基于MELTAC—R3技術PID無擾切換的研究

王瑜+艾強發

【摘 要】CPR1000核電廠的眾多系統采用PID控制，實現手動和自動控制的無擾切換關系到執行機構的壽命，影響機組的穩定運行，是控制邏輯設計時重點要考慮的問題。通過對MELTAC-R3平臺的PID無擾切換研究，對后續安全級DCS實現國產化有著重要的意義。

【Abstract】Many system of CPR1000 nuclear power station adopts PID to control. It is a key problem in the design of control logic to realize the switch between manual and automatic control. Through the research of the MELTAC-R3 platform's PID switch， it is very important for the realization of the domestic DCS.

【關鍵詞】PID；DCS；無擾切換

【Keywords】PID；DCS；disturbing switching；

【中圖分類號】TM315 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0112-02

1 引言

PID控制器具有穩定性強、使用方便、無靜差跟蹤等特點，被廣泛應用于各種工業自動控制過程。隨著數字化儀控系統（DCS）技術日趨成熟，中國改進型三環路壓水堆（CPR1000）的眾多工藝參數（溫度、壓力、流量等）系統采用PID控制，其控制回路有手動和自動控制兩種方式。當自動切換到手動，執行器保持在手動切換前狀態，由手動輸入值控制，無擾動；當手動切換自動，若輸出與切換前不一致，則產生輸出擾動，對現場控制過程造成很大干擾。因此，保證手自動的無擾切換，無須人工進行手自動的對位平衡操作，是PID控制方案設計需考慮的重要問題之一。

2 PID的擾動分析

PID采用線性調節，通過對偏差（給定值r（t）與輸出值c（t）之差）進行比例P、積分I、微分D計算后，實現對被控系統的控制。

典型的PID算法如下：

在核電站的控制調節中，調節閥一般都具有手自動兩種控制功能。手動狀態時，PID調節不起控制作用，調節閥由操作員手動通過手操器設定閥門開度。此時，根據前文描述，偏差

當控制器由手動切換到自動時，PID調節器接手手動控制作用，由上述兩個條件得知，PID輸入偏差e（t）為0，控制器不執行調節作用，此時，輸出保持最后的手動控制值；由于PID調節器的輸出U（t）等于切換前的手動控制值，切換瞬間輸出不變，不會引起系統擾動[1]。

3 MELTAC-R3平臺PID無擾切換的實現

某核電廠（CPR1000）安全級DCS平臺采用日本三菱電機公司供貨的MELTAC-N-PLUS-R3技術，按照核安全分級原則，將部分SR級和全部1E級的控制邏輯在安全級DCS平臺中實現。其中，涉及模擬量調節控制部分的主要有GCT-a閥門開度控制、 ASG/RRA/RCV等相關系統的核安全相關調節閥的控制。下面以GCT-a閥門為例說明PID調節器的無擾切換功能。

GCT-a閥門的控制分為自動和手動兩種方式，控制的輸入測量值是VVP主蒸汽管線壓力，整定值由操作站給出，當操作站置于外部模式時，整定值是78.5bar.a；當操作站置于內部模式時，整定值由操縱員手動設定SV值給出。CPU根據測量值和整定值的偏差信號，輸出GCT131VV的開度信號。GCT131VV也可以通過操作站MV手動控制閥門開度。

比例環節作用是輸出不失真、不延遲、成比例的復現輸入信號的變化。增大比例系數P可以加快系統的響應，比例系數過大會使系統有較大的超調量，產生振蕩，破壞調節系統的穩定性。對于積分環節，增大積分時間常數可以減小超調和震蕩、使系統更加穩定，但是增加積分時間會延長系統消除靜差的時間。GCT-a閥門的PID調節未使用微分環節。

3.1 自動控制方式

控制器選擇自動模式，最終輸出模塊的輸入為S端，即PID調節器（XGCT402RG15）。PID調節器正常工作，輸入為現場實測壓力和設定值之差。PID調節器的輸出經過限值模塊LMT由AO卡輸出。

3.2 自動模式切換到手動模式

自動模式時，手動輸入MV值跟隨自動輸出，手操器的輸入即為自動模式的輸出，實現自動模式下手動設定值跟隨自動模式的PID輸出。當切換到手動控制時，因初始手動設定值MV跟隨自動模式時PID的輸出，擾動偏差為0，實現自動切換到手動的無擾切換。

3.3 手動控制方式

手動控制時，PID調節器的輸入切換為R手動設定值，實現手操器對就地閥門的直接控制。

3.4 手動模式切換到自動模式

手動模式時，PID運算自動選擇器（XGCT402RG14）選擇輸入為手動輸出值XGCT402ME2與比例環節之差。而PID調節器（XGCT402RG15）的輸入為XGCT402RG14與比例環節之和。因此，手動控制時，PID調節器的輸出為手動輸出值先減去比例環節再加上比例環節，即實現了PID調節的輸出跟隨手動輸出值。此時，當閥門控制切換到自動控制時，初始擾動偏差為0，實現了手動切換到自動的無擾切換。

4 結論

論文結合安全級DCS的工程實踐，對MELTAC-R3平臺PID調節器的控制原理和功能做了詳細介紹。通過PID無擾切換的算法分析，本質在于手動控制可以消除長時間積分的偏差，使系統更加快速的調節；而自動控制時可以消除比例作用和微分增益在切換時引起的偏差。PID調節器的手/自動無擾切換關系到現場執行機構的運行壽命和機組的穩定運行，是我們在做控制方案設計時需要重點考慮的問題，也是閉環控制系統組態調試需解決的關鍵問題。CPR1000核電廠采用DCS控制系統后，由于數字化帶來的方便性，功能強大的PID模塊與其他模塊配合使用使參數跟蹤更易于實現，實現各種各樣的無擾切換要求。

【參考文獻】

【1】黃翼虎，賈喜梅，周澤魁.調節閥PID控制器自動/手動無擾切換的實現[J].制造業自動化，2003（4）：85-86.