基于MELTAC—R3技术PID无扰切换的研究

王瑜+艾强发

【摘 要】CPR1000核电厂的众多系统采用PID控制，实现手动和自动控制的无扰切换关系到执行机构的寿命，影响机组的稳定运行，是控制逻辑设计时重点要考虑的问题。通过对MELTAC-R3平台的PID无扰切换研究，对后续安全级DCS实现国产化有着重要的意义。

【Abstract】Many system of CPR1000 nuclear power station adopts PID to control. It is a key problem in the design of control logic to realize the switch between manual and automatic control. Through the research of the MELTAC-R3 platform's PID switch， it is very important for the realization of the domestic DCS.

【关键词】PID；DCS；无扰切换

【Keywords】PID；DCS；disturbing switching；

【中图分类号】TM315 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）03-0112-02

1 引言

PID控制器具有稳定性强、使用方便、无静差跟踪等特点，被广泛应用于各种工业自动控制过程。随着数字化仪控系统（DCS）技术日趋成熟，中国改进型三环路压水堆（CPR1000）的众多工艺参数（温度、压力、流量等）系统采用PID控制，其控制回路有手动和自动控制两种方式。当自动切换到手动，执行器保持在手动切换前状态，由手动输入值控制，无扰动；当手动切换自动，若输出与切换前不一致，则产生输出扰动，对现场控制过程造成很大干扰。因此，保证手自动的无扰切换，无须人工进行手自动的对位平衡操作，是PID控制方案设计需考虑的重要问题之一。

2 PID的扰动分析

PID采用线性调节，通过对偏差（给定值r（t）与输出值c（t）之差）进行比例P、积分I、微分D计算后，实现对被控系统的控制。

典型的PID算法如下：

在核電站的控制调节中，调节阀一般都具有手自动两种控制功能。手动状态时，PID调节不起控制作用，调节阀由操作员手动通过手操器设定阀门开度。此时，根据前文描述，偏差

当控制器由手动切换到自动时，PID调节器接手手动控制作用，由上述两个条件得知，PID输入偏差e（t）为0，控制器不执行调节作用，此时，输出保持最后的手动控制值；由于PID调节器的输出U（t）等于切换前的手动控制值，切换瞬间输出不变，不会引起系统扰动[1]。

3 MELTAC-R3平台PID无扰切换的实现

某核电厂（CPR1000）安全级DCS平台采用日本三菱电机公司供货的MELTAC-N-PLUS-R3技术，按照核安全分级原则，将部分SR级和全部1E级的控制逻辑在安全级DCS平台中实现。其中，涉及模拟量调节控制部分的主要有GCT-a阀门开度控制、 ASG/RRA/RCV等相关系统的核安全相关调节阀的控制。下面以GCT-a阀门为例说明PID调节器的无扰切换功能。

GCT-a阀门的控制分为自动和手动两种方式，控制的输入测量值是VVP主蒸汽管线压力，整定值由操作站给出，当操作站置于外部模式时，整定值是78.5bar.a；当操作站置于内部模式时，整定值由操纵员手动设定SV值给出。CPU根据测量值和整定值的偏差信号，输出GCT131VV的开度信号。GCT131VV也可以通过操作站MV手动控制阀门开度。

比例环节作用是输出不失真、不延迟、成比例的复现输入信号的变化。增大比例系数P可以加快系统的响应，比例系数过大会使系统有较大的超调量，产生振荡，破坏调节系统的稳定性。对于积分环节，增大积分时间常数可以减小超调和震荡、使系统更加稳定，但是增加积分时间会延长系统消除静差的时间。GCT-a阀门的PID调节未使用微分环节。

3.1 自动控制方式

控制器选择自动模式，最终输出模块的输入为S端，即PID调节器（XGCT402RG15）。PID调节器正常工作，输入为现场实测压力和设定值之差。PID调节器的输出经过限值模块LMT由AO卡输出。

3.2 自动模式切换到手动模式

自动模式时，手动输入MV值跟随自动输出，手操器的输入即为自动模式的输出，实现自动模式下手动设定值跟随自动模式的PID输出。当切换到手动控制时，因初始手动设定值MV跟随自动模式时PID的输出，扰动偏差为0，实现自动切换到手动的无扰切换。

3.3 手动控制方式

手动控制时，PID调节器的输入切换为R手动设定值，实现手操器对就地阀门的直接控制。

3.4 手动模式切换到自动模式

手动模式时，PID运算自动选择器（XGCT402RG14）选择输入为手动输出值XGCT402ME2与比例环节之差。而PID调节器（XGCT402RG15）的输入为XGCT402RG14与比例环节之和。因此，手动控制时，PID调节器的输出为手动输出值先减去比例环节再加上比例环节，即实现了PID调节的输出跟随手动输出值。此时，当阀门控制切换到自动控制时，初始扰动偏差为0，实现了手动切换到自动的无扰切换。

4 结论

论文结合安全级DCS的工程实践，对MELTAC-R3平台PID调节器的控制原理和功能做了详细介绍。通过PID无扰切换的算法分析，本质在于手动控制可以消除长时间积分的偏差，使系统更加快速的调节；而自动控制时可以消除比例作用和微分增益在切换时引起的偏差。PID调节器的手/自动无扰切换关系到现场执行机构的运行寿命和机组的稳定运行，是我们在做控制方案设计时需要重点考虑的问题，也是闭环控制系统组态调试需解决的关键问题。CPR1000核电厂采用DCS控制系统后，由于数字化带来的方便性，功能强大的PID模块与其他模块配合使用使参数跟踪更易于实现，实现各种各样的无扰切换要求。

【参考文献】

【1】黄翼虎，贾喜梅，周泽魁.调节阀PID控制器自动/手动无扰切换的实现[J].制造业自动化，2003（4）：85-86.