直流蒸汽发生器滑模模糊控制_

直流蒸汽发生器滑模模糊控制
   张桂凤，施小成，孙铁利，熊晋魁，张洪国
   （⒈哈尔滨工程大学动力与核能工程学院，150001；2.中国船舶重工集团公司第707所九江分部，河北九江，332007）
   摘要：直流蒸汽发生器对控制的要求较高。滑模控制的鲁棒性使系统对不同的负荷变化、不同的外界干扰不敏感，模糊控制简化了控制器的设计，减弱由滑模变结构引起的抖振现象，能实现更好的控制效果。本文主要阐述了一种不用系统模型的滑模模糊控制器对直流蒸汽发生器进行控制的设计方法，仿真结果表明该控制器的控制效果较理想。
   关键词：直流蒸汽发生器；滑模模糊控制；仿真
   中图分类号：TL353+.13文献标识码：A
   1引言
   一体化反应堆的概念源于船用堆的设计，具有较高的安全可靠性，特别适用于中小规模核电站。蒸汽发生器是一体化压水堆的关键设备，在目前的设计中多采用直流蒸汽发生器。
   直流蒸汽发生器对控制的要求较高。直流蒸汽发生器的控制方法主要有PID控制、串级PID控制、前馈反馈控制、神经网络自学习控制以及模糊控制等等。为了进一步提高直流蒸汽发生器的控制水平，智能控制策略的进一步研究是十分必要的。本文研究了直流蒸汽发生器的滑模模糊控制。
   2  动态数学模型
   本文所采用的数学模型是针对螺旋盘管式直流蒸汽发生器所建立的非线性模型。
   根据直流蒸汽发生器的工作特点，按照二回路工质的状态将直流蒸汽发生器分为预热段、核沸腾段、膜沸腾段和过热段。各段的数学模型简写如下

   3  滑模模糊控制器
   3.1  滑模控制器
   滑模控制器是变结构控制器。基本上，变结构控制器包含几个不同的连续函数，这些函数可以将对象状态映射为一控制平面，并且在不同函数之间的切换是由切换函数表示的对象状态来确定的。
   滑模控制器的二阶控制模式如式(4)所示

   3.2  滑模模糊控制器
   庞特里亚金极大值原理指出，对于二维时间最优控制器的设计，存在一条非线性切换曲线，使得控制可以在切换曲线的一边有最大值而在另一边有最小值。这种非线性切换曲线通常有如图1所示的形式。这也表明了在切换曲线的周围有能够减轻抖振的切换带[2]。

   在非线性时间最优控制器的设计中，存在2个问题：①如何得到正确的切换曲线，对于非线性系统，分析得到这种切换曲线是非常困难的；②如何逼近非线性切换曲线。
   由于直流蒸汽发生器的数学模型是非线性模型，为此采用不依赖系统模型进行滑模模糊控制器的设计。设计中的关键因素是估计非线性切换曲线。
   一般来说，对于时间最优控制存在非线性曲线。这条曲线体现了控制器在时间形式上的最大机械操纵能力(即阀门最大开度)。时间最优控制器能够控制直流蒸汽发生器，因此控制器总是遵循相同的非线性曲线。这条曲线也描述了其切换曲线，在这条切换线上应该由鲁棒控制切换控制器的信号。
   选择二回路出口压力偏差随着二回路入口流量变化的非线性曲线作为变结构控制的切换曲线。该曲线如图2所示。在变结构控制中滑动模

   对于TS型(Takagi-Sugeno型)的模糊逻辑控制器，控制规则的输出函数通常是控制器输入的线性组合。这种函数的数学表达式与切换函数相类似。这种相似性表明了可以利用来自滑模控制器的信息来设计模糊逻辑控制器，也就是滑模模糊控制器。事实上，由于模糊系统能将不同的控制方法有机地融合在一个系统里，因此，可以将滑模控制器和模糊逻辑控制器结合在一起使用。模糊逻辑控制器的每个规则可以是一个滑模控制器。每个规则里滑模控制器可能有不同的形式。边界层和滑模面的系数成为规则输出函数的系数，并且具有物理意义。
   滑模模糊控制器的第i个规则如下：

   滑模模糊控制器的输入量是压力偏差及压力偏差的变化率，输出量是流量。图3是压力偏差的模糊集[3](图3中NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZERO为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大，压力偏差单位为kg•cm2。
   3.3  控制仿真结果
   在温度扰动下，对直流蒸汽发生器分别采用串级PID控制(比例积分微分控制)和滑模模糊控制，模拟直流蒸汽发生器的压力控制。
   图4是采用串级PID控制，一回路给水温度在20s内变化10℃时，二回路出口蒸汽压力偏差和温度的变化曲线。图5是在相同结构和相同条件下，采用滑模模糊控制的仿真结果。
   4  结论
   直流蒸汽发生器运行过程中，要求二回路工质的出口压力恒定在一定范围之内。由滑模模糊控制的仿真结果图分析，当一回路给水温度随时间逐渐下降，它通过金属管壁传递给二回路的热量也相应减少，二回路蒸汽温度随之降低，压力随之升高；当一回路给水温度稳定下来之后，二回路内水由于吸热量减少，转化为蒸汽的比例也降低，因此二回路的蒸汽压力又开始降低。在滑模模糊控制器的作用下，二回路蒸汽压力又逐渐升高，最后趋于稳定值。从滑模模糊控制的仿真结果与串级PID控制的仿真结果比较可以看出，滑模模糊控制器满足了系统的控制要求，响应速度更快，超调量更小，控制效果更理想。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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