積分飽和對核電廠運行的影響及解決方法

薛闖

摘 ?要：核電廠的自動控制系統多為PI、PID調節系統，為了系統調節的精確性加入了積分環節。但積分在工程應用中存在積分飽和問題，文中介紹了核電廠中積分飽和給運行帶來的不利影響，以及應該采取的相應措施。對核電廠的正常運行起到一定的借鑒意義，在機組上具有一定的實用價值。

關鍵詞：PI;積分飽和;運行;手動

Abstract：Most of Automatic control system are PI or PID control system in nuclear power plant.For system control precision，we joined the integral link.But there are the integral saturation problems in engineering application.This paper introduces the negative influence of integral saturation in the nuclear power plant to run，and should take the corresponding measures.It have some reference to the normal operation of the plant，on the unit has a certain practical value.

Keywords：PI;integral saturation;running;manual

1.積分飽和現象簡介

1.1積分飽和的概念

在執行機構的調節器存在積分作用時，如果執行機構已經到極限位置，仍然不能消除偏差時，由于積分作用，調節器輸出的運算結果將繼續增大或減小，但執行機構只能輸出最大值或最小值;當偏差反向變化時，由于積分項的累積值已很大，需要一段時間才能脫離飽和區，執行機構才能動作，這樣系統會出現明顯的超調，這就是積分飽和現象。

1.2積分飽和產生的原因[1]

積分調節器的輸出μ（t）與其偏差輸入信號e（t）隨時間的累積值成正比，即u（t）=（1/Ti）∫e（t）dt

式中Ti為積分時間常數，積分時間越小，控制作用越強;反之，控制作用越弱。

積分控制器的輸出不僅輸入的偏差大小有關，而且與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會不斷累積，一直偏差為0，累積才會停止。所以，積分控制的作用就是可以消除誤差。但是，積分作用存在控制不及時的缺點，因為u（t）是隨著e（t）逐漸累積的，其產生的控制作用總是落后于偏差的變化;再比如本文重點講到的積分飽和引起的響應滯后問題。

下面結合圖一和圖二介紹下積分飽和產生的原因。

各執行機構（如閥門）是由調節系統自動控制的，而調節系統中往往包含有積分環節來消除誤差，從而提高調節系統的精度。然而積分環節調節過量會引起積分飽和，帶來調節響應滯后的問題。如圖一所示，當輸入量e（t）不為0（假設大于0）即系統存在偏差時，調節系統的輸出u（t）便開始隨著積分累積而逐漸增加，時間越長，u（t）也越大，閥門也會開的越大。當閥門開到100%的開度時，若e（t）仍大于0，這時u（t）的繼續增加將不會導致閥門的繼續開大，調節器進入飽和狀態，輸出u（t）的飽和狀態即為調節系統的積分飽和，時間越長，調節器的飽和程度越深。當e（t）=0時，u（t）不再增加，但也不會減小，調節器仍處于積分飽和狀態;當e（t）<0時，調節系統需要閥門立即關小，但此時調節器的積分飽和積分部分才開始減小，直到飽和部分抵消即u（t）回到100%以內后，閥門才能開始動作，這樣積分飽和就引起了響應滯后的問題。如圖二所示，e（t）由正值變負值時，u（t）達到最大值，從最大值到閥門限值u（max）的區間為調節死區。

2.積分飽和對我廠運行的影響

我廠的重要調節系統是需要快速調節響應的，因此調節系統積分飽和帶來的響應滯后問題很可能造成非常不利的后果。這就要求我們必須對積分飽和現象給予足夠的重視，并有針對性的采取相應措施，來避免由此帶來的后果。下面我舉例分析積分飽和現象對我廠正常運行時可能造成的潛在后果，以及應該采取的必要預防措施。

2.1積分飽和造成的運行事件分析

2011年5月6日6：08，L4號機二回路水質合格后，當班值進行機組轉水轉汽操作，主控操縱員啟動APA102PO，蒸發器從L4ASG供水切至L4ARE，由于L4APA102PO啟動后L4ADG001DZ氧含量升高，決定盡快轉汽，將L4ADG切至VVP進行除氧。按操作單《GCT-a至GCT-c的切換》準備進行L4GCT-a切至L4GCT-c時，發現501KC/502KC仍處于閉鎖狀態，當值操縱員對501KC/502KC進行解鎖操作。解鎖前SG3水位最高，約0.03米左右，GCT壓力定值72.1 bar，VVP024MP壓力72.8bar，由于之前壓力定值低于VVP母管壓力時間較長，GCT401KM給出的開度需求已積分至100%。當GCT501KC/502KC相繼解鎖后，L4GCT-c第一組閥門按照需求信號開啟，開度接近100%。SG3因虛假水位上升到0.93米，P14信號觸發，主給水隔離。

這是典型的積分飽和造成運行操作失誤的案例，也證明了積分飽和現象的確會引起核電廠運行上的問題，因此我們必須對積分飽和現象給予足夠的重視。這次事件對我廠的啟示在于操縱員在開啟GCT501KC/502KC之前，應該關注GCT-C積分調節器的輸出量（401KM），并將402KU打手動并關閉GCT-C，再進行解鎖操作;鑒于我廠的調節器在手動時，調節器自動部分輸出有跟蹤手動的功能，因此在402KU打手動后再放自動，自動輸出的設定值即為當前的壓力值，這樣就可以避免由于積分過量產生的閥門突開現象，也可以立即消除積分飽和產生的閥門滯后響應問題。

3.2.1PI調節器的性能調試：

當前機組處于調試階段，對各個PI調節器的參數（比如積分時間常數等）需要認真調試，嚴格把關，使各個調節系統都處于良好的調節狀態，避免由于參數設置不當而容易造成積分飽和的現象。

3.2.2執行機構必須運行在調節區范圍內：

執行機構（如閥門）必須運行在正常的調節區范圍內，才能保持良好的調節特性。如RCV013VP正常調節區間在30%-70%左右，閥門開的過大或過小都會導致調節的能力和欲度降低，更容易導致積分飽和現象的發生。

3.2.3關注PI調節器的輸出：

在將執行器投入之前，需要關注調節器的輸出，避免某些情況下由于調節器偏差導致輸出量的不斷增加，甚至積分飽和，在執行器投入之后產生突開突關的巨大擾動。比如前文提到的GCT-c解除閉鎖時導致閥門突開的經驗反饋;再比如ARE小閥切大閥的操作，開啟ARE031VL出口隔離閥ARE052/054VL前，一定要關注ARE031VL的開度，若存在開度會導致開啟隔離閥后造成給水的擾動。

3.2.4打手動消除積分飽和：

對于積分飽和或積分過量的調節器，我們可以采用打手動控制的方法。圖四所示為ADG031VV的控制邏輯圖[3]，自動控制時偏差信號經PI調節器調節后經A/M轉換器控制ADG031VV，此時A/M轉換器只起到通道作用，不參與調節。當發生積分飽和時，PI調節器的跟蹤環節TR1的輸出就不斷累加，即發生超調現象。這時將A/M打至手動位，由于自動跟蹤手動，TR1的輸出量立即變為手動輸出的量，此時再放回自動，PI部分就從當前的量增加或減小，這樣就可以立即消除積分飽和的部分，加快了調節器的響應速度。

所以在發生積分飽和時，我們可以先將調節器打至手動，將閥門調至線性調節區內，再將調節器放回自動，這時調節器就會在當前的線性區間內正常調節了。

4.結論

積分飽和現象在我廠正常運行時極有可能會出現，為了避免或減小積分飽和造成的影響，我們需要對它加強關注，并采取必要的預防措施。本文提到的幾點建議希望能對我廠機組的正常運行提供點幫助。鑒于本人知識水平和時間的限制，錯誤在所難免，如有不對之處還請批評指正，謝謝！

參考文獻

[1] 吳兆智，PID調節器的“積分飽和”及“抗積分飽和”問題的解析[J];工業加熱;1988年03期

[2] 楊錦，數字PID控制中的積分飽和問題，華電技術，2008，30（6）：64-67

[3] 王琦，ADG系統手冊，華東院，2010，（6.3）：7