìn)行了控制，取得了滿意的控制效果。該方法也可用于其他大純滯后和模型時(shí)變的過(guò)程控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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