自控课程实计 核电站压水堆一回路水温控制.docx

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自控课程实计核电站压水堆一回路水温控制

自动控制原理实验课程

实验报告

题目：

核电站压水堆一回路水温控制

学号：

班级：

姓名：

学院:

自动化工程学院

实践报告内容（目录）

一、课程设计背景------------------------------1

二、控制对象建模------------------------------2

三、控制对象特性分析--------------------------3

四、控制策略的确定与实现----------------------3

五、实验分析----------------------------------7

六、课程设计体会------------------------------7

一.课程设计背景:

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。

图1是压水堆核电站的大致的过程原理图。

图1

核岛部分的关键设备是反应堆，反应堆是由压力容器，堆芯，堆型构件和控制棒驱动机构组成。

反应堆的高度大致在6m左右，直径在3m左右。

问题描述:

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:

假设,T=0.2s;τ=0.4s

2.控制设计要求

试设计控制器

使系统的超调量

.

二.控制对象建模:

在Simulink中搭建系统控制模型,如图2所示.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:

图2

三.控制对象特性分析:

被控对象为:

;该开环传函为一阶惯性串接纯延迟环节;

（1）其中放大系数K=1;时间常数T=0.2;延迟系数τ=0.4;

（2）在MATLAB中绘制开环Nyquist图,并利用Nyquist判据来判断系统的稳定性;

在MATLAB的命令窗中键入:

”n=[1];d=[0.21];tao=0.4;g0=tf（n,d,'inputdelay',tao）;nyquist（g0）”

得到Nyquist图形如图3:

图3

系统开环Nyquist图没有逆时针包围（-1,j0）点（红色十字标识）,又因为系统开环无又根,所以闭环系统稳定.

四.控制策略的确定与实现:

采用PID控制器进行温度控制

PID控制器（ProportionIntegrationDifferentiation.比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。

通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。

PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。

和其他简单的控制运算不同，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。

理论方法与实验技术：

衰减曲线经验公式法

衰减曲线法是通过使系统产生衰减振荡来整定控制器的参数值的。

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K1，振荡周期Tk；

（2）计算此时的比例带δk，δk=1/K1。

（3）再根据表计算出积分时间和微分时间。

PID型控制器（比例积分微分控制器）：

在阶跃响应刚开始受到微分作用的影响，函数衰减，由于衰减的幅度越来越小，随后在积分比例环节作用下呈现递增趋势。

实验设计与实现：

（1）积分环节和微分环节不工作，进行比例增益为1的控制试验。

获得的控制响应波形如图4。

图4

单独调整比例参数，在Kp=1时，衰减比为3.013:

1；

单独调整比例参数，在Kp=1.5时，衰减比为1.234:

1；

单独调整比例参数，在Kp=0.8时，衰减比为5:

1；

单独调整比例参数，在Kp=0.9时，衰减比为3.713:

1；

因此，应单独调整比例参数，逐次增大，发现大约在Kp=0.882的时候，出现了所谓4:

1的衰减比，如图5:

图5

此刻的比例系数K1=0.882，振荡周期Tk=1.1764。

（2）此时的比例带δk=1/K1=1.1338。

（3）根据衰减振荡法PID参数整定表可得：

Kp=1.1025，Ki=1/Ti=2.8335，Td=0.11764。

此时的控制响应波形如图6。

图6

由波形图得

;

;

超调量:

经计算σ％=72.98％

10％;所以不满足σ％

％;

调整后,得到无扰动情况下的PID参数:

Kp=0.6;Ki=2.8;Td=0.045;

此时σ％=5.81％

10％;成立.波形图如图7.

图7

加入扰动D（s）后,调整Kp=0.21;Ki=0.01;Td=0.007;如图8所示:

图8

图8

由图可得此时的超调量σ％=8.7％

％;满足条件.

五.实验分析

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%.为了满足预订的性能指标,分析了系统的特性,我选用了PID控制器对系统的性能指标进行整定.

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,Ti积分时间,Td微分时间.在调整的过程中逐渐认识到,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Ti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Td有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，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。

六.课程设计体会

在本次的实验设计中,让我们对自动控制原理有了更深刻的认识。

运用了自动控制领域最常用的PID控制，基本掌握了PID控制的基本规律，同时也认识到自动控制系统的复杂性.借助Matlab及Simulink软件，可以分析出系统的特性以及调节方向.利用Simulink模块提供的编程环境对各类PID控制器进行编程仿真.

实验中,对PID控制器的各项参数的反复调制,不同的比例,积分,微分环节分别系统造成的不同影响,以及加入扰动后系统的改变,成为了我此次课程设计中最大的难题.为了最佳的控制效果，就要一遍一遍不断地尝试，认真的总结规律，统筹各方面指标要求，合理规划参数配置。

这一次的课程设计是对我们这一学期自动控制原理实验的综合检验,从中收获了很多，感谢一直帮助我们的指导老师，我相信会好好珍惜这份经历，吸取经验和教训。

在将来能够更好得去学习理论知识，学习运用能力。