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《中国舰船研究院》 2012年
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舰船核动力系统二回路控制策略研究

张永生  
【摘要】:控制系统是舰船核动力装置的“神经中枢”系统,其控制品质的优劣直接影响着核动力装置功能的实现和运行安全性。舰船核动力装置二回路系统的控制策略,是实现核动力装置的高度自动化、提高核动力装置二回路系统的集散控制水平、保障系统运行可靠性和安全性的有效手段。对于提高舰船核动力装置的使用性能和作战能力具有重要的意义。 本文在查阅、分析国内外陆上核电站与核潜艇等相关文献资料的基础上,采用两相集总参数化建模方法,首次建立了舰船核动力装置二回路系统的简化集总参数数学模型。主要包括蒸汽发生器的简化集总参数动态数学模型、汽轮机的数学模型、冷凝器的简化集总参数动态数学模型、凝给水泵的数学模型以及管道与阀门的简化模型等。利用Matlab/Simulink平台对上述各子系统数学模型进行了建模仿真,采用模块化建模的思想对子系统数学模型进行了标准化封装。在此基础上,对核动力二回路各子系统的动态特性进行了仿真计算,仿真结果表明了本文所提出的二回路系统数学模型的正确性。这为制订舰船核动力系统二回路的控制策略奠定了理论基础。 基于本文建立的舰船核动力装置二回路系统的仿真模型,根据查阅的陆上核电站与核潜艇控制系统的设计方法,设计了基于经典控制理论的常规PID的核动力装置二回路的控制系统,包括反应堆运行控制系统、蒸汽排放控制系统、蒸汽发生器的水位控制系统、汽轮发电机的转速-功率控制系统、冷凝器的水位控制系统、过冷度控制系统、真空度控制系统、给水泵的转速控制系统等。为了验证本文所设计的控制系统的有效性,对二回路各子系统进行了变工况动态仿真计算,仿真结果表明了所提出的常规PID控制系统能够满足舰船核动力控制系统的控制要求。 在常规PID控制的基础上,根据模糊控制理论,设计了基于常规PID控制系统的蒸汽发生器的模糊水位控制系统,包括模糊水位控制、模糊自适应PID水位控制、模糊-PID复合水位控制。仿真结果表明模糊控制具有超调量小、调节时间短、鲁棒性强等优点,特别适用于蒸汽发生器这类具有多变量、大滞后、强耦合的非线性系统。在此基础上,根据神经网络控制理论,将模糊控制与神经网络控制相结合,设计了蒸汽发生器的自适应神经网络模糊水位控制系统。仿真结果表明自适应神经网络模糊控制,既具有模糊控制的推理能力,又具有神经网络的自适应、自学习能力。模糊神经网络控制是一种更加完善的智能控制策略。 系统层面上,为了解决核动力二回路系统内外能量供求不平衡的问题,设计了系统级的智能协调控制系统,即反应堆-蒸汽发生器-汽轮机的协调控制系统。在二回路系统主蒸汽压力偏差过大时,协调控制系统能够提前打开蒸汽发生器的给水阀以及提前发出指令控制反应堆控制棒动作,同时限制汽轮机进汽阀的过快打开,既保证了汽轮机负荷响应的快速性,又保证了主蒸汽压力的稳定性。 最后,在对核动力装置二回路系统仿真的基础上,提出了一套适用于新型舰船核动力的控制策略,包括系统级的控制策略与子系统控制策略,即系统协调控制策略、蒸汽发生器的水位控制策略、汽轮发电机组的综合控制策略、泵阀的集总控制策略以及核动力装置二回路的运行管理。
【学位授予单位】:中国舰船研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U664.15

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【参考文献】
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