積分飽和對核電廠運行的影響及解決方法

薛闖

摘 ?要：核電廠的自動控制系統(tǒng)多為PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，為了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精確性加入了積分環(huán)節(jié)。但積分在工程應(yīng)用中存在積分飽和問題，文中介紹了核電廠中積分飽和給運行帶來的不利影響，以及應(yīng)該采取的相應(yīng)措施。對核電廠的正常運行起到一定的借鑒意義，在機組上具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：PI;積分飽和;運行;手動

Abstract：Most of Automatic control system are PI or PID control system in nuclear power plant.For system control precision，we joined the integral link.But there are the integral saturation problems in engineering application.This paper introduces the negative influence of integral saturation in the nuclear power plant to run，and should take the corresponding measures.It have some reference to the normal operation of the plant，on the unit has a certain practical value.

Keywords：PI;integral saturation;running;manual

1.積分飽和現(xiàn)象簡介

1.1積分飽和的概念

在執(zhí)行機構(gòu)的調(diào)節(jié)器存在積分作用時，如果執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，調(diào)節(jié)器輸出的運算結(jié)果將繼續(xù)增大或減小，但執(zhí)行機構(gòu)只能輸出最大值或最小值;當(dāng)偏差反向變化時，由于積分項的累積值已很大，需要一段時間才能脫離飽和區(qū)，執(zhí)行機構(gòu)才能動作，這樣系統(tǒng)會出現(xiàn)明顯的超調(diào)，這就是積分飽和現(xiàn)象。

1.2積分飽和產(chǎn)生的原因[1]

積分調(diào)節(jié)器的輸出μ（t）與其偏差輸入信號e（t）隨時間的累積值成正比，即u（t）=（1/Ti）∫e（t）dt

式中Ti為積分時間常數(shù)，積分時間越小，控制作用越強;反之，控制作用越弱。

積分控制器的輸出不僅輸入的偏差大小有關(guān)，而且與偏差存在的時間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會不斷累積，一直偏差為0，累積才會停止。所以，積分控制的作用就是可以消除誤差。但是，積分作用存在控制不及時的缺點，因為u（t）是隨著e（t）逐漸累積的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化;再比如本文重點講到的積分飽和引起的響應(yīng)滯后問題。

下面結(jié)合圖一和圖二介紹下積分飽和產(chǎn)生的原因。

各執(zhí)行機構(gòu)（如閥門）是由調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動控制的，而調(diào)節(jié)系統(tǒng)中往往包含有積分環(huán)節(jié)來消除誤差，從而提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精度。然而積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)過量會引起積分飽和，帶來調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后的問題。如圖一所示，當(dāng)輸入量e（t）不為0（假設(shè)大于0）即系統(tǒng)存在偏差時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出u（t）便開始隨著積分累積而逐漸增加，時間越長，u（t）也越大，閥門也會開的越大。當(dāng)閥門開到100%的開度時，若e（t）仍大于0，這時u（t）的繼續(xù)增加將不會導(dǎo)致閥門的繼續(xù)開大，調(diào)節(jié)器進入飽和狀態(tài)，輸出u（t）的飽和狀態(tài)即為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的積分飽和，時間越長，調(diào)節(jié)器的飽和程度越深。當(dāng)e（t）=0時，u（t）不再增加，但也不會減小，調(diào)節(jié)器仍處于積分飽和狀態(tài);當(dāng)e（t）<0時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要閥門立即關(guān)小，但此時調(diào)節(jié)器的積分飽和積分部分才開始減小，直到飽和部分抵消即u（t）回到100%以內(nèi)后，閥門才能開始動作，這樣積分飽和就引起了響應(yīng)滯后的問題。如圖二所示，e（t）由正值變負值時，u（t）達到最大值，從最大值到閥門限值u（max）的區(qū)間為調(diào)節(jié)死區(qū)。

2.積分飽和對我廠運行的影響

我廠的重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)是需要快速調(diào)節(jié)響應(yīng)的，因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分飽和帶來的響應(yīng)滯后問題很可能造成非常不利的后果。這就要求我們必須對積分飽和現(xiàn)象給予足夠的重視，并有針對性的采取相應(yīng)措施，來避免由此帶來的后果。下面我舉例分析積分飽和現(xiàn)象對我廠正常運行時可能造成的潛在后果，以及應(yīng)該采取的必要預(yù)防措施。

2.1積分飽和造成的運行事件分析

2011年5月6日6：08，L4號機二回路水質(zhì)合格后，當(dāng)班值進行機組轉(zhuǎn)水轉(zhuǎn)汽操作，主控操縱員啟動APA102PO，蒸發(fā)器從L4ASG供水切至L4ARE，由于L4APA102PO啟動后L4ADG001DZ氧含量升高，決定盡快轉(zhuǎn)汽，將L4ADG切至VVP進行除氧。按操作單《GCT-a至GCT-c的切換》準備進行L4GCT-a切至L4GCT-c時，發(fā)現(xiàn)501KC/502KC仍處于閉鎖狀態(tài)，當(dāng)值操縱員對501KC/502KC進行解鎖操作。解鎖前SG3水位最高，約0.03米左右，GCT壓力定值72.1 bar，VVP024MP壓力72.8bar，由于之前壓力定值低于VVP母管壓力時間較長，GCT401KM給出的開度需求已積分至100%。當(dāng)GCT501KC/502KC相繼解鎖后，L4GCT-c第一組閥門按照需求信號開啟，開度接近100%。SG3因虛假水位上升到0.93米，P14信號觸發(fā)，主給水隔離。

這是典型的積分飽和造成運行操作失誤的案例，也證明了積分飽和現(xiàn)象的確會引起核電廠運行上的問題，因此我們必須對積分飽和現(xiàn)象給予足夠的重視。這次事件對我廠的啟示在于操縱員在開啟GCT501KC/502KC之前，應(yīng)該關(guān)注GCT-C積分調(diào)節(jié)器的輸出量（401KM），并將402KU打手動并關(guān)閉GCT-C，再進行解鎖操作;鑒于我廠的調(diào)節(jié)器在手動時，調(diào)節(jié)器自動部分輸出有跟蹤手動的功能，因此在402KU打手動后再放自動，自動輸出的設(shè)定值即為當(dāng)前的壓力值，這樣就可以避免由于積分過量產(chǎn)生的閥門突開現(xiàn)象，也可以立即消除積分飽和產(chǎn)生的閥門滯后響應(yīng)問題。

3.2.1PI調(diào)節(jié)器的性能調(diào)試：

當(dāng)前機組處于調(diào)試階段，對各個PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)（比如積分時間常數(shù)等）需要認真調(diào)試，嚴格把關(guān)，使各個調(diào)節(jié)系統(tǒng)都處于良好的調(diào)節(jié)狀態(tài)，避免由于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而容易造成積分飽和的現(xiàn)象。

3.2.2執(zhí)行機構(gòu)必須運行在調(diào)節(jié)區(qū)范圍內(nèi)：

執(zhí)行機構(gòu)（如閥門）必須運行在正常的調(diào)節(jié)區(qū)范圍內(nèi)，才能保持良好的調(diào)節(jié)特性。如RCV013VP正常調(diào)節(jié)區(qū)間在30%-70%左右，閥門開的過大或過小都會導(dǎo)致調(diào)節(jié)的能力和欲度降低，更容易導(dǎo)致積分飽和現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2.3關(guān)注PI調(diào)節(jié)器的輸出：

在將執(zhí)行器投入之前，需要關(guān)注調(diào)節(jié)器的輸出，避免某些情況下由于調(diào)節(jié)器偏差導(dǎo)致輸出量的不斷增加，甚至積分飽和，在執(zhí)行器投入之后產(chǎn)生突開突關(guān)的巨大擾動。比如前文提到的GCT-c解除閉鎖時導(dǎo)致閥門突開的經(jīng)驗反饋;再比如ARE小閥切大閥的操作，開啟ARE031VL出口隔離閥ARE052/054VL前，一定要關(guān)注ARE031VL的開度，若存在開度會導(dǎo)致開啟隔離閥后造成給水的擾動。

3.2.4打手動消除積分飽和：

對于積分飽和或積分過量的調(diào)節(jié)器，我們可以采用打手動控制的方法。圖四所示為ADG031VV的控制邏輯圖[3]，自動控制時偏差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后經(jīng)A/M轉(zhuǎn)換器控制ADG031VV，此時A/M轉(zhuǎn)換器只起到通道作用，不參與調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)生積分飽和時，PI調(diào)節(jié)器的跟蹤環(huán)節(jié)TR1的輸出就不斷累加，即發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象。這時將A/M打至手動位，由于自動跟蹤手動，TR1的輸出量立即變?yōu)槭謩虞敵龅牧?，此時再放回自動，PI部分就從當(dāng)前的量增加或減小，這樣就可以立即消除積分飽和的部分，加快了調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度。

所以在發(fā)生積分飽和時，我們可以先將調(diào)節(jié)器打至手動，將閥門調(diào)至線性調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)，再將調(diào)節(jié)器放回自動，這時調(diào)節(jié)器就會在當(dāng)前的線性區(qū)間內(nèi)正常調(diào)節(jié)了。

4.結(jié)論

積分飽和現(xiàn)象在我廠正常運行時極有可能會出現(xiàn)，為了避免或減小積分飽和造成的影響，我們需要對它加強關(guān)注，并采取必要的預(yù)防措施。本文提到的幾點建議希望能對我廠機組的正常運行提供點幫助。鑒于本人知識水平和時間的限制，錯誤在所難免，如有不對之處還請批評指正，謝謝！

參考文獻

[1] 吳兆智，PID調(diào)節(jié)器的“積分飽和”及“抗積分飽和”問題的解析[J];工業(yè)加熱;1988年03期

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[3] 王琦，ADG系統(tǒng)手冊，華東院，2010，（6.3）：7