基于模糊PID控制的核电厂汽轮机控制系统研究.pdf

2023.24 科学技术创新基于模糊 PID 控制的核电厂汽轮机控制系统研究宋萱（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨）引言在深入核电厂运行的研究中发现，“控制系统”属于汽轮机机组运行的“中枢”与“大脑”，对汽轮机机组的安全稳定运行保障发挥着举足轻重的作用。为发挥汽轮机在工业生产作业中更高的价值，设计单位提出了针对汽轮机的专门控制系统，该系统在核电厂中主要用于实现汽轮机的调频、调速1。现用的汽轮机控制大多为 PID 控制，尤其在石化和冶金等工业生产中，大部分控制作业仍在沿用较为传统的PID控制模式。主要是由于 PID 控制器在投产使用中具有鲁棒性强、结构与操作简单等特点。然而，对于复杂的非线性系统，采用常规的 PID 控制系统仍存在一定的局限性。由于核电厂的运行环境比较复杂，汽轮机在作业中易受电网扰动、主蒸汽压力扰动、汽水分离再热器迟滞等外部扰动等因素的影响，常规的控制手段在许多场合都难以满足汽轮机静态和动态控制需求，无法取得理想的控制效果2。当控制系统逐渐向智能化发展时，在过去二十年中，模糊控制得到了控制界的重视，于是，技术部门开始加大了对此方面内容的投入，为实现设计成果的深化，本文将在此次研究中，基于模糊 PID 技术的应用，展开如下所示的设计与研究。1系统模糊 PID 控制器设计对核电厂汽轮机控制系统中的模糊 PID 控制器进行设计，本文提出了一种基于 PID 控制的模糊控制方法，并将该方法应用于系统中。在系统运行的过程中，不断检测误差值和误差变化率数值。模糊 PID 控制器需要根据模糊控制规则对Kp、Ki 和Kd进行在线调整3。其中，Kp 代表比例系数，Ki代表积分系数，Kd 代表微分系数。在此基础上，提出了一种基于 Kp 的控制方法，以改善系统的响应速度及调整精度。当 Kp 的数值增加时，系统的反应速度就会增加，但是 Kp 的数值太大，会引起系统的超调和不稳定4。如果 Kp 的值取得过小时，则会使系统的响应速度减慢，调整过程的时间延长，调整的精度下降，且动态特性差5。采用Ki 对系统进行稳态校正。当 Ki 值较大时，积分效应较大，可以有效地抑制稳态误差，但是，如果积分效应过大，则会导致过饱和现象的提前发生。当 Ki 太小的时候，系统很难实现稳态的误差调节，从而降低了系统调节的精度。Kd的作用就是对偏移的预测和预处理，防止偏移在一个方向上继续发生，从而达到抑制偏移的目的6。但是，过高的 Kd 会导致系统对外界扰动反应过度，从而影响其对外界扰动的抵抗能力。图 1 为模糊 PID 控制器的设计结构图。系统模糊 PID 控制器的输入和输出均不能够直接作用在被控对象的模糊集合，基于此，结合 Mamdani型模作者简介院宋萱（1991-），男，硕士研究生，工程师，从事汽轮机控制系统研究工作。摘要：为提高核电厂汽轮机控制精度，本文结合模糊 PID 控制，进行了对核电厂汽轮机控制系统的设计研究。通过模糊 PID 控制器设计、基于模糊 PID 控制的核电厂汽轮机调节控制，提出一种新的控制系统。再通过建立核电厂汽轮机模型、仿真控制结果分析，实现对系统应用效果的检验，新系统实际运行中具备快速性、稳定性，响应时间也得到了极大改善。关键词：模糊 PID 控制；核电厂；汽轮机；控制；系统中图分类号院TP273;TM623文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤24-0047-04图 1模糊 PID 控制器的设计结构图47-科学技术创新 2023.24糊系统，根据输入输出的变量，设定结合经验个给出 49 条模糊规则。模糊规则的形式为：IF e is Ai and吟e is BjTHEN 吟Kp is Cij，吟Kiis Dij，吟Kd is Eij，其中 i 的取值为 1，2，3，4，5，6，7；j 的 取 值 为1，2，3，4，5，6，7。其中 Ai、Bj、Cij、Eij均定义为在误差为 e，误差变化率为吟e 以及吟Kp、吟Ki 和吟Kd 论域条件中的模糊集合。由于模糊控制的输出不是一个精确的数值，而是一个不能对被控系统有直接作用的模糊集合，所以需要从输出的模糊集合中选择一个能够对被控系统有一定作用的确定的控制量，再经过逆模糊处理，才能得到精确的最优模糊推理7。在实际应用中，通常采用最大隶属度法、中位法以及重心法等。2基于模糊 PID 控制的核电厂汽轮机调节控制在此基础上，本文提出了一种基于模糊 PID 控制的核电厂汽轮机调节控制方法。图 2 是核电站蒸汽透平采用模糊 PID 控制器进行调节的示意图。结合图2 所示，首先对核电厂汽轮机的转速进行控制。核电厂汽轮机的转速是由专用的转速传感器来测定的，鉴于转速的重要程度，通常情况下，核电厂都会配备10 个转速测定探头，6 个用来对汽轮机涡轮的超速保护，3 个用来对汽轮机涡轮的转速进行调整，1 个用来做备用。在机组没有接入电网之前，速度控制主要是对机组的运转过程进行控制，而接入电网之后，速度控制转变成了一次调频的控制8。在自动控制回路当中，设置的限制因素包括：转速给定值的高限制：要求汽轮机的停机时为-3%，正常运行时为-3%，超速试验时为 114%；转速给定的最低限制为-3%。表 1 中记录了转速给定值的变化率限制条件。表 1转速给定值的变化率限制条件为提高控制精度，按照下述公式设置频率补偿信号：（1）式中：K 代表频率补偿信号。代表给定的转速与实际测量转速之间的差值。fn代表额定转速。代表目标功率与实际测量功率之间的差值。Pn代表额定功率。在此基础上，对核电厂用电负荷运行模式进行控制。机组在正常工作时，是连接到电网，向电网供电。当电网出现故障时，汽轮机的高压开关断开，机组将不再向电网供电，进入厂用电状态。在控制中，自动设定了8%Pn的目标负荷，先给出一个厂用电负荷的基础预设值，若此目标负荷不符合厂用电的实际负荷，则将导致单元的旋转速度无法维持在额定旋转速度，此时，随着旋转速度的变化，将会自动增大或减小负载的设定值，直到频率偏差消失，系统才能稳定下来。由于转速控制和负荷控制的最终指令是重合在一个回路中，所以，还可以使用转速控制，把负荷的设定值设定为零，通过转速回路来补偿厂用实际电负荷和零之间的偏差，在带上厂用电之后，转速偏差抵消了负荷的偏差，提高控制精度。最后，对阀门进行控制，保持汽轮机 1 500 rpm的转速控制和实现设定负载的负载控制是汽轮机调节控制的主线。转速控制与负荷控制所需蒸汽叠加起来，产生的总蒸汽需求量，通过这个函数将总的蒸汽需求量转化成阀门的开度指令，之后再将其送到阀门控制模块，对机组进行控制。3汽轮机模型与控制效果分析图 2基于模糊 PID 控制的核电厂汽轮机调节控制原理图No 限制条件 变化率/%/min 1 停止升速 0 2 热态启动 8.25 3 冷态启动 3.25 4 空载 2.5 5 超速试验 15.5 /nnfpKfPVVfVpV48-2023.24 科学技术创新3.1建立核电厂汽轮机模型为满足汽轮机作业需求，在建立其本体结构模型中，应明确模型中包括低压缸、再热器、高中压合缸等，根据建模需求，进行汽轮机本体结构模型参数的设计，见表2。表 2汽轮机本体结构模型参数的设计以此为依据，进行本体结构模型的构建，见图 3。图 3核电厂汽轮机本体结构模型在此基础上，进行核电厂中其他模型的构建，通常情况下，汽轮机的实际运行功率与核电厂中发电机的测量功率是一致的，对此环节进行描述，建立如下计算公式所示的传递函数，函数表达式如下：（2）式中：W 代表传递函数。S 代表汽轮机的实际运行功率。在上述内容的基础上，明确控制系统中油动机执行机构参数的设计，见表 3。表 3控制系统中油动机执行机构参数的设计参照上述内容，建立核电厂功率调节综合模型，如图4 所示。图 4核电厂功率调节综合模型为满足控制需求，建立 PID 控制器在运行中的传递函数，函数表达式如下：（3）式中：Kp 代表比例系数。Tis 代表时间常数。Tds 代表微分常数，在控制过程中，微分常数 Tds 的取值通常为0。为确保相关工作的规范性，建模过程中使用Simulink 软件中的模糊推理编辑器进行控制模型的设计，设计时，在 MATLAB 中按照规范录入 FUZZY，此时，界面将跳转到控制器的可编辑图形界面，在排除外界因素影响且不对汽轮机进行特殊控制的条件下，可以默认选择界面中的 Mamdani后进行“确定”。跳转到下一界面后，选择“Edit”中的“Add input”选项，将界面上的独立输入控制变为“两个参数同步控制”、“三个参数同步输出控制”等。按照上述方式，实现对汽轮机在运行中的控制。3.2仿真控制结果分析完成系统在运行前的调试与建模分析后，对其进行仿真控制结果的分析，在此过程中，设定汽轮机在运行中的功率输出值为 900 MW，在录入 10%正弦干扰的条件下，对 PID 控制系统、模糊 PID 控制系统的仿真控制结果进行分析，见图 5。图 5PID 控制系统、模糊 PID 控制系统的仿真控制结果结束语由于核电厂的运行特点比较复杂，受电网扰动、主蒸汽压力扰动、汽水分离再热器迟滞等外部扰动等因素的影响，常规的控制手段在许多场合都难以满足静态和动态的控制需求，难以取得理想的控制效果。然而，目前 PID 参数整定主要依赖于工程师的经验，其调整质量存在一定程度的劣化，尤其是当机组装机容量不断增加时，其调整性能及稳定性对电网质量的影响更加显著。工程实践中已发现，部分运行条件下，由于机组控制品质较差，会出现控制阀门异常波动的高压缸所占功率比例 中压缸所占功率比例 低压缸所占功率比例 汽水分离再热器时间常数 高 压缸系 数取值 高压汽室容积时间常数 0.37 0.21 0.42 15.7 s 0.8 0.67 s ()1W S 执行机构电液转换PID比例 油动机的时间常数 阀门反馈时间常数 8.75 1.55 0.09 1WKpTdsTis49-科学技术创新 2023.24现象，因此，可考虑对已有控制策略进行优化，获得更优的控制效果。为落实此项工作，本文开展了如下文所示内容的研究，根据图 5 PID 控制系统、模糊 PID 控制系统的仿真控制结果可知，本次研究设定汽轮机在运行中的输出功率为 900 MW，在驱动系统后，汽轮机的输出功率从 0 MW 开始快速增长，从仿真图示可以看出，汽轮机运行 300 s500 s 时，插入了 10%正弦干扰，干扰条件录入后，汽轮机的输出功率发生了显著性波动，此时，无论是 PID 控制系统，还是模糊 PID 控制系统，都无法抑制汽轮机输出功率的波动，但根据波动的幅值可以看出，使用模糊 PID 控制系统进行汽轮机输出功率控制，控制后汽轮机的输出功率在 880MW920 MW 范围内变化，而使用 PID 控制系统进行汽轮机输出功率控制，控制后汽轮机的输出功率在850 MW950 MW 范围内变化，说明相比 PID 控制系统而言，本次设计的模糊 PID 控制系统可以较好的排除正弦扰动对汽轮机运行的影响。参考文献1张运德,王尧,张亚平.比例阀运用于核电汽轮机控制系统研究J.东方汽轮机,2023(1):56-61.2吴科,解建萍.国产 maxDNA 控制系统在 1000MW 超超临界二次再热汽轮机控制 DEH 中的应用J.仪器仪表用户,2021,28(9):98-102+37.3周霭琳,朱凯亮,朱元生,等.汽轮机控制油系统冲洗技术开发与应用实践J.机械工程师,2022(12):74-76+79.4吴婷,李建明.小型汽轮机控制系统原理及应用J.仪器仪表用户,2022,29(12):87-89+73.5许洪伟,彭运洪,逄魁健,等.1000MW 核电汽轮机控制和保护系统国产化研究 J.热力透平,2022,51(3):225-229.6马海迎,李奕彤,袁晓舒,等.基于时间自动机的汽轮机控制保护系统建模J.东方电气评论,2021,35(4):12-17+22.7娄琦,张雷,潘正伟,等.国产 NT6000 系统在超超临界汽轮机控制中的应用J.热力透平,2021,50(4):293-295+299.8印勇.核电汽轮机控制系统翻译仿真技术改进研究J.仪器仪表用户,2021,28(12):67-70.Research on Nuclear Power Plant SteamTurbine Control System Based on FuzzyPID ControlSong Xuan（Harbin Turbine Factory Co.,Ltd.,Harbin，China)Abstract:In order to improve the control accuracy of steam turbines in nuclear power plants,this papercombines fuzzy PID control to design and study the control system of steam turbines in nuclear power plants.A new control system is proposed through the design of a fuzzy PID controller and the regulation control ofnuclear power plant steam turbines based on fuzzy PID control.By establishing a nuclear power plant steamturbine model and analyzing the simulation control results,the application effectiveness of the system wasverified.The new system has achieved speed and stability in actual operation,and the response time has alsobeen greatly improved.Key words:Fuzzy PID control;nuclear power plants;steam turbine;control;system50-