基于專用仿真機的核電站汽輪機轉速控制系統參數最優整定研究

王潛博

（中廣核工程有限公司，廣東深圳，518124）

0 引言

隨著核電站建設和運行中越來越強調專業化和精細化，近年來開始出現專用仿真機的趨勢，通過對核電站中某一流程單元甚至單一設備進行深度仿真，提高調試和運行的準確性和安全性，很好地彌補了通用仿真機在具體設備或設備單元層面不夠專業的不足[1,2]。基于該專用仿真機，對汽輪機的進行了控制系統參數優化研究。結果表明，專用仿真機能滿足現場瞬態試驗與控制系統設計、組態需求。

1 核電站汽輪機專用仿真機簡介

汽輪機轉速控制系統對整個核電廠的安全運行有著極其重要的意義。汽輪機轉速控制系統專用仿真機的主要功能就是運用計算機技術、仿真技術、軟硬件技術實現一個用于汽輪機控制系統設計與調試的仿真平臺，提高調試效率和水平。與傳統的大型全范圍仿真機相比，該專用仿真機構建更加簡潔，使用和維護非常簡便和低成本。

仿真測試裝置完成了汽機控制系統包括汽機啟停、轉速控制、負荷控制、快速甩負荷、RunBack、汽機自動試驗、汽機超速等在內的重要機組控制功能的測試試驗，以及汽機控制系統與其他接口系統的聯調試驗和汽機監視系統通道校驗試驗等關鍵調試活動。仿真調試裝置與汽輪機控制系統連接功能框圖如圖1 所示。

2 基于專用仿真機的汽輪機轉速控制系統參數優化方法

2.1 汽輪機轉速控制

汽輪機轉速調節系統主要包括實際轉速測量和處理模件、轉速設定值模件以及轉速調節器等三大部分，其作用是根據汽輪機自啟動程控設定的目標轉速，完成汽輪機從啟動到中速暖機、再升至額定轉速暖機到同期并網的轉速控制。在這過程中，為了限制汽輪機的熱應力，機組的升降速率取決于熱應力評估模塊，運行人員無法手動干預。另外，根據功頻一致原理，機組并網期間也可通過轉速控制達到負荷控制的目的。

圖1 仿真調試裝置與汽輪機控制系統連接功能框圖

汽輪機自啟動程控發出暖機有效指令，將目標轉速設定為暖機轉速390r/min。延時轉速設定值會按一定的速率逐漸升高，同時調門逐漸開啟，主機轉速跟隨轉速設定值一起升高。經過一定時間暖機，程控判斷暖機結束并且運行人員釋放額定轉速后，程控將汽機目標轉速設為1515r/min，調門逐漸開大，汽機轉速跟隨轉速設定值一起升高。發出并網請求后，根據同步升降轉速的需要將目標轉速根據同期增減信號調整轉速。到并網同步結束后，目標轉速切回存儲器中記錄的1515r/min，直到汽機并網帶負荷到最小負荷以上，目標轉速再切為額定轉速值1500r/min。機組并網后的實際轉速取決于電網頻率。

2.2 控制器參數的整定優化

控制器參數的選擇直接影響到控制系統的控制效果。近年來，控制器參數的整定技術越來越受到重視，在工業中得到更廣泛的應用。經調查，工業中90%的控制器為PID 控制器，其中大部分的控制性能并不理想，主要原因是控制器參數存在問題[3]。由于理論本身的局限性和調試工具的缺乏，目前工業上的PID 控制器參數整定仍然常常依賴經驗進行試湊[4]。隨著核安全要求的越來越嚴格和對核電廠運行要求越來越精準，對大規模、大容量、高參數的核電廠控制系統的控制器參數確定提出了更高的優化標準，傳統上的試湊方法不僅無法滿足這些要求，還存在著核安全隱患，況且實際工作中也不允許操作者進行頻繁試湊。因此，研究并開發一個能直接服務于現場調試試驗的控制器參數整定和優化工具具有重大應用價值。

控制器參數的整定優化一般經歷四個步驟：首先，取得用于模型辨識的階躍響應數據，這里通過專用仿真機的階躍試驗運行來得到；然后利用階躍數據通過模型辨識算法如最小二乘算法得到被控對象電動汽輪機轉速調節的傳遞函數模型；第三，運用專門的PID 參數整定算法如繼電器反饋法（Relay-Feedback，RF）進行參數的整定優化；最后，進行控制器參數整定優化前、后的控制系統性能比較，確定最終的PID 參數。其中，最關鍵的環節是采用RF 算法的參數整定分析。

基于RF 整定PID 參數的主要思想為用一個繼電環節代替PID 控制器，通過調節繼電器的滯環寬度和繼電器特性幅值，使得被控對象輸出振蕩波形，從而從該圖中獲得輸出波形的頻率和幅度，進而計算臨界點信息（臨界增益Ku 和臨界振蕩周期Tu），最后通過ZN 臨界比例度法獲得PID控制器參數。基于繼電反饋的單回路PID 控制器參數整定結構圖如圖2 所示。

圖2 基于RF 的單回路系統控制結構圖

從圖2 中可以看出，該控制器有兩個可以相互切換的模態，當操作者感覺需要重新整定PID 控制系數時，切換開關，接通繼電環節，進入整定模態。由于繼電特性，在系統穩定前，通常會產生一個穩定的繼電極限環振蕩，從而可以得到極限頻率 cW 和輸出幅值a。

從傅里葉級數展開的觀點來看，可以認為幅值a 是繼電器輸出的主諧波，因此極限增益可以近似為：

圖3 振蕩臨界點信息的確定其中u 為繼電特性幅值，a為被控對象輸出的振蕩幅值。在設定時，只需要調整一個參數，即繼電器的輸出幅值u（注意u 的選取必須綜合考慮辨識和控制性能）。所謂振蕩臨界點，即為繼電器描述函數的負倒數曲線與其奈奎斯特曲線的交點，如圖3 所示。

一旦確定了振蕩臨界點的臨界增益Ku 和臨界振蕩周期Tu，就可以根據如下經過優化處理的整定規則來整定PID參數，見表1 所示。

表1 原始ZN整定

2.3 PID 參數整定優化

根據汽輪機轉速控制系統結構圖，在仿真系統中搭建如圖4 所示的RF 整定分析。

圖3 振蕩臨界點信息的確定

圖4 轉速控制系統的RF 整定分析圖

調節繼電反饋器的繼電特性幅值，當調節繼電特性幅值為3 時，出現如圖5 所示振蕩波形。

由圖可知被控對象輸出的振蕩幅值a 平均為0.6，臨界振蕩周期Tu 為2，可根據ZN 臨界比例度法整定汽輪機轉速控制系統PID 控制器參數。

2.4 PID 參數整定的效果分析

將基于繼電反饋法的PID 控制器參數優化值與優化前的汽輪機轉速控制系統PID 控制參數值分別投運到專用仿真機，參數優化前后的調節器結構統一為：

為微分增益。

在核電汽輪機轉速控制系統中，控制器參數優化前采用的轉速控制器類型為PI 控制器，控制器參數為Kp=1.7，Ki=1.05；轉速控制器參數優化前后的控制器參數值的投運效果曲線如圖6 所示。圖中所示，采用基于繼電反饋法優化的P 控制器的系統階躍響應存在一定的靜差；采用基于繼電反饋法優化的PID 控制器的系統階躍響應超調為10%，調節時間為6 秒，不存在靜差；采用基于繼電反饋法優化的PI 控制器的系統階躍響應不存在超調和靜差，調節時間為7 秒；采用原始系統的控制器參數值的系統階躍響應超調為19%，調節時間8 秒，不存在靜差。綜上分析以及圖5 中所示，基于繼電反饋法的PI 控制器參數優化值的控制效果最好，明顯優于系統的原始控制器參數。

圖6 控制器參數優化前后轉速控制系統單位階躍響應比較

3 結論

本文利用已建成的專用仿真機進行了控制器參數的整定優化分析工作，整個整定優化過程包括四步，其中采用繼電反饋RF 算法的參數整定分析是其中關鍵的一步。通過整定前后的控制性能比較分析，整定效果令人滿意，不僅確定了最優的PID 參數，而且有助于選擇合適的控制器結構。