基于SIMULINK的核反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與仿真

張倬　董化平　孫啟航

【摘 要】在建立核反應(yīng)堆點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過SIMULINK工具搭建反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，進(jìn)行反應(yīng)性擾動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)模型的仿真性能進(jìn)行驗(yàn)證。仿真模型實(shí)現(xiàn)了期望的反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求和結(jié)果。本文工作為進(jìn)一步開展反應(yīng)堆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】核反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)；SIMULINK；建模和仿真；計(jì)算機(jī)控制

0 引言

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于核反應(yīng)堆，最初是從反應(yīng)堆復(fù)雜的科學(xué)計(jì)算研究開始的。因?yàn)橛?jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快、精度高、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)以及邏輯運(yùn)算和判斷的能力，隨著數(shù)字化儀控系統(tǒng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真已越來越廣泛地應(yīng)用于核電廠控制系統(tǒng)研究中。

SIMULINK是MATLAB中用來建模、仿真和分析動(dòng)態(tài)多維系統(tǒng)的交互工具，完全支持圖形用戶界面，用戶只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的拖拽操作就可以構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。因此，利用SIMULINK程序進(jìn)行核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)仿真研究是十分快捷和高效的手段。

本文在核反應(yīng)堆點(diǎn)堆動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制原理，建立反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。通過MATLAB的SIMULINK工具搭建系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行反應(yīng)性擾動(dòng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)的正確性。本文的研究對(duì)反應(yīng)堆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程實(shí)現(xiàn)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

1 控制系統(tǒng)原理及組成

反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制主要由計(jì)算機(jī)、被控對(duì)象、測(cè)量變送和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，其原理框圖如圖1所示。

電位器將采集到的棒位轉(zhuǎn)化為反應(yīng)性變化后引入到模擬反應(yīng)堆的計(jì)算機(jī)中并引起反應(yīng)堆功率的變化，反應(yīng)堆中子通量通過電離室后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這一信號(hào)與定值器比較后將產(chǎn)生的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為變頻器的頻率值以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，電機(jī)通過減速器后控制棒位的升降，棒位的變化被電位器所采集并引入反應(yīng)堆后又將導(dǎo)致功率的變化，形成閉環(huán)。

2 系統(tǒng)建模

2.1 反應(yīng)堆性能指標(biāo)

圖中的階躍信號(hào)用來輸入擾動(dòng)，從兩個(gè)示波器的波形圖就可以分別看到反應(yīng)堆內(nèi)中子通量的變化和控制棒的調(diào)節(jié)情況。另外，由變頻器控制的交流電機(jī)輸出的是速度反饋，而減速器所要采集的卻是位移的變化，所以需要在這兩個(gè)環(huán)節(jié)之間再加上一個(gè)積分環(huán)節(jié)。

3 系統(tǒng)仿真及模型驗(yàn)證

運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型，觀察波形變化圖檢驗(yàn)該模型的仿真性能和它的穩(wěn)定性及合理性等。引入一個(gè)-0.1的棒位階躍擾動(dòng)信號(hào)后，得到反應(yīng)堆內(nèi)中子通量的變化波形圖（見圖3）和控制棒的棒位變化波形圖（見圖4）。

從圖中可以看出，棒位階躍擾動(dòng)引起反應(yīng)堆中子通量迅速增加，由于功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)作用，中子通量變化逐漸收斂穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)控制性能滿足反應(yīng)堆性能指標(biāo)要求。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)核電廠反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行建模和仿真實(shí)驗(yàn)。采用定性分析和定量分析相結(jié)合的方法，建立了控制系統(tǒng)模型，通過SIMULINK工具建模和仿真，對(duì)模型的仿真性能和穩(wěn)定性及合理性進(jìn)行驗(yàn)證。從實(shí)驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出：建立的反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型是可用適用的，實(shí)現(xiàn)了期望反應(yīng)堆功率自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求和結(jié)果。本文的研究具有一定技術(shù)通用性和工程應(yīng)用價(jià)值，為以后進(jìn)一步開展反應(yīng)堆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]