自控課程實計 核電站壓水堆一回路水溫控制

1、自動控制原理實驗課程實驗報告 題 目：核電站壓水堆一回路水溫控制 學號： 班級： 姓名： 學院: 自動化工程學院 實踐報告內容（目錄）一、 課程設計背景-1二、 控制對象建模-2三、 控制對象特性分析-3四、 控制策略的確定與實現(xiàn)-3五、 實驗分析-7六、 課程設計體會-78一. 課程設計背景:壓水堆,字面上看就是采用高壓水來冷卻核燃料的一種反應堆，其工作原理為：主泵將120160個大氣壓的一回路冷卻水送入堆芯，把核燃料放出的熱能帶出堆芯，而后進入蒸汽發(fā)生器，通過傳熱管把熱量傳給二回路水，使其沸騰并產(chǎn)生蒸汽；一回路冷卻水溫度下降，進入堆芯，完成一回路水循環(huán)；二回路產(chǎn)生的高壓蒸汽推動汽輪機發(fā)電，

2、再經(jīng)過冷凝器和預熱器進入蒸汽發(fā)生器，完成二回路水循環(huán)。中國建成和在建共有13臺核電機組，除秦山三期采用CANDU堆技術，山東榮成采用高溫氣冷堆，其余均為壓水堆. 壓水堆核電站的一回路的主要設備有蒸汽發(fā)生器，穩(wěn)壓器，主泵和一些輔助設備壓水堆目前是核電站的一種主流堆型，全世界約60%的反應堆是壓水堆，壓水堆核電站一般分為兩個回路：一回路系統(tǒng)和二回路系統(tǒng)，一回路系統(tǒng)稱為核島部分。二回路系統(tǒng)主要是常規(guī)島部分，具體有汽輪機部分和電機部分等。圖1是壓水堆核電站的大致的過程原理圖。 圖1核島部分的關鍵設備是反應堆，反應堆是由壓力容器，堆芯，堆型構件和控制棒驅動機構組成。反應堆的高度大致在6m左右，

3、直徑在3m左右。問題描述:核電站壓水堆一回路水溫控制 1.實際控制過程壓水堆型核電站的一回路水流溫度可通過反應堆控制棒的插入深度來控制,其控制系統(tǒng)如下圖所示.在蒸汽發(fā)生處,一回路水流的熱量傳遞給二回路的工質,二回路的蒸汽流將推動汽輪機做功發(fā)電.一回路水流溫度控制對象的模型可用一階慣性串接純延遲環(huán)節(jié)表示:假設,T=0.2s;=0.4s 2.控制設計要求試設計控制器,使系統(tǒng)的超調量.二. 控制對象建模: 在Simulink中搭建系統(tǒng)控制模型,如圖2所示.在進行仿真實驗時,控制器部分隨具體控制器而變.選用實際PID控制器:圖2三. 控制對象特性分析:被控對象為: ;該開環(huán)傳函為一階慣性串接純延遲環(huán)節(jié)

4、;(1) 其中放大系數(shù)K=1;時間常數(shù)T=0.2;延遲系數(shù)=0.4;(2) 在MATLAB中繪制開環(huán)Nyquist圖,并利用Nyquist判據(jù)來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性;在MATLAB的命令窗中鍵入:” n=1;d=0.2 1;tao=0.4;g0=tf(n,d,'inputdelay',tao);nyquist(g0)”得到Nyquist圖形如圖3:圖3系統(tǒng)開環(huán)Nyquist圖沒有逆時針包圍(-1,j0)點(紅色十字標識),又因為系統(tǒng)開環(huán)無又根,所以閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定.四.控制策略的確定與實現(xiàn):采用PID控制器進行溫度控制PID控制器（Proportion Integration Diff

5、erentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元 P、積分單元I 和微分單元 D 組成。通過Kp， Ki和Kd三個參數(shù)的設定。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定。理論方法與實驗技術：衰減曲線經(jīng)驗公式法衰減曲線法是通過使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩來整定控制器的參數(shù)值的。具體作法如下：（1） 使積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的不工作

6、，調整比例增益Kp：從一個小數(shù)值開始，主次增 大，直到使率減振蕩響應的衰減比為4:1；記錄此時的比例系數(shù)K1，振蕩周期Tk；（2） 計算此時的比例帶k，k=1/K1。（3） 再根據(jù)表計算出積分時間和微分時間。PID型控制器（比例積分微分控制器）：在階躍響應剛開始受到微分作用的影響，函數(shù)衰減，由于衰減的幅度越來越小，隨后在積分比例環(huán)節(jié)作用下呈現(xiàn)遞增趨勢。實驗設計與實現(xiàn)：（1）積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)不工作，進行比例增益為1的控制試驗。獲得的控制響應波形如圖4。圖4單獨調整比例參數(shù)，在Kp=1時，衰減比為3.013:1；單獨調整比例參數(shù)，在Kp=1.5時，衰減比為1.234:1；單獨調整比例參數(shù)，在Kp

7、=0.8時，衰減比為5:1；單獨調整比例參數(shù)，在Kp=0.9時，衰減比為3.713:1；因此，應單獨調整比例參數(shù)，逐次增大，發(fā)現(xiàn)大約在Kp=0.882的時候，出現(xiàn)了所謂4:1的衰減比，如圖5:圖5此刻的比例系數(shù)K1=0.882，振蕩周期Tk=1.1764。（2）此時的比例帶k=1/K1=1.1338。（3）根據(jù)衰減振蕩法PID參數(shù)整定表可得：Kp=1.1025，Ki=1/Ti=2.8335，Td=0.11764。此時的控制響應波形如圖6。圖6由波形圖得;超調量:經(jīng)計算=72.9810; 所以不滿足;調整后,得到無擾動情況下的PID參數(shù):Kp=0.6;Ki=2.8;Td=0.045; 此時=5.

8、8110;成立.波形圖如圖7.圖7加入擾動D(s)后,調整Kp=0.21;Ki=0.01;Td=0.007;如圖8所示:圖8圖8 由圖可得此時的超調量=8.7;滿足條件.五.實驗分析本實驗要求對核電站壓水堆一回路水溫進行實際控制,一回路水流溫度一回路水流溫度控制對象的模型為一階慣性串接純延遲環(huán)節(jié).要求設計控制器Gc(s),使系統(tǒng)的超調量小于10%.為了滿足預訂的性能指標,分析了系統(tǒng)的特性,我選用了PID控制器對系統(tǒng)的性能指標進行整定.為了滿足超調量的要求,需要對PID控制器的各項參數(shù)反復調整.其中Kp為比例增益,Ti積分時間,Td微分時間.在調整的過程中逐漸認識到, Kp一般將加快系統(tǒng)的響應，

9、但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調量，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。如果在比例調節(jié)的基礎上系統(tǒng)不能滿足設計要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)。增大積分時間Ti有利于減小超調量，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除時間變長。如果系統(tǒng)反復調整還不能得到滿意的結果，則可以加入微分環(huán)節(jié)。增大微分時間Td有利于加快系統(tǒng)的響應速度，使系統(tǒng)超調量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。各種參數(shù)合理配置，能讓在動態(tài)性能指標要求折中之后更傾向于我們所期待的最理想的結果。在PID參數(shù)進行整定時,如果能夠有理論的方法確定PID參數(shù)當然是最理想的方法，但是在實際的應用中，更多的是通過湊試法來確定PID的參數(shù)。六.課程設計體會 在本次的實驗設計中, 讓我們對自動控制原理有了更深刻的認識。運用了自動控制領域最常用的PID控制，基本掌握了PID控制的基本規(guī)律，同時也認識到自動控制系統(tǒng)的復雜性.借助Matlab 及Simulink軟件，可以分析出系統(tǒng)的特性以及調節(jié)方向.利用Simulink模塊提供的編程環(huán)境對各類PID控制器進行編程仿真. 實驗中,對PID控制器的各項參數(shù)的反復調制,不同的比例,積分,微分環(huán)節(jié)分別系統(tǒng)造成的不同影響,以及加入擾動后系統(tǒng)的改變,成為了我此次課程設