基于模糊PID的核电站蒸汽发生器水位控制研究

基于模糊PID的核电站蒸汽发生器水位控制研究

戴永锋

（中广核工程有限公司广东518124）

摘要：蒸汽发生器作为压水堆核电站一回路与二回路的热交换设备，其水位控制对核电站的安全稳定运行非常重要。水位控制不佳轻则威胁汽轮机损害设备，重则恶化堆芯热量导出引发跳机跳堆等事故。然而蒸汽发生器水位动态特性复杂，具有多变量、非线性、时变等特点，难以获得精确的数学模型，常规的PID控制效果并不理想。模糊控制作为智能控制的一个重要分支，对传统控制难以胜任的复杂控制问题具有很好的控制效果。结合常规PID控制、模糊控制的优点设计了模糊自适应PID控制器。通过MATLAB仿真，对比常规PID控制与模糊PID控制两种方案下的阶跃响应控制效果，模糊PID控制超调量更小，过渡过程更短，获得了良好的控制效果。

关键词：蒸汽发生器；水位；模糊控制；PID

1蒸汽发生器水位控制模型

根据系统辨识，获得蒸汽发生器的水位数据模型：

λW=0.2

D=W=35

式中GW（s）表示给水流量阶跃响应的传递函数；Gf（s）表示前馈传递函数；GD（s）表示蒸汽流量阶跃响应的传递函数；λW表示给水流量变送器比例系数；D表示蒸汽流量；W表示给水流量；s为拉普拉斯算子。

2模糊自适应PID控制系统设计

模糊控制的理论基础包括模糊语言变量、模糊集合和模糊逻辑推理等，其基本原理是按照专家知识或操作人员的经验对被控对象进行智能控制。模糊控制通过蒸汽发生器水位控制的基本原理和经验总结来设计控制器，因此不需获得蒸汽发生器水位控制系统的精确数学模型。同时模糊控制器具有类似常规PD控制器的作用容易获得良好的动态特性，具有较好的容错性。但是，模糊控制没有积分作用无法消除稳态误差，因此结合常规PID控制和模糊控制的优势组成复合型控制器，扬长避短，使蒸汽发生器水位控制具有良好的动态和稳态特征，从而提高系统运行的稳定性和可靠性。

模糊自适应PID控制器的结构主要由模糊推理部分和常规PID控制器部分组成。两个输入变量分别是误差e和误差的变化率ec，在常规PID控制器的基础上，根据不同的误差e和误差变化率ec进行模糊推理在线对PID参数进行自调整，从而使系统具有自适应能力。系统在运行过程中自动辨识输入变量e、ec的变化，运用模糊推理确定输入变量e、ec与输出变量Kp、Ki、Kd之间对应的模糊关系。根据模糊推理的结果，自适应机制对PID的3个参数Kp、Ki、Kd进行在线实时调整，以达到修改控制参数的目的。蒸汽发生器水位控制系统的模糊PID控制系统简图如图1。按照实际测量的结果，对PID控制器的参数进行修改，将传统PID算法和模糊控制的优势结合起来，从而实现对蒸汽发生器水位控制系统的改进。

式中N为常数，根据蒸汽发生器水位控制系统实际情况，取N=12。

4变量的模糊化和解模糊

模糊控制有两个输入变量，一个是偏差E，另外一个是偏差的变化率EC，模糊控制的输出变量为比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd。按照蒸汽发生器水位控制系统的控制需求，输入变量偏差E和偏差的变化率EC论域表达式如下：

E={-1，1}

EC={-2，2}

对应模糊集为：

E={NB，NS，ZO，PS，PB}

EC={NB，NS，ZO，PS，PB}

式中，NB代表负大，NS代表负小，ZO代表零，PS代表正小，PB代表正大。

输出变量PID控制器参数模糊论域可以表示为如下的形式：

kp、ki，kd={-2，2}

PID控制器参数的模糊集可以表示为如下的形式：

kp、ki，kd={NB，NS，ZO，PS，PB}

模糊推理的输出比例系数kp、积分系数ki以及微分系数kd只是一个模糊集合向量，需要进行去模糊化。去模糊化即将模糊推理结果转化为精确量的过程。常用的去模糊化方法有重心法、加权平均法等。本文采用工业控制中广泛使用的加权平均法，输出值表达式如下：

从图2可以看出，模糊自适应PID控制的阶跃响应曲线超调量明显减少，震荡消失，过渡过程缩短。模糊自适应PID控制系统的动态性能指标明显优于常规PID控制，具有更好的控制效果。

结束语

通过对蒸汽发生器水位控制仿真结果表明，结合常规PID控制、模糊控制的优点以及自适应控制设计的模糊自适应PID控制器对蒸汽发生器水位控制具有良好的控制效果。相比较于常规的PID控制，模糊自适应PID控制超调量明显减少，阶跃响应过渡过程明显缩短，具有很强的优越性。

参考文献：

[1]姜顿，刘向杰.核电站蒸汽发生器水位模糊预测控制[J].控制理论与应用，2015，32（12）：1705-1712.

[2]吴峰.基于自适应模糊控制的蒸汽发生器水位控制研究[J].数字技术与应用，2012（9）：1-2.