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基于SPSA的蒸汽发生器液位MPC系统性能优化方法研究

耿鹏程 史长青 孔祥松 刘航 刘佳彬 江绍波

耿鹏程, 史长青, 孔祥松, 刘航, 刘佳彬, 江绍波. 基于SPSA的蒸汽发生器液位MPC系统性能优化方法研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(5): 168-175. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0168
引用本文: 耿鹏程, 史长青, 孔祥松, 刘航, 刘佳彬, 江绍波. 基于SPSA的蒸汽发生器液位MPC系统性能优化方法研究[J]. 核动力工程, 2022, 43(5): 168-175. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0168
Geng Pengcheng, Shi Changqing, Kong Xiangsong, Liu Hang, Liu Jiabin, Jiang Shaobo. SPSA-based Performance Optimization Method for Steam Generator MPC System[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(5): 168-175. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0168
Citation: Geng Pengcheng, Shi Changqing, Kong Xiangsong, Liu Hang, Liu Jiabin, Jiang Shaobo. SPSA-based Performance Optimization Method for Steam Generator MPC System[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(5): 168-175. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0168

基于SPSA的蒸汽发生器液位MPC系统性能优化方法研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.05.0168
基金项目: 核电安全监控技术与装备国家重点实验室资助(K-A2020.412);福建省自然科学基金面上项目(2021J01676,2018J01564)
详细信息
    作者简介:

    耿鹏程(1996—),男,硕士研究生,主要从事数据驱动优化方面的研究,E-mail: gengpengcheng2020@163.com

    通讯作者:

    孔祥松(1982—),E-mail: xskong@xmut.edu.cn

  • 中图分类号: TL214

SPSA-based Performance Optimization Method for Steam Generator MPC System

  • 摘要: 核电厂蒸汽发生器(SG)液位变化过程具有强非线性且存在“虚假水位”现象,传统SG液位控制系统多采用固定参数比例-积分-微分(PID)控制器,但传统PID控制方法不具备自优化、自适应、自学习等能力,使得控制系统性能难以达到并保持最佳。为提高机组瞬态响应能力以及核电厂的稳定性、安全性和经济性,提出了一种基于并行摄动随机逼近(SPSA)算法的模型预测控制(MPC)方法。该方法采用MPC系统代替传统PID控制系统,并利用SPSA实现液位控制系统参数的整定优化,从而实现SG液位控制系统的性能优化。通过仿真试验验证了本方法能够有效提高SG液位控制参数的整定效率以及控制系统稳定性。

     

  • 图  1  模型预测控制结构图

    Figure  1.  Structure of the Model Predictive Control

    图  2  SG液位MPC系统结构图

    Figure  2.  Structure of SG Level MPC System

    图  3  SG液位MPC系统设计流程图

    Figure  3.  Flowchart of SG Level MPC System Design

    图  4  控制参数整定过程结构图

    Figure  4.  Structure of Control Parameters Setting Process

    图  5  SPSA算法流程图

    Figure  5.  Flowchart of SPSA Algorithm

    图  6  串级PID控制系统与MPC系统液位响应仿真试验结果对比

    Figure  6.  Comparison of Level Response Simulation Test Results between Cascade PID Control System and MPC System

    图  7  迭代轨迹图

    Figure  7.  Iteration Trajectory

    图  8  控制参数优化轨迹图

    Figure  8.  Optimization Trajectories of the Control Parameters

    图  9  优化前后液位对比

    Figure  9.  Comparison of Water Level Transient Response Before and After Optimization

    表  1  串级PID和MPC控制系统仿真参数设置

    Table  1.   Simulation Parameter Setting of Cascade PID and MPC Control System

    功率
    控制参数
    5%FP30%FP50%FP100%FP
    P10.0090.0780.110.28
    I12.3×10−62.67×10−507.57×10−4
    D10.70.20.50.79
    P21.31.01.11.14
    I250.520.40.59
    D20.200.20.15
    $ a $0.250.50.420.48
    $ N $44.86.276.25
    ${N_{\rm{p}}}$30303230
    下载: 导出CSV

    表  2  MPC系统控制参数约束范围

    Table  2.   Constraint Range of MPC System Control Parameters     

    参数约束范围
    $ a $[0, 0.5]
    $ N $[3, 10]
    ${N_{\rm{p}}}$[30, 50]
    下载: 导出CSV

    表  3  MPC系统参数设置

    Table  3.   Parameters Setting of the MPC System

    参数设定值
    液位目标设定值/mm0
    给水阀调节值0.5
    扰动比例/%5
    扰动设定时间/s100
    仿真总时长/s1200
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-26
  • 修回日期:  2021-11-16
  • 刊出日期:  2022-10-12

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