积分饱和对核电厂运行的影响及解决方法

薛闯

摘  要：核电厂的自动控制系统多为PI、PID调节系统，为了系统调节的精确性加入了积分环节。但积分在工程应用中存在积分饱和问题，文中介绍了核电厂中积分饱和给运行带来的不利影响，以及应该采取的相应措施。对核电厂的正常运行起到一定的借鉴意义，在机组上具有一定的实用价值。

关键词：PI;积分饱和;运行;手动

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.积分饱和现象简介

1.1积分饱和的概念

在执行机构的调节器存在积分作用时，如果执行机构已经到极限位置，仍然不能消除偏差时，由于积分作用，调节器输出的运算结果将继续增大或减小，但执行机构只能输出最大值或最小值;当偏差反向变化时，由于积分项的累积值已很大，需要一段时间才能脱离饱和区，执行机构才能动作，这样系统会出现明显的超调，这就是积分饱和现象。

1.2积分饱和产生的原因[1]

積分调节器的输出μ（t）与其偏差输入信号e（t）随时间的累积值成正比，即u（t）=（1/Ti）∫e（t）dt

式中Ti为积分时间常数，积分时间越小，控制作用越强;反之，控制作用越弱。

积分控制器的输出不仅输入的偏差大小有关，而且与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积，一直偏差为0，累积才会停止。所以，积分控制的作用就是可以消除误差。但是，积分作用存在控制不及时的缺点，因为u（t）是随着e（t）逐渐累积的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化;再比如本文重点讲到的积分饱和引起的响应滞后问题。

下面结合图一和图二介绍下积分饱和产生的原因。

各执行机构（如阀门）是由调节系统自动控制的，而调节系统中往往包含有积分环节来消除误差，从而提高调节系统的精度。然而积分环节调节过量会引起积分饱和，带来调节响应滞后的问题。如图一所示，当输入量e（t）不为0（假设大于0）即系统存在偏差时，调节系统的输出u（t）便开始随着积分累积而逐渐增加，时间越长，u（t）也越大，阀门也会开的越大。当阀门开到100%的开度时，若e（t）仍大于0，这时u（t）的继续增加将不会导致阀门的继续开大，调节器进入饱和状态，输出u（t）的饱和状态即为调节系统的积分饱和，时间越长，调节器的饱和程度越深。当e（t）=0时，u（t）不再增加，但也不会减小，调节器仍处于积分饱和状态;当e（t）<0时，调节系统需要阀门立即关小，但此时调节器的积分饱和积分部分才开始减小，直到饱和部分抵消即u（t）回到100%以内后，阀门才能开始动作，这样积分饱和就引起了响应滞后的问题。如图二所示，e（t）由正值变负值时，u（t）达到最大值，从最大值到阀门限值u（max）的区间为调节死区。

2.积分饱和对我厂运行的影响

我厂的重要调节系统是需要快速调节响应的，因此调节系统积分饱和带来的响应滞后问题很可能造成非常不利的后果。这就要求我们必须对积分饱和现象给予足够的重视，并有针对性的采取相应措施，来避免由此带来的后果。下面我举例分析积分饱和现象对我厂正常运行时可能造成的潜在后果，以及应该采取的必要预防措施。

2.1积分饱和造成的运行事件分析

2011年5月6日6：08，L4号机二回路水质合格后，当班值进行机组转水转汽操作，主控操纵员启动APA102PO，蒸发器从L4ASG供水切至L4ARE，由于L4APA102PO启动后L4ADG001DZ氧含量升高，决定尽快转汽，将L4ADG切至VVP进行除氧。按操作单《GCT-a至GCT-c的切换》准备进行L4GCT-a切至L4GCT-c时，发现501KC/502KC仍处于闭锁状态，当值操纵员对501KC/502KC进行解锁操作。解锁前SG3水位最高，约0.03米左右，GCT压力定值72.1 bar，VVP024MP压力72.8bar，由于之前压力定值低于VVP母管压力时间较长，GCT401KM给出的开度需求已积分至100%。当GCT501KC/502KC相继解锁后，L4GCT-c第一组阀门按照需求信号开启，开度接近100%。SG3因虚假水位上升到0.93米，P14信号触发，主给水隔离。

这是典型的积分饱和造成运行操作失误的案例，也证明了积分饱和现象的确会引起核电厂运行上的问题，因此我们必须对积分饱和现象给予足够的重视。这次事件对我厂的启示在于操纵员在开启GCT501KC/502KC之前，应该关注GCT-C积分调节器的输出量（401KM），并将402KU打手动并关闭GCT-C，再进行解锁操作;鉴于我厂的调节器在手动时，调节器自动部分输出有跟踪手动的功能，因此在402KU打手动后再放自动，自动输出的设定值即为当前的压力值，这样就可以避免由于积分过量产生的阀门突开现象，也可以立即消除积分饱和产生的阀门滞后响应问题。

3.2.1PI調节器的性能调试：

当前机组处于调试阶段，对各个PI调节器的参数（比如积分时间常数等）需要认真调试，严格把关，使各个调节系统都处于良好的调节状态，避免由于参数设置不当而容易造成积分饱和的现象。

3.2.2执行机构必须运行在调节区范围内：

执行机构（如阀门）必须运行在正常的调节区范围内，才能保持良好的调节特性。如RCV013VP正常调节区间在30%-70%左右，阀门开的过大或过小都会导致调节的能力和欲度降低，更容易导致积分饱和现象的发生。

3.2.3关注PI调节器的输出：

在将执行器投入之前，需要关注调节器的输出，避免某些情况下由于调节器偏差导致输出量的不断增加，甚至积分饱和，在执行器投入之后产生突开突关的巨大扰动。比如前文提到的GCT-c解除闭锁时导致阀门突开的经验反馈;再比如ARE小阀切大阀的操作，开启ARE031VL出口隔离阀ARE052/054VL前，一定要关注ARE031VL的开度，若存在开度会导致开启隔离阀后造成给水的扰动。

3.2.4打手动消除积分饱和：

对于积分饱和或积分过量的调节器，我们可以采用打手动控制的方法。图四所示为ADG031VV的控制逻辑图[3]，自动控制时偏差信号经PI调节器调节后经A/M转换器控制ADG031VV，此时A/M转换器只起到通道作用，不参与调节。当发生积分饱和时，PI调节器的跟踪环节TR1的输出就不断累加，即发生超调现象。这时将A/M打至手动位，由于自动跟踪手动，TR1的输出量立即变为手动输出的量，此时再放回自动，PI部分就从当前的量增加或减小，这样就可以立即消除积分饱和的部分，加快了调节器的响应速度。

所以在发生积分饱和时，我们可以先将调节器打至手动，将阀门调至线性调节区内，再将调节器放回自动，这时调节器就会在当前的线性区间内正常调节了。

4.结论

积分饱和现象在我厂正常运行时极有可能会出现，为了避免或减小积分饱和造成的影响，我们需要对它加强关注，并采取必要的预防措施。本文提到的几点建议希望能对我厂机组的正常运行提供点帮助。鉴于本人知识水平和时间的限制，错误在所难免，如有不对之处还请批评指正，谢谢！

参考文献

[1] 吴兆智，PID调节器的“积分饱和”及“抗积分饱和”问题的解析[J];工业加热;1988年03期

[2] 杨锦，数字PID控制中的积分饱和问题，华电技术，2008，30（6）：64-67

[3] 王琦，ADG系统手册，华东院，2010，（6.3）：7