罗家欢，陈树明，刘勇，张厚明2
（1.中国原子能科学研究院，北意102413:2.国家核安全局华北核与辆射安全道餐站北京100191）
摘要：本文分绍了基于模期控制的中国实验快堆给水调节方案，利用Matiebsimulink平台搭建了仿真 模块，并借助该平台对给水调节方案进行仿真研究，测试了在不同扰动下模额控制器的控制效果，将结果与传统的PID控制进行对比、为CEFR给水调节方案提供了建议.
关键调：实验快堆：模期控制：给水调节：仿真
中图分类号：TL364文章标志码：A
文章编号：0258-0918(2014)02-0145-06
Simulation Study onFeedwater Regulatingfor China Experimental Fast Reactor（CEFR）BasedonFuzzy ControlMethod
LUO Jia-huan' CHEN Shu-ming' LIU Yong' ZHANG Hou-ming
(1. China Institste of Atomic Energy Beijing 102413; 2. North Regional Offioe NNSA Beijing 100191)
Abstract;In this paper China Experimental Fast Reactor (CEFR) feedwater regulatingon feedwater regulating scheme with a simulation platform of which the simulation scheme based on fuzzy control method was introduced. Research work was performedmodule was developed based on Matlab Simulink platform.The control effeet of fuzzycontroller under different perturbations was tested and the results were pared withthat of conventional PID control method. At last suggestions for CEFR feedwater regulating scheme were provided.
Key words:CEFR; fuzzy control; feedwater control; sirmulation
快堆是由快中子引起原子核裂变链式反应验快堆工程（CEFR）属于“863计划"国家重点实验性核反应堆工程，是我国第一座钠冷池式 快中子反应堆，也是我国第一座供试验研究和工程考验的钠冷快中子增殖反应堆，CEFR的热功率为65MW，电功率约20MW，具有三个回路.
的反应堆，在核能领域占有十分重要的地位. 它不仅可以将轴资源的利用率提高到60%~70%，而且还可以焚烧反应堆中长寿命的放射性元素，这些优点使得快堆成为第四代核电站堆型中发展前景最被看好的堆型之一.中国实
素多，以及不确定性等特性，不利于给水控制：（2）若采用PID控制方案，在不同运行工况下为了得到较好控制精度，需要对PID参数进行中进行参数整定存在一定风险，这给给水调节 重新整定，若用实际的蒸汽发生器在调试过程带来很大不便，
CEFR三回路给水系统包括：蒸汽发生器，给水调节阀，调速给水泵以及相关的管路和阀门等，其中蒸汽发生器是其主要组成设备，是二、三回路热量导出的枢纽.CEFR的燕汽发 生器与一般压水堆的蒸汽发生器在结构和运行方式上区别很大.CEFR中所采用的是直流式燕汽发生器，在直流蒸汽发生器中，工质的流动依靠给水泵的压头来实现，外力强追工质一次流过传热管，随着水沿传热管流动，水被载热剂 钠加热，经预热、燕发、过热面达到所要求的温度.
随着科学技术的发展，以模糊控制为代表的现代控制理论和智能技术的应用为解决复杂控制问题提供了可行的方案1.目前，智能控 制技术已经在工业过程，机械制造，电力电子学等领城得到了广泛的应用.本课题尝试用基于模糊控制的技术来设计CEFR的给水调节方案，给出合理的控制器模型及参数，并为后续 CEFR直流式蒸汽发生器给水控制的修改提供可供参考的技术方案，
直流蒸汽发生器的优点是：它不需要装设汽水分离器，结构简单：静态特性好，机动性能 也好：由于产生的是过热蒸汽，温度较压水堆高，在汽轮机高低压缸之间可不装去湿装置，简化了系统，并可提高装置热效率.
1整体研究框架
直流式燕汽发生器的缺点是：对给水品质和传热管材的抗腐蚀性能要求高：因水容积小， 蓄热能力小，对自动控制的要求高：存在水动力特性的不稳定性和整体脉动问题.
的相互关系以及和外部的输人输出的边界 本文的研究范围如图1所示，各模块间如图中所示，图中左右虚线范围内为本课题研究范围，右端加“”的表示给水系统的控下假设， 制目标量，在建立仿真模型时，本文做了以
由于直流式蒸汽发生器二次侧的热容积相对较小，因此，直流式蒸汽发生器给水控制设计 需要应对下述难点：（1）直流式蒸汽发生器的物理过程具有非线性，参数时变性，所受干扰因
图1研究范圈示意图Fig. 1Range of study
1.1CEFR给水调节系统控制原则
（1）假定给水温度为定值；（2）假定给水压力为定值，
CEFR给水调节系统的控制原则为：通过
调节蒸汽发生器给水流量来维持出口钠温不 变，并维持藏发器出口蒸汽过热度不低于15℃.其中，维持蒸汽发生器出口钠温不变是给水调节的主要任务.目前出口钠温的设计值是310±5℃.
1.2仿真模型概况
仿真模型如图2所示，图中共有三个主要模块，SG模块为蒸汽发生器，ValveSystem模块为阀门模块，PumpSystem为泵模块，VCtrl模块为控制器模块.
Fig. 2 Simulation model 图2仿真模型
设计出来的控制器如图3所示，控制器共有六个输人，它们分别是蒸汽发生器入口钠流量 F蒸汽发生器人口钠温T蒸汽发生器出口钠温T给水温度T，当前给水流量F，蒸汽发生器出口蒸汽温度Ts.控制器共有两种工作模式，即粗调模式和细调模式，模式状态由 FuzzyLogicController模块即模糊推理模块决定，该模块有两个输出，一个输出口为当前控制状态量，输出值有两个值1和一1.分别对应两种控制模式：另一个输出口为阀门开度控制 信号.Fwcalculator模块为给水流量偏差计算模块，它的作用是计算给水流量需求值与当前值的偏差，模块T1和模块T2为两个用M文件写成的自定义模块，T1模块是一个记忆模块，作用是当发生控制模式切换时，记忆切换时 刻的阀门开度值，T2模块的是积分重置模块，作用是当发生控制模式切换时，将钠温偏差信号的积分值重置清零.VL模块为阀门驱动机构.
2控制器的设计
2.1设计思想
由于在传统工业中应用的PID控制方案在面对大扰动以及变工况的非线性问题时控制效果不是特别理想，因此，新设计的控制器必须 能够在大扰动时保持良好的控制品质，同时能够应对变工况的情景.根据CEFR的控制原则，控制器的设计思想主要有以下两条：（1）当出现较大扰动时，优先考虑响应时间，即通过快速调节给水流量来限制蒸汽发生器出口钠温变 化，并使其尽快回复到310C附近，此时不追录调节精度，（2）当扰动较小或出口钠温偏差已经较小但未稳定在310C时，通过微调阀门开度使得出口钠温稳定在310℃，此时不追求响 应时间.
2.2控制器模型
考虑给水调节最终是为了维持燕蒸汽发生器两侧传热平衡，并基于控制器设计的两条思想
图3控制器模型Fig.3 Controller model
此该模块共有7×4-28条模规则.
2.2.1模糊推理模块
（4）模糊规则适用度的计算：每一条规则的适用度由参与该规则的各语言变量的隶属度
模糊推理模块由以下5个部分组成：
（1）模块输人：模棚推理模块共有七个输人，从上至下分别为：蒸汽发生器人口钠流量，给水流量偏差信号，蒸汽发生器出口钠湿偏差， 积分重置模块T2输出值，当前阀位与记忆模块T1输出值的差值，当前控制状态值，蒸汽发生器出口钠温偏差的微分值.
门控制信号两个输出口，控制状态输出口输出 （5）模块输出：模块有阀门控制状态和阀当前控制模式.控制信号输出口输出阀门开度控制信号.
在细调模式下输出为.
（2）模糊变量：将参与逻辑判断的四个输况划分为七个语言变量，隶属度函数为高斯分 人划分模变量，蒸汽发生器人口钠流量按工布型函数：给水流量偏差信号划分为两个语言变量，隶属度函数为梯形函数：当前控制状态值数：燕汽发生器出口钠温偏差的微分值划分为 划分为两个语言变量，隶属度函数为布尔型函两个语言变量，隶属度函数为梯形函数.
控制状态输出：1
控制状态输出：-1
式中：x 阀门控制信号输出：y=bxbx 钠温偏差值：
x-积分重置模块T2输出值；
（3）模糊规则：该模块共有四条核心模糊规则，（a）若当前处于细调模式，并且给水流量偏差输人为小，则继续保持细调模式；（b）若 当前处于细调模式，并且给水流量偏差输人为大，则切换控制模式至粗调模式：（c）若当前处于粗调模式，并且钠温偏差的微分值输人为大，则继续保持粗调模式；（d）若当前处于粗调模式，并且给水流量偏差输人为小，并且钠湿偏差 的微分值输人为小，则切换控制模式至细调模式.由于人口钠流量共分了七个语言变量，因
给水流量偏差；
x-阔门开度与记忆模块T1的差值；a1.a2、bb-参数.
28条模棚规则每一条对应一组输出y（i=1~28）.网络根据隶属度函数计算每一条规则的适用度，最后的输出由28组输出根据适用度加权求和后得到.
最终输出:Y-PyP：yPayPny式中：P、P ，P，P归-化后各规则的适用度；
y：，y： " y，y 输出. 各规则对应的
2.2.2给水流量偏差计算模块
给水流量偏差计算模块通过一个简单的热平衡计算公式来计算给水流量需求值，并以当前给水流量值作为给水流量偏差信号 将给水流量需求值与当前给水流量的差除输出.
热平衡公式：W，=FC（T-T）/（H-H）式中：F.- 蒸汽发生器人口钠流量：
C - 钠比热容；Tis 蒸汽发生器人口钠温；T- 蒸汽发生器出口钠温，设为定值H 310℃； 蒸汽发生器出口蒸汽比焙；H 给水比，为定值813.79k/kg；W. 给水流量需求值.
2.2.3T1、T2模块
当前阀门开度信号.输出信号为控制模式切换 T1模块的输人信号为当前控制状态信号、时的阀门开度，它的功能是当发生模式切换时防止阀门控制信号发生大幅突变.
T2模块输人信号为控制状态信号、钠温偏差当前的积分值.输出信号为重置后的钠温偏 差积分值，它的功能是每次模式切换都重置积分值.
2.2.4阀门驱动模块
的阀门开度输出信号与记忆模块T1输出之 阀门驱动模块VL的输人为模榭推理模块和.输出为阀门开度.
模块的工作原理是将输人值与当前阀门开度比较，若大于，则开大阀门，小于则关小阀门.
3控制器的测试
本文分别在三种条件下对控制器进行了测试.
所示. （1）70%工况阶既至80%工况如图4
（2）70%工况阶跃至60%工况如图5所示.
（3）40%工况至100%工况台阶式阶跃如图6、图7所示.
图4出口钠温变化曲线
Fig. 4The variation curve of sodiumtempersture at the exit
图5出口销湿变化曲线
Fig. 5 The variation curve ofsodium temperature at the exit
图6出口钠疆变化曲线
Fig. 6 The variation curve ofsodium temperature at the exit
Fig. 7 The variaztion curve of 图7出口蒸汽温度变化曲线steam temperature at the exit
