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浮动核电站OTSG蒸汽压力线性自抗扰串级控制设计与验证

张涛 石波 吴治江 郭伟

张涛, 石波, 吴治江, 郭伟. 浮动核电站OTSG蒸汽压力线性自抗扰串级控制设计与验证[J]. 核动力工程, 2024, 45(3): 186-192. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0186
引用本文: 张涛, 石波, 吴治江, 郭伟. 浮动核电站OTSG蒸汽压力线性自抗扰串级控制设计与验证[J]. 核动力工程, 2024, 45(3): 186-192. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0186
Zhang Tao, Shi Bo, Wu Zhijiang, Guo Wei. Design and Verification of OTSG Steam Pressure Linear Active Disturbance Rejection Cascade Control for Floating Nuclear Power Plant[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(3): 186-192. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0186
Citation: Zhang Tao, Shi Bo, Wu Zhijiang, Guo Wei. Design and Verification of OTSG Steam Pressure Linear Active Disturbance Rejection Cascade Control for Floating Nuclear Power Plant[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(3): 186-192. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0186

浮动核电站OTSG蒸汽压力线性自抗扰串级控制设计与验证

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.03.0186
详细信息
    作者简介:

    张 涛(1995—),男,工程师,现主要从事新型堆控制系统设计、先进控制技术应用等工作,E-mail: 2336483465@qq.com

    通讯作者:

    石 波,E-mail: 85811281@qq.com

  • 中图分类号: TL353.13;TM623

Design and Verification of OTSG Steam Pressure Linear Active Disturbance Rejection Cascade Control for Floating Nuclear Power Plant

  • 摘要: 浮动核电站的直流蒸汽发生器(OTSG)汽水容积和蓄热量较小,在存在外部扰动及负荷变化时,蒸汽压力波动较大,基于局部模型建立的单一工况水平下的比例-积分-微分(PID)控制器难以实现全工况范围内的良好控制。为此,基于系统辨识方法得到OTSG在不同工况下的传递函数模型,采用梯形隶属度函数进行加权,建立适用于OTSG蒸汽压力控制的全工况模糊模型,并将线性自抗扰控制器(LADRC)应用于OTSG的外回路,设计LADRC串级控制系统。结合频域分析方法给出OTSG稳态运行和变工况运行的LADRC工程参数调整规律,在此基础上进行参数整定,并与PID串级控制系统进行性能对比。仿真结果表明,相比PID串级控制,LADRC串级控制的响应速度更快、控制误差更小、抗干扰性和鲁棒性更强。

     

  • 图  1  二阶线性自抗扰控制系统结构图

    r—系统设定值;y—系统输出值;u—控制量;z1y的估计值;z2y微分的估计值;z3—系统扰动的估计值;b0—高频增益;LESO—线性扩张状态观测器;GP—广义被控对象;kp—线性反馈比例系数;kd—为线性反馈微分系数

    Figure  1.  Second Order Linear Active Disturbance Rejection Control Structure Diagram

    图  2  LADRC串级控制系统结构

    δTi—一次侧进口温度扰动量;PM—压力测量反馈;FM—流量测量反馈;fq—阀门全开时的蒸汽流量与满负荷时的蒸汽流量修正系数;G1—阀门开度与二次侧进口相对给水流量的传递函数;G2—二次侧进口相对给水流量与二次侧蒸汽压力的传递函数;G3—一次侧进口温度与二次侧蒸汽压力的传递函数;G4—相对蒸汽流量与二次侧蒸汽压力的传递函数

    Figure  2.  Structure of LADRC Cascade Control System

    图  3  G1w0变化的闭环伯德图

    Figure  3.  Closed-loop Bode Diagram of G1 Varying with w0

    图  4  G1b0变化的闭环伯德图

    Figure  4.  Closed-loop Bode Diagram of G1 Varying with b0

    图  5  不同参数下LADRC串级控制性能时域对比

    Figure  5.  Time Domain Comparison of LADRC Control Performance with Different Parameters

    图  6  100%FP负荷稳态工况下的闭环伯德图对比

    Figure  6.  Closed-loop Bode Diagram Comparison under 100%FP Load Steady-state Condition

    图  7  降负荷工况下的开环伯德图

    Figure  7.  Open-loop Bode Diagram under Load Reduction

    图  8  相对压力阶跃下降10%的时域响应结果对比

    Figure  8.  Comparison of Time Domain Response Results of Relative Pressure 10% Step Drop

    图  9  相对蒸汽流量10%阶跃扰动的响应结果对比

    Figure  9.  Comparison of Response Results of 10% Step Disturbance of Relative Steam Flow

    图  10  设定值跟踪下的蒙特卡洛实验结果对比

    Figure  10.  Comparison of Monte Carlo Experiment Results under Set Value Tracking

    图  11  扰动作用下的蒙特卡洛实验结果对比

    Figure  11.  Comparison of Monte Carlo Experiment Results under Perturbation

    表  1  典型工况下OTSG传递函数模型

    Table  1.   OTSG Transfer Function Model under Typical Conditions

    负荷/
    %FP
    OTSG系统传递函数模型
    G2 G3 G4
    100 $ \dfrac{{0.14s + 0.16}}{{{s^2} + 31.06s}}{{\text{e}}^{ - 1.1s}} $ $ \dfrac{{0.02s + 0.005}}{{{s^2} + 0.54s + 0.065}}{{\text{e}}^{ - 0.8s}} $ $ - \dfrac{{0.051s + 0.0051}}{{{s^2} + 1.23s}}{{\text{e}}^{ - 0.6s}} $
    90 $ \dfrac{{0.08s + 0.06}}{{{s^2} + 14.47s}}{{\text{e}}^{ - 1.1s}} $ $ \dfrac{{0.018s + 0.002}}{{{s^2} + 0.35s + 0.023}}{{\text{e}}^{ - 0.8s}} $ $ - \dfrac{{0.048s + 0.0044}}{{{s^2} + 1.01s}}{{\text{e}}^{ - 0.6s}} $
    50 $ \dfrac{{0.03s + 0.03}}{{{s^2} + 4.57s}}{{\text{e}}^{ - 1.0s}} $ $ \dfrac{{0.0002s + 0.14}}{{{s^2} + 10.07s + 2.031}}{{\text{e}}^{ - 0.8s}} $ $ - \dfrac{{0.045s + 0.0037}}{{{s^2} + 0.53s}}{{\text{e}}^{ - 0.6s}} $
    30 $ \dfrac{{0.01s + 0.006}}{{{s^2} + 0.17s}}{{\text{e}}^{ - 0.9s}} $ $ \dfrac{{0.0072s + 0.022}}{{{s^2} + 2.03s + 0.326}}{{\text{e}}^{ - 0.8s}} $ $ - \dfrac{{0.044s + 0.0038}}{{{s^2} + 0.34s}}{{\text{e}}^{ - 0.5s}} $
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-25
  • 修回日期:  2023-11-22
  • 刊出日期:  2024-06-13

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