SIMULINK在反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用研究

但成利，熊少勇，白緒濤

(1.福建寧德核電有限公司，福建 寧德 325609;2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

SIMULINK在反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用研究

但成利1，熊少勇1，白緒濤2

(1.福建寧德核電有限公司，福建 寧德 325609;2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

采用SIMULINK軟件對(duì)核電站反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，著重介紹了建模方法以及技巧，并將仿真結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了模型的正確性，此種仿真方法可在其他動(dòng)態(tài)控制領(lǐng)域進(jìn)行類(lèi)似的應(yīng)用。

反應(yīng)堆;溫度控制系統(tǒng)；仿真；SIMULINK

0 引言

核電站在調(diào)試和運(yùn)行階段需要進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，控制系統(tǒng)驗(yàn)證以及操作員培訓(xùn)等工作，但由于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，該工作過(guò)程往往枯燥且效率低下。鑒于此，利用MATLAB/SIMULINK軟件，以核電站反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)為例進(jìn)行建模，對(duì)其瞬態(tài)工況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真。這樣不僅讓讀者了解核電站溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，更重要的是熟悉動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模仿真方法，并可將這種方法在其他類(lèi)似動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中推廣和應(yīng)用。

1 反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)一回路平均溫度，使其盡量接近由二回路負(fù)荷決定的溫度參考值，其控制原理如圖1所示。

反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)的主要工作原理是通過(guò)綜合溫差e的極性和大小來(lái)控制溫度控制棒移動(dòng)的方向和速度。綜合溫差e由式(1)決定：

式中：Tref為參考平均溫度；Tavg為3個(gè)環(huán)路平均溫度最大值；k1為負(fù)荷系數(shù)；k2為功率失配系數(shù)；P1為反應(yīng)堆功率；P2為二回路功率；t為時(shí)間；e為綜合溫差；e1為一、二回路溫差；e2為功率偏差通道輸出。

當(dāng)綜合偏差e為正時(shí)，說(shuō)明一回路溫度有偏冷的趨勢(shì)，溫度控制棒上提；反之，溫度控制棒下插。由于溫度控制棒功能的需要，其對(duì)一回路溫度控制采取的是“前饋+反饋”的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

首先，溫度控制棒需要對(duì)一回路溫度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，而反饋調(diào)節(jié)(閉環(huán)調(diào)節(jié))可以基于一、二回路溫度偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使一回路溫度盡量接近參考溫度，實(shí)現(xiàn)一、二回路功率的匹配，這種調(diào)節(jié)在功率穩(wěn)定期間處于主導(dǎo)地位。在此調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于一、二回路功率基本保持不變，e2輸出接近為0，所以綜合溫差e與e1基本保持一致。此反饋調(diào)節(jié)的大致過(guò)程為：當(dāng)一回路平均溫度Tavg小于參考平均溫度Tref為時(shí)，e1為正，產(chǎn)生正的綜合溫差，溫度控制棒上提。由于控制棒提出堆芯，反應(yīng)性開(kāi)始增加，但是由于二回路負(fù)荷并未增加，二回路從一回路帶走的熱量也未變化，一回路平均溫度Tavg增加并逐漸接近參考平均溫度Tref，造成綜合溫差e減小，最終使e進(jìn)入死區(qū)，溫度控制棒停止動(dòng)作。這一系列過(guò)程，構(gòu)成了溫度控制棒的閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，即反饋調(diào)節(jié)。

在機(jī)組試驗(yàn)期間或意外大瞬態(tài)階段，如果出現(xiàn)跳機(jī)、跳堆或甩負(fù)荷，堆芯功率或二回路負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。當(dāng)功率突然變化時(shí)，會(huì)造成一、二回路功率的短時(shí)失配。由于溫度測(cè)量和傳遞的滯后，平均溫度測(cè)量值來(lái)不及反映實(shí)際平均溫度，這會(huì)造成閉環(huán)通道溫度調(diào)節(jié)滯后，可能導(dǎo)致一回路超溫等后果。為了提高調(diào)節(jié)速度，反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)設(shè)置了前饋環(huán)節(jié)。前饋環(huán)節(jié)提取一、二回路功率失配變化率信號(hào)，并考慮功率失配大小和瞬態(tài)前二回路功率大小，對(duì)反應(yīng)堆溫度進(jìn)行超前調(diào)節(jié)，以滿足迅速調(diào)節(jié)的需要。

圖1 反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)原理

2 反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)的SIMULINK建模

MATLAB軟件是最常用的數(shù)學(xué)工具之一，SIMULINK是MATLAB語(yǔ)言環(huán)境下的一種面向?qū)ο蟮膭?dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真平臺(tái)。使用SIMULINK可以非常方便地搭建仿真平臺(tái)，對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真以及分析。

一個(gè)典型的SIMULINK仿真系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 典型的SIMULINK仿真系統(tǒng)

源模塊提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，可以是常數(shù)、函數(shù)發(fā)生器或用戶自定義的信號(hào)。系統(tǒng)模塊由動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化而來(lái)，是仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分。系統(tǒng)的輸出通過(guò)顯示模塊來(lái)接收，輸出顯示形式包括示波器、圖形或MATLAB工作空間。

反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，在進(jìn)行仿真之前，需要建立源模塊、系統(tǒng)模塊和顯示模塊。下面以此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)手冊(cè)為基礎(chǔ)介紹使用SIMULINK仿真的過(guò)程。

2.1 源模塊的搭建

通過(guò)研究反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)的模擬圖可知，系統(tǒng)的輸入信號(hào)有3個(gè)，分別為：一回路平均溫度最大值、二回路功率及核功率。這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)核電站的控制系統(tǒng)(DCS)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)采集，獲得每個(gè)輸入量與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

現(xiàn)以滿功率平臺(tái)甩負(fù)荷至廠用電實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行仿真。首先通過(guò)DCS數(shù)據(jù)庫(kù)獲取實(shí)驗(yàn)前后的動(dòng)態(tài)參數(shù)，在MATLAB工作空間(Workplace)新建動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表，并將數(shù)據(jù)復(fù)制到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表中(第1列為時(shí)間，其他列為數(shù)據(jù))；然后在仿真模型編輯窗口新建來(lái)自工作空間(From Workplace)模塊，將模塊配置中數(shù)據(jù)來(lái)源修改為對(duì)應(yīng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表的名稱；最后在仿真時(shí)此類(lèi)數(shù)據(jù)就能夠正確加載到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中。

2.2 系統(tǒng)模塊的搭建

SIMULINK中有豐富的數(shù)學(xué)模塊，在使用時(shí)需選擇合適的模塊。對(duì)于反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，搭建仿真模型的主要工作是將慣性環(huán)節(jié)、超前滯后環(huán)節(jié)及函數(shù)發(fā)生器使用SIMULINK內(nèi)部模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，配置參數(shù)，最后繪制模塊之間的信號(hào)線。

慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：超前滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

式中：K為比例系數(shù)，τ為時(shí)間常數(shù)，s為復(fù)變量因子。對(duì)于慣性環(huán)節(jié)和超前滯后環(huán)節(jié)，使用線性傳遞函數(shù)模型(Transfer Fcn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并按照要求的格式輸入設(shè)計(jì)手冊(cè)中所確定的參數(shù)。對(duì)于函數(shù)發(fā)生器，可使用用戶自定義函數(shù)模塊(MATLAB Function)來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)中的函數(shù)發(fā)生器參數(shù)，確定函數(shù)方程，并按照規(guī)定格式輸入到自定義函數(shù)模塊中；然后將控制系統(tǒng)模擬圖中的各模塊配置完成后；最后根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，使用信號(hào)線將各個(gè)模塊正確連接，即構(gòu)成系統(tǒng)模塊。

2.3 顯示模塊的搭建

SIMULINK可提供豐富的輸出形式，在使用時(shí)需選擇合適的模塊。如需直觀看到數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，可以選擇示波器模塊(Scope)，以圖形方式顯示數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)；如果需要直接獲取數(shù)據(jù)，方便后續(xù)處理，可以選擇輸出到工作空間模塊(To Workplace)。

為保證輸出結(jié)果的靈活性，在對(duì)反應(yīng)堆溫度系統(tǒng)仿真中使用了輸出到工作空間模塊，將輸出結(jié)果以數(shù)組形式保存，并拷貝至Excel中，通過(guò)Excel繪圖功能將數(shù)據(jù)結(jié)果以圖形方式顯示。

在首次搭建過(guò)程中，建議將每一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的輸出都使用顯示模塊采集并輸出，方便后續(xù)調(diào)試。

通過(guò)以上3個(gè)步驟，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型最終搭建完成，搭建完成的系統(tǒng)如圖3所示。

3 仿真系統(tǒng)的調(diào)試

仿真系統(tǒng)搭建完成后，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中，首先需要設(shè)定動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的初始狀態(tài)。因反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)存在慣性，若從仿真開(kāi)始就立即輸入動(dòng)態(tài)參數(shù)，將會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果錯(cuò)誤，這是因?yàn)閼T性系統(tǒng)需要一定時(shí)間才能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)在各個(gè)輸入信號(hào)中加入延時(shí)時(shí)間。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，工作空間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表是以折線函數(shù)方式進(jìn)入動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的。通過(guò)此原理，可以在數(shù)據(jù)表首行加入延時(shí)行，以保證初始值能夠保持足夠時(shí)間，直至動(dòng)態(tài)系統(tǒng)輸出到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。獲取延時(shí)時(shí)間的方法是：將所有輸入量的初始值作為常數(shù)輸入到動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，使用示波器模塊對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行監(jiān)視，記錄輸出到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，此時(shí)間即可作為輸入信號(hào)的延時(shí)時(shí)間。至此，仿真系統(tǒng)的初始狀態(tài)基本搭建完成，接下來(lái)就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。進(jìn)入仿真界面后，需要配置仿真參數(shù)，包括仿真起止時(shí)間及步長(zhǎng)，此參數(shù)應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際需求和設(shè)備性能綜合考慮。

4 仿真模型驗(yàn)證

通過(guò)上述工作準(zhǔn)備及仿真，最終得到滿功率平臺(tái)下反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)甩負(fù)荷至廠用電瞬態(tài)過(guò)程中各個(gè)中間量的變化過(guò)程。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，在瞬態(tài)試驗(yàn)開(kāi)始的前60 s，由于功率偏差通道e2正向輸出較大，導(dǎo)致綜合溫差持續(xù)為負(fù)。這與試驗(yàn)結(jié)果中溫度控制棒在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前60 s以全速持續(xù)下插的結(jié)果相吻合，由此也驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的正確性。

圖3 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真模型

5 結(jié)論

通過(guò)使用SIMULINK仿真工具，對(duì)反應(yīng)堆溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符，證明整個(gè)仿真過(guò)程是實(shí)用、有效的。

然而，由于此系統(tǒng)并沒(méi)有與反應(yīng)堆模型進(jìn)行連接，輸入的數(shù)據(jù)也只是試驗(yàn)后獲取的數(shù)據(jù)，此仿真系統(tǒng)并沒(méi)有做到真正的閉環(huán)驗(yàn)證，所以不能用來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)性研究。有興趣的讀者可以將此仿真系統(tǒng)與RELAP5(美國(guó)INEL實(shí)驗(yàn)室研制的通用系統(tǒng)瞬態(tài)行為分析程序)進(jìn)行掛接，對(duì)反應(yīng)堆的瞬態(tài)工況進(jìn)行真正的閉環(huán)研究。不過(guò)，最重要的意義在于為技術(shù)人員提供了一種研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的方法，可為研究人員解決工程中所遇到的很多實(shí)際問(wèn)題，具有科研推廣價(jià)值。

2016-06-08。

但成利(1982-)，男，工程師，主要從事核電站儀表維護(hù)、DCS系統(tǒng)維護(hù)和管理、RGL棒控系統(tǒng)維護(hù)和管理等工作，email：danchengli@cgnpc．com，cn。

熊少勇(1987-)，男，助理工程師，主要從事核電站儀表維護(hù)、RGL棒控系統(tǒng)維護(hù)和管理等工作。

白緒濤(1982-)，男，高級(jí)工程師，主要從事核電站儀控設(shè)備維護(hù)及管理工作。