核电站水压堆一回路水温控制1

目录
1课程设计选题简介 (1)
1.1概述 (1)
1.2设计流程 (1)
1.3选择控制系统 (1)
2 被控对象系统模型及性能分析 (2)
3控制方案选择系统仿真及数据分析 (3)
3.1 (3)
3.2 (4)
3.3 (4)
课程设计总结 (5)
参考文献 (5)
核电站水压堆一回路水温控制 设计背景
压水堆,字面上看就是采用高压水来冷却核燃料的一种反应堆，其工作原理
为：主泵将120～160个大气压的一回路冷却水送入堆芯，把核燃料放出的热能带出堆芯，而后进入蒸汽发生器，通过传热管把热量传给二回路水，使其沸腾并产生蒸汽；一回路冷却水温度下降，进入堆芯，完成一回路水循环；二回路产生的高压蒸汽推动汽轮机发电，再经过冷凝器和预热器进入蒸汽发生器，完成二回路水循环。

中国建成和在建共有13台核电机组，除秦山三期采用CANDU 堆技术，山东荣成采用高温气冷堆，其余均为压水堆。

压水堆核电站的一回路的主要设备有蒸汽发生器，稳压器，主泵和一些辅助设备。

压水堆目前是核电站的一种主流堆型，全世界约60%的反应堆是压水堆，压水堆核电站一般分为两个回路：一回路系统和二回路系统，一回路系统称为核岛部分。

二回路系统主要是常规岛部分，具体有汽轮机部分和电机部分等。

一、课程设计题目及其要求
核电站压水堆一回路水温控制 1、实际控制过程
压水堆型核电站的一回路水流温度可通过反应堆控制棒的插入深度来控制,其控制系统如下图所示.在蒸汽发生器处,一回路水流的热量传递给二回路的工质,二回路的蒸汽流将推动汽轮机做功发电.一回路水流温度控制对象的模型可用一
阶惯性串接纯延迟环节表示:G(s)=1
+-Ts e s τ.假设，T=0.2s ；τ=0.4s 。

图1一回路水流温度控制系统
2、控制设计要求
试用反馈控制器Gc(s)，使系统的超调量σ%≤10%。

二、被控对象系统模型及性能分析
被控函数G(s)=1
2.04.0+-s e s
⨯D(s),该开环传函为一阶惯性串接纯延迟环节。

σ%=2
1ζξπ--
e
⇒ς≥0.6，假设系统调整时间t s =1s
t s =
n
ξω3
（Δ=0.05）or
n
ζω4
（Δ=0.02）⇒n ω=5.8
性能分析：控制约束条件ξ≥0.6，系统时域阻尼比性能指标稳定的，调整时间快速性控制在t s =1s<4s ，超调量σ%%5.9≤准确。

三、控制方案选择和系统仿真
方案一：PID 控制
PID 控制能加快系统响应速度具体作法如下：
①使积分环节和微分环节的不工作，调整比例增益Kp ：从一个小数值开始，主
次增大，直到使率减振荡响应的衰减比为4:1；记录此时的比例系数K 1，振荡周期T k 。

②计算此时的比例带δk ，δk =1/k 1。

③再根据表计算出积分时间和微分时间。

（1）绘制受控对象的阶跃响应曲线
图2原系统响应曲线
曲线稳态性差，使用PID 控制优化
（2）根据K=1，T=0.2s， =0.4s,通过命令
k=1;T=0.2;tao=0.4;
Kp1=T/(k*tao)
Kp2=(0.9*T)/(k*tao)
Ti2=3*tao
Kp3=(1.2*T)/(k*tao)
Ti3=2*tao
Td3=0.5*tao
执行指令，整理计算结果可得到各控制参数：
Kp1 =0.5000
Kp2 =0.4500，Ti2 =1.2000
Kp3 =0.6000，Ti3 =0.8000，Td3 = 0.2000
（3）在Simulink中搭建系统控制模型图3，在进行仿真实验时，控制器部分随具体控制器而变。

选用实际PID控制器，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

图3系统simulink图
（4）使积分环节和微分环节的不工作，调整比例增益Kp：从一个小数值开始，主次增大，直到使率减振荡响应的衰减比为4:1；记录此时的比例系数K1，振荡
=1.176。

周期Tk，大约在K=0.883时，出现4:1，获得响应曲线图4，T
k
012345678910
图4
（5）测取相关数据有：δ=1/0.883,；T k=1.176
P控制系数：Kp=1.13;
PI控制系数：Kp=1.36;T
i
=0.588;
PID控制系数：Kp=0.906;T
i =0.3528;T
d
=0.1176。

可以将PID控制系数加入仿真获得PID控制效果图
图5 PID效果图
（6）经计算超调量43
.0
%=
σ>10%；不满足σ%≤10%。

经过调整后，改变PID参数Kp=0.587，T
i =0.353，T
d=
0.043
获得校正响应曲线图
0123456789
10
图6
通过以上PID 设计校正，可以得出σ%=5.4%<10%，成立满足设计要求。

方案二：根轨迹分析与设计
（1）由于根据设计要求σ%≤10%，执行以下指令 sigma=0.1;
zeta=(((log(1/sigma))^2)/((pi)^2+(log(1/sigma))^2))^0.5 可获得ς≥0.6，可取ς=0.65，假设t s =1s,⇒ωn =5.8。

运行计算期望主导极点2,1s =-ςωn ±j ωn 21ς-=-3.77±4.4j （2）绘制原来系统根轨迹
Root Locus
Real Axis
I m a g i n a r y A x i s
图7原根轨迹
（3）由上面的曲线根轨迹图看出根轨迹通过期望主导极点，则判断已满足设计要求，可以确定K 的取值为K=0.2，串联校正装置G c =K=0.2。

四、课程设计总结
本实验要求对核电站压水堆一回路水温进行实际控制,一回路水流温度一回路水流温度控制对象的模型为一阶惯性串接纯延迟环节.要求设计控制器Gc(s),使系统的超调量小于10%.
A 、根轨迹法，在以上设计的两个方案中，明显根轨迹法反映速度快，稳定时间短，但还可以对系统控制器进行优化。

根轨迹期望极点开始时不能达到，并且根轨迹趋近于期望极点，可以知道为了满足要求，我通过调整时间t s 的改变，从而调整了期望极点，使得原来系统符合要求，并且根据设计性能要求进行时域分析，可从根轨迹图上分析出控制系统的动态和稳态特性，都是比较稳定的曲线；
B 、PID 控制器。

为了满足超调量的要求,需要对PID 控制器的各项参数反复调整.其中Kp 为比例增益,T i 积分时间,T d 微分时间.在调整的过程中可以看到,Kp 一般将加快系统的响应，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调量，并产生振荡，使稳定性变坏。

如果在比例调节的基础上系统不能满足设计要求，则必须加入积分环节。

增大积分时间T i 有利于减小超调量，减小振荡，使系统的稳定性
增加，但是系统静态误差消除时间变长。

如果系统反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。

增大微分时间T
有利于加快系统的响应速度，使系
d
统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

各种参数合理配置，能让在动态性能指标要求折中之后更倾向于我们所期待的最理想的结果。

在PID参数进行整定时,如果能够有理论的方法确定PID参数当然是最理想的方法，但是在实际的应用中，更多的是通过凑试法来确定PID的参数。

五、课程设计感想
通过课程设计，让我加深了课外自动控制的应用学习，实践中可以知道需要利用时域分析、根轨迹分析和其他设计分析，PID可以让装置优化达到理想化，使得整个过程变得很好，而根轨迹则能达到响应时间快，但感觉PID操作快捷，虽然课程设计的要求少，但达到要求经历了许多调试和反复校验，过程很繁琐，但是很感谢老师的亲切指导，我才能完成好这次设计。

参考文献
[1]自动控制原理——理论篇杨平、翁思义、郭平中国电力出版社
[2]自动控制原理——实验与实践篇杨平、余洁、徐春梅、徐晓丽中国电力出版社
[3]自动控制原理学习辅导杨平、翁思义、王志萍中国电力出版社
[4]发电厂动力部分关金峰中国电力出版社
[5]MATLAB在控制系统中的应用张静等电子工业出版社
[6]线性控制系统理论与方法李俊民、李靖、杜彩霞西安电子科技大学出版社
[7]自动控制系统廖晓钟、刘向东北京理工大学出版社。