核反应堆功率调节系统控制特性研究
2014-11-12姚瑜
摘 要：新型研究反应堆的功率自动调节系统缺乏相应的设计基础参数和依据。核反应堆的功率调节系统还需要在无经验借鉴的情况下，通过半仿真试验对反应堆功率调节形同的控制参数和控制性能进行研究，从而得到最优化的控制参数及其与棒位、燃耗之间的关系，以及正负扰动对功率调节系统控制性能的影响，为反应堆功率调节系统的设计和投入使用奠定基础。
关键词：核反应堆；功率调节系统；半仿真试验；调节棒
中图分类号：TL362 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0033-01
新型研究反应堆与已有研究堆和压水堆电站之间有着明显的区别，主要表现在冷却剂循环方式、燃料元件结构、控制棒驱动方式和堆芯结构这四个方面。这些因素也是反应堆功率调节系统设计和运行中需要考虑和探索的问题。由于新型反应堆可供借鉴和参考的资料较少，因此，需要对其功率调节系统进行模拟仿真研究。
1 控制方案和原理
反应堆功率调节系统的主要任务是通过功率调节来抑制反应堆的反应性扰动，保证反应堆的功率维持在一个相对高效、稳定的水平上。经多次理论和实践研究表明，以反馈为基础的半实物反应堆闭环控制系统PID控制方案能够在一定程度上提高核反应堆的功率，是目前最优的选择。
2 系统结构
半实物反应堆闭环控制系统的结构主要包括反应堆模拟器、控制器和棒控接口电路三大部分。反应堆模拟器采用了1台PC机，通过 Matlab 的实时代码生成器生成反应堆的动态特征；控制器的主要功能是监测当前核功率的测量信号，将功率值按照预定的调节算法进行计算并比较功率值，最后产生控制棒的操作信号，其计算方法通常是PID控制算法；棒控接口电路的工作原理是在接收到控制棒的信号后输出转动控制信号、转速控制信号和转向控制信号，其中，转速控制信号在0～20 mA模拟量之间，从而通过一系列的输出动作完成限制核反应堆功率动态偏离的任务，达到维持一定功率水平的目的。
3 仿真试验
半实物反应堆闭环控制系统是在数字模型的基础上按照偏差比例P、微分D和积分I来实现系统控制，主要包括实时化的堆芯模型、步进电机、步进电机驱动器和功率调节装置。除了堆芯以外，其余设备均与实际反应堆一样。
3.1 调节棒位置对PD参数的影响
在本次半实物反应堆闭环控制系统的试验反应中，我们将反应堆的维稳功率即额定功率设置为20 MW，所需要达到的试验效果是在其他PD参数保持不变的情况下，对由调节棒位置的变化所引起的功率调节系统控制特性进行研究，其结果如图1所示。
从图1中可以看出，在功率相同的条件下，调节棒的位置对系统控制的特性有较大的影响。将控制棒在有效区域内的增大比例缩放，缩小微分的作用会更加明显，更能够达到维持一定功率水平的性能目标。因此，也可以考虑让调节棒在不同区域采用不同PD参数将相关的影响降到最小，甚至无影响。
（a）棒位为598 mm时的斜坡和阶跃响应 （b）棒位为428 mm时的斜坡和阶跃响应
图1 半实物反应堆闭环控制系统的试验结果
3.2 控制器参数对调节的影响分析
控制器参数对系统控制特性的试验分析可以从比例的作用入手。在相对固定的1 MW情况下，通过设定相对稳定的微分作用对斜坡扰动和阶跃扰动的响应图进行分析。根据试验结果，当比例值Kp=40时，控制时间和斜坡阶跃响应的超调量满足试验需求；在微分作用的试验中，当Td=1.7时，所产生的静态偏差最小，振动次数也最小，符合给定的控制目标。
3.3 负扰动和正扰动的影响分析
在区别负扰动和正扰动的试验中，正扰动的影响可通过调节棒位置的改变、燃耗的调节、控制参数比例的调节来达到预期试验目标；而在负扰动控制效果的试验中，则可以采用相同的PD参数，加入正、负阶跃扰动和斜坡扰动，其控制特性相同，且完全能够满足目标需求。由此证明，负扰动的功率调节系统控制特性较之正扰动稍好。
4 结束语
上述试验过程和结果表明，控制棒在不同区域内的不同位置引起的反应不同。要达到最好的控制效果，实现最佳的调节性能，就要改变控制器的参数。在PD参数值相同的情况下，燃耗不同也能够达到自动控制的性能指标。由此，燃耗对功率调节系统控制特性的影响并不大。总之，要充分发挥系统控制的特性，就必须对多方面因素进行综合考虑，达到各种技术指标，对反应堆功率调节系统的设计和运行起到最为直观的效果。
参考文献
[1]黄超群，张承维.专家PID控制在流量系统中的仿真与分析[J].现代机械，2011（3）：3-4.
[2]郭永彩.核燃料芯块垂直度自动检测系统[J].核动力工程，2010（5）：1-4.
作者简介：姚瑜（1981—），男，黑龙江双鸭山人，大学本科，主要研究方向为核电厂运行。
〔编辑：王霞〕
摘 要：新型研究反应堆的功率自动调节系统缺乏相应的设计基础参数和依据。核反应堆的功率调节系统还需要在无经验借鉴的情况下，通过半仿真试验对反应堆功率调节形同的控制参数和控制性能进行研究，从而得到最优化的控制参数及其与棒位、燃耗之间的关系，以及正负扰动对功率调节系统控制性能的影响，为反应堆功率调节系统的设计和投入使用奠定基础。
关键词：核反应堆；功率调节系统；半仿真试验；调节棒
中图分类号：TL362 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0033-01
新型研究反应堆与已有研究堆和压水堆电站之间有着明显的区别，主要表现在冷却剂循环方式、燃料元件结构、控制棒驱动方式和堆芯结构这四个方面。这些因素也是反应堆功率调节系统设计和运行中需要考虑和探索的问题。由于新型反应堆可供借鉴和参考的资料较少，因此，需要对其功率调节系统进行模拟仿真研究。
1 控制方案和原理
反应堆功率调节系统的主要任务是通过功率调节来抑制反应堆的反应性扰动，保证反应堆的功率维持在一个相对高效、稳定的水平上。经多次理论和实践研究表明，以反馈为基础的半实物反应堆闭环控制系统PID控制方案能够在一定程度上提高核反应堆的功率，是目前最优的选择。
2 系统结构
半实物反应堆闭环控制系统的结构主要包括反应堆模拟器、控制器和棒控接口电路三大部分。反应堆模拟器采用了1台PC机，通过 Matlab 的实时代码生成器生成反应堆的动态特征；控制器的主要功能是监测当前核功率的测量信号，将功率值按照预定的调节算法进行计算并比较功率值，最后产生控制棒的操作信号，其计算方法通常是PID控制算法；棒控接口电路的工作原理是在接收到控制棒的信号后输出转动控制信号、转速控制信号和转向控制信号，其中，转速控制信号在0～20 mA模拟量之间，从而通过一系列的输出动作完成限制核反应堆功率动态偏离的任务，达到维持一定功率水平的目的。
3 仿真试验
半实物反应堆闭环控制系统是在数字模型的基础上按照偏差比例P、微分D和积分I来实现系统控制，主要包括实时化的堆芯模型、步进电机、步进电机驱动器和功率调节装置。除了堆芯以外，其余设备均与实际反应堆一样。
3.1 调节棒位置对PD参数的影响
在本次半实物反应堆闭环控制系统的试验反应中，我们将反应堆的维稳功率即额定功率设置为20 MW，所需要达到的试验效果是在其他PD参数保持不变的情况下，对由调节棒位置的变化所引起的功率调节系统控制特性进行研究，其结果如图1所示。
从图1中可以看出，在功率相同的条件下，调节棒的位置对系统控制的特性有较大的影响。将控制棒在有效区域内的增大比例缩放，缩小微分的作用会更加明显，更能够达到维持一定功率水平的性能目标。因此，也可以考虑让调节棒在不同区域采用不同PD参数将相关的影响降到最小，甚至无影响。
（a）棒位为598 mm时的斜坡和阶跃响应 （b）棒位为428 mm时的斜坡和阶跃响应
图1 半实物反应堆闭环控制系统的试验结果
3.2 控制器参数对调节的影响分析
控制器参数对系统控制特性的试验分析可以从比例的作用入手。在相对固定的1 MW情况下，通过设定相对稳定的微分作用对斜坡扰动和阶跃扰动的响应图进行分析。根据试验结果，当比例值Kp=40时，控制时间和斜坡阶跃响应的超调量满足试验需求；在微分作用的试验中，当Td=1.7时，所产生的静态偏差最小，振动次数也最小，符合给定的控制目标。
3.3 负扰动和正扰动的影响分析
在区别负扰动和正扰动的试验中，正扰动的影响可通过调节棒位置的改变、燃耗的调节、控制参数比例的调节来达到预期试验目标；而在负扰动控制效果的试验中，则可以采用相同的PD参数，加入正、负阶跃扰动和斜坡扰动，其控制特性相同，且完全能够满足目标需求。由此证明，负扰动的功率调节系统控制特性较之正扰动稍好。
4 结束语
上述试验过程和结果表明，控制棒在不同区域内的不同位置引起的反应不同。要达到最好的控制效果，实现最佳的调节性能，就要改变控制器的参数。在PD参数值相同的情况下，燃耗不同也能够达到自动控制的性能指标。由此，燃耗对功率调节系统控制特性的影响并不大。总之，要充分发挥系统控制的特性，就必须对多方面因素进行综合考虑，达到各种技术指标，对反应堆功率调节系统的设计和运行起到最为直观的效果。
参考文献
[1]黄超群，张承维.专家PID控制在流量系统中的仿真与分析[J].现代机械，2011（3）：3-4.
[2]郭永彩.核燃料芯块垂直度自动检测系统[J].核动力工程，2010（5）：1-4.
作者简介：姚瑜（1981—），男，黑龙江双鸭山人，大学本科，主要研究方向为核电厂运行。
〔编辑：王霞〕
摘 要：新型研究反应堆的功率自动调节系统缺乏相应的设计基础参数和依据。核反应堆的功率调节系统还需要在无经验借鉴的情况下，通过半仿真试验对反应堆功率调节形同的控制参数和控制性能进行研究，从而得到最优化的控制参数及其与棒位、燃耗之间的关系，以及正负扰动对功率调节系统控制性能的影响，为反应堆功率调节系统的设计和投入使用奠定基础。
关键词：核反应堆；功率调节系统；半仿真试验；调节棒
中图分类号：TL362 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）18-0033-01
新型研究反应堆与已有研究堆和压水堆电站之间有着明显的区别，主要表现在冷却剂循环方式、燃料元件结构、控制棒驱动方式和堆芯结构这四个方面。这些因素也是反应堆功率调节系统设计和运行中需要考虑和探索的问题。由于新型反应堆可供借鉴和参考的资料较少，因此，需要对其功率调节系统进行模拟仿真研究。
1 控制方案和原理
反应堆功率调节系统的主要任务是通过功率调节来抑制反应堆的反应性扰动，保证反应堆的功率维持在一个相对高效、稳定的水平上。经多次理论和实践研究表明，以反馈为基础的半实物反应堆闭环控制系统PID控制方案能够在一定程度上提高核反应堆的功率，是目前最优的选择。
2 系统结构
半实物反应堆闭环控制系统的结构主要包括反应堆模拟器、控制器和棒控接口电路三大部分。反应堆模拟器采用了1台PC机，通过 Matlab 的实时代码生成器生成反应堆的动态特征；控制器的主要功能是监测当前核功率的测量信号，将功率值按照预定的调节算法进行计算并比较功率值，最后产生控制棒的操作信号，其计算方法通常是PID控制算法；棒控接口电路的工作原理是在接收到控制棒的信号后输出转动控制信号、转速控制信号和转向控制信号，其中，转速控制信号在0～20 mA模拟量之间，从而通过一系列的输出动作完成限制核反应堆功率动态偏离的任务，达到维持一定功率水平的目的。
3 仿真试验
半实物反应堆闭环控制系统是在数字模型的基础上按照偏差比例P、微分D和积分I来实现系统控制，主要包括实时化的堆芯模型、步进电机、步进电机驱动器和功率调节装置。除了堆芯以外，其余设备均与实际反应堆一样。
3.1 调节棒位置对PD参数的影响
在本次半实物反应堆闭环控制系统的试验反应中，我们将反应堆的维稳功率即额定功率设置为20 MW，所需要达到的试验效果是在其他PD参数保持不变的情况下，对由调节棒位置的变化所引起的功率调节系统控制特性进行研究，其结果如图1所示。
从图1中可以看出，在功率相同的条件下，调节棒的位置对系统控制的特性有较大的影响。将控制棒在有效区域内的增大比例缩放，缩小微分的作用会更加明显，更能够达到维持一定功率水平的性能目标。因此，也可以考虑让调节棒在不同区域采用不同PD参数将相关的影响降到最小，甚至无影响。
（a）棒位为598 mm时的斜坡和阶跃响应 （b）棒位为428 mm时的斜坡和阶跃响应
图1 半实物反应堆闭环控制系统的试验结果
3.2 控制器参数对调节的影响分析
控制器参数对系统控制特性的试验分析可以从比例的作用入手。在相对固定的1 MW情况下，通过设定相对稳定的微分作用对斜坡扰动和阶跃扰动的响应图进行分析。根据试验结果，当比例值Kp=40时，控制时间和斜坡阶跃响应的超调量满足试验需求；在微分作用的试验中，当Td=1.7时，所产生的静态偏差最小，振动次数也最小，符合给定的控制目标。
3.3 负扰动和正扰动的影响分析
在区别负扰动和正扰动的试验中，正扰动的影响可通过调节棒位置的改变、燃耗的调节、控制参数比例的调节来达到预期试验目标；而在负扰动控制效果的试验中，则可以采用相同的PD参数，加入正、负阶跃扰动和斜坡扰动，其控制特性相同，且完全能够满足目标需求。由此证明，负扰动的功率调节系统控制特性较之正扰动稍好。
4 结束语
上述试验过程和结果表明，控制棒在不同区域内的不同位置引起的反应不同。要达到最好的控制效果，实现最佳的调节性能，就要改变控制器的参数。在PD参数值相同的情况下，燃耗不同也能够达到自动控制的性能指标。由此，燃耗对功率调节系统控制特性的影响并不大。总之，要充分发挥系统控制的特性，就必须对多方面因素进行综合考虑，达到各种技术指标，对反应堆功率调节系统的设计和运行起到最为直观的效果。
参考文献
[1]黄超群，张承维.专家PID控制在流量系统中的仿真与分析[J].现代机械，2011（3）：3-4.
[2]郭永彩.核燃料芯块垂直度自动检测系统[J].核动力工程，2010（5）：1-4.
作者简介：姚瑜（1981—），男，黑龙江双鸭山人，大学本科，主要研究方向为核电厂运行。
〔编辑：王霞〕
