核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略探討

孟安軍

【摘 要】作為系統(tǒng)控制的重要環(huán)節(jié)，功率控制協(xié)調(diào)策略的應(yīng)用將直接影響核反應(yīng)堆運行的安全性和經(jīng)濟性。本文首先介紹了核反應(yīng)堆功率控制理論基礎(chǔ)，然后具體探討了核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略，以期為相關(guān)技術(shù)與研究人員提供參考。

【關(guān)鍵詞】核反應(yīng)堆；功率；控制協(xié)調(diào)策略

核電廠的功率控制系統(tǒng)一般包含核反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)、核反應(yīng)堆冷卻劑溫度控制系統(tǒng)及化學(xué)與容積控制系統(tǒng)。而核電廠功率控制系統(tǒng)對于改善核反應(yīng)堆的升降、停堆和啟動功率及保持核反應(yīng)堆運行的穩(wěn)定性等具有重要影響。尤其是做好功率控制協(xié)調(diào)，可確保核反應(yīng)堆保持經(jīng)濟、安全的運行狀態(tài)。對功率分布及功率控制協(xié)調(diào)須實現(xiàn)剩余反應(yīng)性的消除，以彌補運行中因中毒、溫度變化等造成的反應(yīng)性變化。因此，加強有關(guān)核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略的探討，對于提高核反應(yīng)功率控制質(zhì)量具有重要的現(xiàn)實意義。

1 核反應(yīng)堆功率控制理論基礎(chǔ)

1.1 狀態(tài)反饋

線性狀態(tài)反饋控制率的公式為：

u=Lv-Kx

其中：K表示p*n階狀態(tài)反饋增益矩陣，其屬于實常數(shù)矩陣；v表示p維控制輸入量；L表示p*p維非奇異常數(shù)據(jù)陣，其屬于常數(shù)變換矩陣。將此公式代入原系統(tǒng)獲得的閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)空間表達式可為：

x=（A-BK）x+BLv

y=Cx

由此分析狀態(tài)反饋的基本性質(zhì)為：（1）輸出反饋可作為狀態(tài)反饋的特例，如當(dāng)K與HC相等時，則Kx也等于Hy，這時狀態(tài)反饋與輸出反饋相互等價；（2）若輸入變換矩陣的L與I相等時，也就是未對輸入進行變換時，則可將其稱為基本的狀態(tài)變量反饋；（3）依據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)陣可求解出狀態(tài)反饋對閉環(huán)傳遞函數(shù)陣的作用。[1]

1.2 極點配置

作為控制系統(tǒng)的一類有效指標(biāo)設(shè)計，線性系統(tǒng)的極點配置主要以某定常系統(tǒng)為目標(biāo)，構(gòu)造某類線性定?？刂坡?，以促使閉環(huán)系統(tǒng)形成期望的一組極點。此種指標(biāo)的基礎(chǔ)通常包含兩方面：一是系統(tǒng)的極點控制系統(tǒng)響應(yīng)速率；二是系統(tǒng)的極點控制系統(tǒng)漸進穩(wěn)定性。在進行極點配置時若采用狀態(tài)反饋方式，應(yīng)先考慮是否能利用狀態(tài)反饋開展任意節(jié)點配置，也就是在何種狀態(tài)下才能利用狀態(tài)反饋將系統(tǒng)閉環(huán)極點設(shè)置在各種期望的位點上；然后需要考慮此種狀態(tài)反饋的實現(xiàn)方式。

一般系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式為：

x=Ax+Bu

y=Cx+Du

采用狀態(tài)反饋u=-Kx+v將此類系統(tǒng)的閉環(huán)極點設(shè)置在各種指定位置的基本前提是此類系統(tǒng)具有完全的可控性。

1.3 線性矩陣不等式

在多數(shù)系統(tǒng)控制問題中，問題變量多采用矩陣形式表示。常見的標(biāo)準(zhǔn)線性不等式問題主要有三種。假設(shè)F、Ф與P是關(guān)于變量x的對稱矩陣值放射函數(shù)，c表示設(shè)定的常數(shù)向量。

（1）特征值問題：此問題是以線性矩陣不等式為限制條件，求矩陣P（x）的最大特征值的最小化問題或檢測問題的限制條件能否可行。其一般形式可表示為：

minλ

s.t.P（X）<λI

θ（x）<0

（2）廣義特征值問題：此問題是以線性矩陣不等式為限制標(biāo)間，求兩個仿射矩陣函數(shù)的最大廣義特征值的最小化問題。其一般形式可表示為：

minλ

s.t.P（X）<λI

F（x）>0

θ（x）<0

（3）可行性問題：在設(shè)定的線性矩陣不等式F（x）<0的條件下，確定是否有x使F（x）<0的限制條件成立，此種問題便稱為線性矩陣不等式的可行性問題。若含有此種x，那么此矩陣不等式是可行的，相反則表示此矩陣不等式不可行。[2]

2 核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略

2.1 反應(yīng)堆功率控制調(diào)節(jié)方法

2.1.1 PID控制器

PID控制是指依照偏差的微分D、積分I和比例P實施控制。此種控制方法具有較高的可靠性和魯棒性，且算法簡便，在不同工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)控制中均獲得了較好的控制效果。依據(jù)實踐結(jié)果，可選用冷卻劑平均溫度PID控制器和功率PID控制器開展功率調(diào)節(jié)。PID控制器選用數(shù)字PID控制中的增量算式。在降功率與升功率條件下，選用經(jīng)驗調(diào)節(jié)方式，先對比例系數(shù)進行調(diào)整，然后依次分別是積分分?jǐn)?shù)和微分分?jǐn)?shù)，由此獲得降功率與升功率兩部分PID的參數(shù)。因PID控制器并非以系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，所以按照以上參數(shù)設(shè)置的PID控制器在不同工作條件下都具有較好的控制效果，而當(dāng)反應(yīng)堆工作狀況與調(diào)節(jié)工況偏差過大時，控制效果便會明顯減弱。

依據(jù)實際仿真效果數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，升功率時功率在保持穩(wěn)定后不出現(xiàn)震蕩，冷卻劑溫度的漂移量一般控制在0.2℃以下，而降功率的控制效果低于升功率，降功率時功率在達到設(shè)定值后會先產(chǎn)生震蕩然后趨于穩(wěn)定，冷卻劑溫度的漂移量則升高至1.1℃。造成此種狀況是因為PID控制參數(shù)主要是依據(jù)升功率工況進行調(diào)節(jié)，所以升功率控制效果要好于降功率。

2.1.2 專家PID控制器

專揀控制是指模擬人工智能將人為對事件的主觀信念納入到控制系統(tǒng)中，按照高水平操作員的經(jīng)驗或經(jīng)驗規(guī)則完成系統(tǒng)管控。而專家PID控制便是將PID控制與專家控制規(guī)則相結(jié)合，其不僅具備傳統(tǒng)PID控制的穩(wěn)定性優(yōu)勢，且具備專家控制的智能性。在控制時主要依據(jù)專家調(diào)整變量的經(jīng)驗或?qū)＜抑R對PID控制器內(nèi)的微分、積分和比例實施有效整定，以大幅度提升PID控制的動態(tài)性。而恰當(dāng)設(shè)定和應(yīng)用此類經(jīng)驗規(guī)則是專家PID控制器設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)用中可依據(jù)核反應(yīng)堆功率系統(tǒng)的實際運行規(guī)律按照控制需求對系統(tǒng)變化速率和超調(diào)量實施控制，直至實現(xiàn)反應(yīng)堆的功率調(diào)控。此種方案不但能充分利用PID控制器的穩(wěn)定、簡捷和易于現(xiàn)場操作的特點，還能將專家控制規(guī)則不受被控對象數(shù)學(xué)模型影響的特點有效集成，由此可極大提升系統(tǒng)控制質(zhì)量。

2.2 功率控制與功率分布的協(xié)調(diào)

2.2.1 設(shè)定運行的目標(biāo)區(qū)域

在設(shè)定反應(yīng)堆工作的目標(biāo)區(qū)域時，可選用常軸向偏移法，目標(biāo)值A(chǔ)Oref會與堆芯壽命期限協(xié)同變化。如在對堆芯壽命周期末進行仿真時，可選取目標(biāo)值A(chǔ)Oref為5%，將其納入到算法中求得工作中軸向功率偏差的目標(biāo)值ΔIref，隨后畫圖便能得出實際的功率運行目標(biāo)區(qū)域。

2.2.2 功率分布調(diào)節(jié)

可使用雙堆數(shù)學(xué)模型對反應(yīng)堆堆芯活性區(qū)進行劃分，得到的上下部分各選用六組緩發(fā)中子的點堆子動力學(xué)方程控制，通過功率分布系統(tǒng)便能實時檢測上下兩個點堆的功率狀況，然后利用算法求得軸向偏移；再與實際功率水平相結(jié)合共同代入到運行帶中檢測能否滿足運行標(biāo)準(zhǔn)。若滿足則繼續(xù)開展功率調(diào)控，若不滿足，則先壓低功率變化幅度，再對功率分布是否符合梯形圖要求進行檢測，由此循環(huán)監(jiān)控，以確保工作過程中功率分布符合安全運行標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 軸向偏移控制

選用上述功率分布調(diào)節(jié)方式，依據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)功率由20%上升至100%時加入?yún)f(xié)調(diào)控制反應(yīng)堆的軸向偏差更低，其運行的穩(wěn)定性與安全性更有保障。[3]

3 結(jié)束語

功率控制協(xié)調(diào)策略的應(yīng)用質(zhì)量將直接關(guān)系著核反應(yīng)堆的整體運行質(zhì)量和效益，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強有關(guān)核反應(yīng)堆功率控制協(xié)調(diào)策略的研究，總結(jié)核反應(yīng)堆功率控制措施及關(guān)鍵技術(shù)處理方法，以逐步提升核反應(yīng)堆功率運行水平。

【參考文獻】

[1]趙偉寧.核反應(yīng)堆功率的模糊最優(yōu)控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工程大學(xué) 2013，13（14）：74-75.

[2]劉妍.一體化反應(yīng)堆協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2013，6（10）：61-62.

[3]劉沖，周劍良，譚平.基于數(shù)字化控制的核電站反應(yīng)堆功率控制系統(tǒng)[J].南華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，5（35）：57-58.

[責(zé)任編輯：湯靜]