压水堆核电站蒸汽发生器水位先进控制系统设计研究

论文摘要

蒸汽发生器是核动力装置中非常重要的热交换设备,蒸汽发生器水位的高低直接影响出口蒸汽的品质和蒸汽发生器的安全。因此,将蒸汽发生器水位控制在一定的安全范围内是非常重要和必要的。本文介绍了压水堆核电站倒U型管蒸汽发生器(UTSG)的结构特点和水位控制原理,讨论了水位数学模型的建模机理和静、动态特性。针对一类通用的蒸发器时变参数模型,采用模糊控制和预测控制两类不同的控制方法分别设计了水位模糊控制系统、水位模糊PID控制系统和具有前馈补偿作用的水位模型预测控制系统,并利用MATLAB软件对蒸汽发生器水位控制系统进行数字模拟仿真,通过控制性能的对比分析计算,可分别采用这两类不同的方法对控制系统进行综合设计和优选。仿真结果表明:采用第一类模糊控制方法,与模糊PID控制系统相比,纯模糊控制系统的鲁棒性能较好,系统不易产生震荡,但响应时间较长,系统超调较大,适用于高功率下水位控制;模糊PID控制系统超调小,响应时间快,适用于低功率下水位控制。同时也可以选择第二类预测控制方法,相比于多变量PID控制,模型预测控制方法对水位的控制效果更好,而且由于在控制器设计过程中考虑了约束条件的限制,使得剧烈变化的给水流量对给水阀的冲击得到了降低,一定程度上避免了由水位超过警戒线而引起的停堆停转事故的频繁发生。因此可以根据核电站蒸汽发生器的结构特点和水位控制原理特性,针对不同的控制要求和控制目标,确定较合适的控制方案设计水位控制系统,以确保核电站的安全运行。从应用的角度,核电站实际采用比较纯熟的PID三冲量水位控制系统;在法国、比利时、日本等国家的一些核电站中,已有部分子系统实际应用了模糊控制方法,并取得了很好的控制效果;虽然目前模型预测控制方法还处于理论研究和模拟仿真阶段,但随着理论研究的成熟,模型预测控制方法在核电站运行中将有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文选题的背景及意义
• 1.2.1 蒸汽发生器工作原理
• 1.2.2 蒸汽发生器水位控制的意义和要求
• 1.3 水位控制系统控制难点以及国内外研究情况
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 蒸汽发生器水位控制系统分析
• 2.1 蒸发器水位特性
• 2.1.1 静态水位特性
• 2.1.2 蒸汽流量扰动下动态水位特性
• 2.1.3 给水流量扰动下动态水位特性
• 2.2 假水位现象
• 2.3 蒸发器水位控制系统数学模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 蒸发器水位模糊控制系统及模糊PID 控制系统设计
• 3.1 模糊控制理论概述
• 3.1.1 模糊控制理论的发展及国内外现状
• 3.1.2 模糊控制的优缺点
• 3.1.3 模糊控制理论的发展前景
• 3.2 模糊控制理论基础
• 3.2.1 从经典集合到模糊集合的转变
• 3.2.2 模糊集合的基本概念
• 3.2.3 模糊集合的基本运算
• 3.3 蒸发器水位模糊控制系统
• 3.3.1 模糊控制理论运用于水位系统控制的意义及发展现状
• 3.3.2 模糊控制器的设计
• 3.4 蒸汽发生器水位模糊控制系统的设计及仿真
• 3.4.1 水位模糊控制系统的结构组成
• 3.4.2 蒸汽发生器水位模糊控制系统设计流程
• 3.4.3 仿真结果
• 3.5 蒸汽发生器水位模糊PID 控制系统的设计及仿真
• 3.5.1 模糊PID 控制系统的结构组成
• 3.5.2 模糊自整定PID 参数控制算法
• 3.5.3 蒸汽发生器水位模糊PID 控制系统
• 3.6 本章小结
• 第四章 模型预测控制方法概述
• 4.1 模型预测控制的发展背景
• 4.2 模型预测控制的基本原理
• 4.2.1 预测模型
• 4.2.2 滚动优化
• 4.2.3 反馈校正
• 4.3 模型预测控制的特点
• 4.4 本章小结
• 第五章 蒸汽发生器水位模型预测控制系统设计
• 5.1 蒸汽发生器水位控制的任务和性能指标
• 5.2 模型预测控制器（MPC）的基本结构
• 5.2.1 模型
• 5.2.2 预测器
• 5.2.3 优化器
• 5.3 水位模型预测控制系统设计
• 5.3.1 预测模型
• 5.3.2 观测器观测水位
• 5.3.3 输出反馈校正及系统状态重构
• 5.3.4 输出预测
• 5.3.5 求解QP（二次规划）滚动优化问题
• 5.3.6 最优控制量给水流量的计算与施加
• 5.4 仿真结果
• 5.4.1 仿真1：高功率下蒸汽流量扰动对控制效果的影响
• 5.4.2 仿真2：低功率下蒸汽流量扰动对控制效果的影响
• 5.4.3 仿真3：给水流量增量的约束对控制效果的影响
• 5.4.4 仿真4：水位硬软约束对控制效果的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢