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蒸汽发生器水位改进分数阶控制器研究

更新时间：2019-12-30 08:40:45 大小：831K 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：蒸汽发生器分数阶控制器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

蒸汽发生器在瞬态扰动时存在严重的虚假水位现象,增加了低功率水位控制的难度.为研究蒸汽发生器低功率水位控制问题,利用线性参数变化理论,建立了时变的多胞线性参数变化模型.在此模型基础上,提出了分数阶控制器.依据分数阶微积分理论,设计了串级分数阶PIλDμ控制器.根据Ousta-loup间接离散化方法实现了分数阶PIλDμ控制并对Oustaloup方法进行了改进.研究了在负荷变化时,内环和外环4个阶次参数以及改进算法后2个参数变化对系统控制性能的影响.在不同功率区间,相同负荷变化的情况下,对改进后的串级分数阶PIλDμ控制器进行了仿真实验.结果表明,所设计的改进串级分数阶PIλDμ控制器能有效抑制干扰,分数阶微积分算子的阶次以及改进的Oustaloup方法引入的系数对控制效果均有一定影响,合理调节参数能明显改善系统的控制性能.

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蒸汽发生器水位改进分数阶控制器研究.pdf 831K

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第５２卷第７期  
２０１８年７月  
原
子
能
科
学
技
术
Vol ．５２ ，No ．７  
Jul ．２０１８  
Atomic Energy Science and Technology  
蒸 汽 发生 器水 位改 进分 数 阶 控 制 器 研 究  
郭
丹 ，夏 虹 *  
（哈尔滨工程大学 核安全与仿真技术国防重点学科实验室 ，黑龙江 哈尔滨 １５０００１）  
摘要 ：蒸汽发生器在瞬态扰动时存在严重的虚假水位现象 ，增加了低功率水位控制的难度 。为研究蒸汽  
发生器低功率水位控制问题 ，利用线性参数变化理论 ，建立了时变的多胞线性参数变化模型 。在此模型  
λ
μ
基础上 ，提出了分数阶控制器 。依据分数阶微积分理论 ，设计了串级分数阶 PI D 控制器 。根据 Ousta-  
λ
μ
loup间接离散化方法实现了分数阶 PI D 控制并对 Oustaloup方法进行了改进 。研究了在负荷变化时 ，  
内环和外环 ４个阶次参数以及改进算法后 ２个参数变化对系统控制性能的影响 。在不同功率区间 ，相  
λ
μ
同负荷变化的情况下 ，对改进后的串级分数阶 PI D 控制器进行了仿真实验 。结果表明 ，所设计的改进  
λ
μ
串级分数阶 PI D 控制器能有效抑制干扰 ，分数阶微积分算子的阶次以及改进的 Oustaloup方法引入的  
系数对控制效果均有一定影响 ，合理调节参数能明显改善系统的控制性能 。  
关键词 ：蒸汽发生器 ；水位控制 ；分数阶微积分 ；Oustaloup方法 ；分数阶控制器 ；参数变化影响  
中图分类号 ：TL３６５  
文献标志码 ：A  
文章编号 ：１０００-６９３１（２０１８）０７-１２６８-０８  
doi ：１０ ．７５３８／ zk ．２０１７ ．ouxian ．０６６０  
y
y
Study on Improved Fractional Order Controller  
of Steam Generator Water Level  
*
GUO Dan ，XIA Hong  
（Fundamental Science on Nuclear Sa ety and Simulation Technolo  
L aborator ，  
y
f
gy  
H arbin En ineering Universit ，H arbin １５０００１ ，China）  
g
y
Abstract ： The steam generator exists the serious false water level phenomenon in a  
transient disturbance ． The difficulty of controlling water level in the low power  
increases ．In order to study the low power water level control problem of steam genera-  
tor ，a time-varying linear parameter change model was established by using linear  
arameter change theory ．A fractional order controller for the steam generator model  
p
was proposed based on this model ．According to fractional calculus theory ，fractional  
λ
μ
order PI D was adopted ．Oustaloup indirect discretization method was used to realize  
λ
μ
the fractional order PI D control and the Oustaloup method was improved ．The influ-  
ence of four order parameters of inner-loop and outer-loop and two parameters of the  
收稿日期 ：２０１７-１１-０２ ；修回日期 ：２０１８-０４-１２  
基金项目 ：国家自然科学基金资助项目（５１３７９０４６）  
作者简介 ：郭 丹（１９９０— ） ，女 ，黑龙江巴彦人 ，博士研究生 ，从事蒸汽发生器水位建模与控制研究  
* 通信作者 ：夏 虹 ，E-mail ：xiahong＠ hrbeu ．edu ．cn  
网络出版时间 ：２０１８-０５-１５ ；网络出版地址 ：http ：∥ kns ．cnki ．net／kcms／detail／１１ ．２０４４ ．TL ．２０１８０５１５ ．１０２４ ．００６ ．html  
万方数据  
第７期  
郭
丹等 ：蒸汽发生器水位改进分数阶控制器研究  
１２６９  
improved method varying on system control performance was studied when the load  
changed ．In different power intervals ，the simulation experiments of the improved  
λ
μ
cascade fractional PI D controller were carried out in the case of the same load change ．  
λ
μ
The analysis result shows that the designedimprovedcascade fractional PI D controller  
can resist interference effectively ．The four order parameters of inner-loop and outer-  
loop and two parameters of the improved method varying influence control effect to a  
certain degree ．Adjusting theparameters reasonablecanimprove the transient character-  
istics of the system obviously ．  
Key words ：steam generator ；water level control ；fractional calculus ；Oustaloup meth-  
od ；fractional order controller ； arameter variation effect  
p
蒸汽发生器（SG）是核电站用于连接一回  
路与二回路的换热桥梁 。其中 ，蒸汽发生器水  
位更是影响核安全至关重要的变量 。只有将蒸  
汽发生器水位控制在容许范围内 ，才能确保核  
电厂运行的安全可靠性 。目前 ，绝大部分 SG  
水位控制系统均采用传统的串级 PID 控制方  
法［１］ 。但 SG 水位存在由收缩与膨胀现象引  
起的逆动力学效应 ，使低功率时传统的 PID  
控制的控制效果在瞬态情况下仍存在很大的  
提升空间 。为改善 SG 水位的控制效果 ，国内  
克服该被控对象的时变 、参数和结构的不确定  
性 ，改善传统串级 PID 控制器的瞬态性能 ，分  
λ
μ
析 PI D 控制器分数阶阶次及改进 Oustaloup  
算法引入的参数在可控范围内变化时对所设计  
控制系统的影响 。  
1 蒸汽发生器数学模型  
本文采用 Irving 等［９］给出的 SG 的简化数  
学模型 ，给水流量和蒸汽流量作为输入信号 ，水  
位作为输出信号 ，其状态方程形式如下 ：  
外研究人员做了许多研究 。 如 H  
∞
控制［２-３］ 、  
x（t） ＝ Ax（t）＋ B u（t）＋ B （t）  
•
１
２
v
q
模型预测 控制［４］ 、模糊控制［５］ 、神经网络控  
制［６］等 。这些方法在 SG 水位的控制上取得  
了一定的效果 。  
y
（t） ＝ Cx（t）  
（１）  
（t）］T  
其中 ：x（t）＝ ［x  
１
（t） x  
２
（t） x  
３
（t） x  
４
（t） x  
５
表示状态变量 ；u（t）为给水流量 ，是系统的控制  
输入 ；（t）为 SG 水位 ；  
v
（t）为 SG 的出口蒸汽  
y
q
分数阶控制系统是以分数阶微积分控制理  
论为基础 ，继承了传统 PID 控制的思想 ，而又  
有所发展的创新型控制技术 。随着分数阶微积  
分理论的不断完善 ，分数阶控制成为当前控制  
领域较热门的研究方向之一 。 Podlubny 等［７］  
于 １９９９ 年提出了分数阶 PID 控制器 ，其一般  
流量 ；系数 A 、B  
１
、B 、C表达式分别为 ：  
２
０
０
０
０
０
０
０
０
０
１
０
０
G
G
１
１
τ－  
２
０
２
／τ  
２
－
－
１
A
０
０
０
２τ－  
１
G３  
０
＝
－
２
２
２
－
τ－  
１
４π T  
１
－
－
λ
μ
格式简记为 PI D ，增加了积分阶次 λ、微分阶  
０
１
－
T
次 ，较整数阶 PID控制器多了两个可调参数 ，  
１
G
－
０
０
１
μ
λ
μ
增加了控制器设计的自由度 。分数阶 PI D 控  
G２  
／τ  
２
１
１
０
０
制器的概念提出后成为国内外学者的研究热  
B１  
B２  
０
０
１
C
＝
＝
０
＝
λ
μ
点 。然而现有文献大多是将分数阶 PI D 控  
０
０
制器应用于单输入单输出的低阶线性简单被  
λ
μ
控对象 ，对于将分数阶 PI D 控制器应用于蒸  
汽发生器这类多输入单输出高阶复杂模型则  
鲜有研究［８］ 。  
其中 ，G  
１
、G  
２
、G  
３
、τ  
１
、τ  
２
、T 为与功率 有关的参  
p
数 ，其在 ５个典型功率点处的值列于表 １。  
利用线性参数变化理论 ，建立 SG 水位的  
多胞 LPV 模型 ：  
本文针对蒸汽发生器模型提出基于 Oust-  
•
ꢀ
ꢀ１  
ꢀ２  
aloup 间 接 离 散化 方法 实现 的 串 级 分 数 阶  
x（t） ＝ A（ ）x（t）＋ B （ ）u（t）＋ B （ ）  
v
（t）  
（２）  
p
p
p q  
万方数据  
λ
μ
ꢀ
PI D 控制器 ，利用分数阶控制器的独特优势  
（t） ＝ Cx（t）  
y

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