压水堆核电站控制(第三章)

控制：为了达到一定的目的，对作为生产过程的设备进行操作。人工控制：用人工来完成所需要的操作过程。自动控制 所谓自动控制，是指在没人参与的情况下，利用控制器或控制装置的作用使生产过程或控制对象的一个或多个物理量（受控物理量）维持在一定给定水平或按照期望的规律变化，以达到控制的目的。 自动控制的涵义既可以是最简的开和关，也可以是复杂的计算机控制。自动控制的实质，就是利用控制装置模仿人或代替人去对设备、系统或生产过程等进行各种操作的过程。自动控制系统 自动控制系统：由自动控制装置，包括测量部件、控制器和执行机构等，与被控对象连接在一起构成了自动控制系统。第三章控制系统自动控制的意义

1.保证设备的正常运行；

2.改进产品质量，提高生产效率，降低成本；

3.在不适宜人类长时间工作的环境，或者不能接近的特殊环境里，采用自动控制系统可以改善了工人的劳动条件和保证操作人员的安全；

4.完成许多人工、手动操作几乎难以达到的一些复杂而频繁的操作过程，减轻人的劳动强度。第三章控制系统控制器执行器调节单元被控对象测量部件偏差信号：给定值信号与被调量信号的差，即e=r-y；控制信号：由控制器运算规律对偏差信号进行运算得到的信号，即u=f(e)；控制信号被送到执行器，驱动调节单元，控制被控对象的输入量，达到调节被调量的目的。ruyde+++-第三章控制系统给定值变化规律

1.恒值控制系统(constantcontrolsystem)：给定值为恒值的系统称为恒值控制系统，或镇定系统。系统的任务是尽量排除干扰的影响，以一定的准确度使系统输出量与给定值一致。

2.随动控制系统(follow-upcontrolsystem)：给定值为事先未知的时间函数的系统称为随动系统，或跟踪系统。系统输入量总在变化，要求系统的输出量能够以一定的准确度跟随输入量变化。雷达天线控制系统就是典型的伺服控制系统。

3.程序控制系统(Programcontrolsystem)：给定值为事先给定的时间函数的系统称为程序控制系统。第三章控制系统自动控制系统的分类控制作用与时间的关系分类

1.连续控制系统(continuouscontrolsystem)：系统中传递的信号都是时间的连续函数，则称为连续系统。

2.离散控制系统(discretecontrolsystem)：系统中至少有一处，传递的信号是时间的离散信号(discretesignal)（脉冲或数字形式,impulse/digitalsignal），则称为离散系统，或采样系统(samplingsystem)。第三章控制系统自动控制系统的分类按描述系统运动的微分方程分类

1.线性控制系统(linearcontrolsystem)：描述系统运动的微分方程是线性微分方程。如方程的系数为常数，则称为定常线性自动控制系统(lineartime-invariantsystem)；相反，如系数不是常数而是时间t的函数，则称为变系数线性自动控制系统(lineartime-variantsystem)。线性系统的特点是可以应用叠加原理，因此数学上较容易处理。

2.非线性控制系统(nonlinearcontrolsystem)：系统中至少有一个元件具有非线性特性，描述系统的微分方程是非线性微分方程。非线性系统一般不能应用叠加原理，因此数学上处理比较困难，至今尚没有通用的处理方法。注：严格地说，在实践中，理想的线性系统是不存在的，但是如果对于所研究的问题，非线性的影响不很严重时，则可近似地看成线性系统。同样，实际上理想的定常系统也是不存在的，但如果系数变化比较缓慢，也可以近似地看成线性定常系统。第三章控制系统自动控制系统的分类按照系统的输入和输出信号的数量分类

1.单输入单输出控制系统：输入输出量各有一个

2.多输入多输出控制系统：输入或输出量多于一个输出量是否对系统的控制作用发生影响

1.开环控制系统(open-loopcontrolsystem)

特点：信号单向传递，在控制装置和被控对象之间只有正向控制作用,系统的输出量并不反馈(feedback)到控制装置的输入端，系统输出量对控制装置不产生任何影响。有较高的灵敏性和快速性。输入量输出量（被控量）控制装置被控对象控制量

采用开环控制方式的系统，它的精度仅取决于组成控制装置的元器件的精度。这类系统控制精度低，抗干扰能力差。（如果系统中存在干扰，或者由于控制元器件老化,均会导致系统输出发生变化,使输出值偏离预期值。）开环控制系统一般适用于干扰不强或可预测、并且控制精度要求不高的场合。 如：控制器对电动或气动阀门的直接控制，实验堆启动或停堆手动控制棒操纵系统。

2.闭环控制系统(Closed-loopControlSystem)

特点：信号双向传递，既有正向控制作用，又有反馈作用，系统输出量对控制量有直接影响。有较高精度，但是控制速度较慢（跟系统的特性有关） 在闭环控制系统中,对系统输出量不断地进行测量并反馈到系统的输入端与输入量进行比较,产生偏差信号,按偏差实现控制。不论何种原因引起的测量量偏离其给定值而发生偏差时，就一定有相应的控制作用产生，使偏差得以消除。

闭环控制又称为反馈控制。反馈控制系统具有抑制内部和外部各种扰动对系统输出影响的能力。 如：压水堆中R棒控制系统，稳压器的压力和水位控制系统、蒸汽发生器水位控制系统。控制器控制规律

1.控制器的作用：根据被控变量的测量值与给定值之间的偏差，按预定的控制规律进行运算并发出控制信号，去控制执行器动作，以实现对生产过程的自动控制。

2.控制规律：控制器的输入信号和输出信号之间随时间变化的规律。通常是在阶跃信号的作用下，来研究控制器的输出随时间的变化规律。

3.阶跃信号(stepsignal)控制规律函数表示

u=f(e)

u表示控制器输出，e表示偏差信号。不同的生产要求需要不同的控制规律。需要根据过渡过程的品质要求，结合被控对象的特性，才能正确选用适当的控制规律。对自动控制系统性能的基本要求

1.稳定性(stability)：系统开始处于平衡状态(EquilibriumState)，则由于受外力作用（扰动）之后，必将偏离原来平衡状态，若扰动消失后，系统能够返回它的原来平衡状态，那么就称这样的系统是稳定的，否则就是不稳定的。稳定性是所有控制系统的最低要求。自动控制系统必须满足一定的稳定裕度(stablemargin)的要求。

2.稳态特性(steady-stateperformance)：系统在动态过程结束后，系统的稳定输出相对于输出期望值的偏离程度，通常用稳态误差(steady-stateerror)表示。3.动态响应，系统从初始状态到达最终状态的响应过程。对于系统的阶跃响应，动态性能指标(DynamicPerformanceIndex)规定如下：延迟时间td，响应曲线第一次达到稳态值一半所需的时间，即c(td)=c(∞)/2。上升时间(risetime)tr，过阻尼系统(Overdampedsystem)，通常采用从0上升到100%所需的时间；对于欠阻尼系统(underdampedsystem)，通常采用从稳态值的10%上升到90%所需的时间。峰值时间(peaktime)tp，响应曲线(responsecurve)达到第一个峰值所需的时间。最大超调量(maximumovershoot)Mp， 调节时间(settingtime)ts，系统受到扰动或输入信号作用后，响应曲线进入稳态值的允许误差范围内并在以后都保持在这一允许误差范围内，把进入这种进入误差范围所用的时间称为调节时间。即有，|c(ts)-c(∞)|≤Δ。控制器的种类：电动式、液动式、气动式，运用较多的为电动式。液压系统可以对大负载产生快速作用和精确定位。电和液压的组合系统被广泛采用，如电厂的汽轮机控制。PID(Proportional-Integral-Differential)控制：控制器的运算部分以反馈或串接的组合方式来实现比例-积分-微分（PID）运算功能。原理简单，使用方便。适应强。鲁棒性(robustness)强：控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。比例控制规律

u(0)表示偏差为0控制器的输出，输入信号e(t)与输出信号u(t)之间的关系

比例带(proportionalband)是使控制器输出变化全范围时，输入偏差改变量在满量程中所占的百分数。比例带的物理意义是使调节器的输出按比例变化的输入范围。比例带在数值等于使调节器输出变化百分之百的偏差范围。若调节器的输入范围大于比例带，则调节器的输出u(t)与e(t)不再成正比例。控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间上没有延迟。KP是控制器的放大倍数，比例调节器实质上是一个增益可调的放大器。不能直接根据KP判断比例作用的强弱。积分控制规律输出信号与输入信号之间的关系输出信号不仅与输入偏差信号的大小有关，而且还将取决于偏差存在时间的长短。只有在偏差信号e为0情况下，积分控制器的输出信号才能相对稳定。消除稳态偏差是积分控制的主要优点。传递函数缺点：输出变化总是滞后于偏差的变化，难以及时有效克服扰动的影响，使系统稳定下来。比例积分（PI）控制规律I控制规律的数学表达式传递函数

TI为积分时间常数(integraltimeconstant)，TI=1/KI。TI越小，积分速度KI越大，积分作用越强。当积分时间TI：在阶跃偏差输入作用下，控制器的输出达到比例输出两倍时所经历的时间。控制过程之后很大时，PI调节器的调节时间很长；当给定值变化剧烈时，PI调节器作用不够及时。AKPAKPATIt0Δu(t)e(t)0t微分控制规律微分控制的目的：对于惯性较大的被控过程，为避免出现很大的偏差，根据被控变量的变化趋势而采取预防性的调节措施。理想微分控制规律的动态特性 控制器的输出u(t)与输入偏差de(t)/dt的变化速度成正比。微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关,而与偏差存在与否无关，微分控制器对恒定不变的偏差是没有克服能力的。所以，微分控制器不能作为一个单独的控制器使用。理想的比例微分控制规律的动态特性理想比例微分控制器的传递函数T0时刻出现幅度无穷大、脉宽趋近于零的尖脉冲意味着物理上难于实现的无穷大功率。所以，理想比例微分控制器不可实现，没有实用价值。AKPATIt0Δu(t)e(t)0tt0t0实际工业用比例微分控制器的传递函数在时间TD/KD内，PD调节器的输出从其跃变脉冲的顶点下降到微分作用最大输出的36.8%。Kp－－比例增益(Proportionalgain)；KD－－微分增益(Differentialgain)；TD－－微分时间常数(differentialtimeconstant)。实际比例微分控制器的输出特性曲线TD越大系统达到稳定的时间越长。适当的微分作用有抑制振荡的效果。若TD过大，则微分作用过强，反而不利于系统稳定。比例积分微分（PID）控制规律理想比例积分微分控制器的动态特性理想PID控制器的传递函数实际PID控制器传递函数输入为阶跃信号时，实际PID控制器的动态特性F：互干扰系数；Kc*=FKITI*=FTITD*=TD/FPID控制器比例控制（基本控制作用）微分控制（开始时作用）积分控制（微分作用消失后，如果余差存在，积分控制发生作用）需要比例、积分和微分作用取长补短、相互配合，即比例带、积分时间常数和微分时间常数整定适当。0Ae(t)△u(t)0tt串级控制系统：采用两个相互串联的控制器，而且以一个控制器的输出作为另一个控制器参比信号的控制系统。当被控过程（控制对象）的滞后较大，干扰较剧烈并且频繁，若采用简单控制系统不能满足工艺要求。Gc1Gc2GvGp2Gp1Hm2Hm1r1r2u1u2d1d2c1c2y1y2++++++--串级控制系统0510152025303540455000.20.40.60.81串级控制系统的主要特点

1.能迅速克服进入副回路的干扰 进入副回路的干扰d2首先影响副被控量c2，使其发生变化。由于副回路的反馈控制作用，在主被控量c1尚未产生明显变化以前，副控制器Gc2就已操纵调节阀Gv动作，克服干扰d2对c2的影响，使c2的波动减少，从而使干扰d2对主控变量c1的影响更小。

Gc1Gc2GvGp2Gp1Hm2Hm1r1r2u1u2d1d2c1c2y1y2++++++--大迟延大惯性对象Gc1Gc2GvGp2Gp1Hm2Hm1r1r2u1u2d1d2c1c2y1y2++++++--Gc1Gc2GvGp2Gp1Hm2Hm1r1r2u1u2d1d2c1c2y1y2++++++--Gc1GvGp2Gp1Hm1r1u1d1d2c1c2y1+++++-*串级控制系统的主要特点

2.能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力 副回路可视为主回路的一个环节，当副回路整定得很好时，其闭环的时间常数将很小，从而使整个被控对象的惯性时间近似等于主对象的惯性时间。即副过程的相位滞后由于有了副回路而显著减小，这就改善了主回路的响应速度。Gc1Gp1Hm1r1u1d1c1c2y1+++-副回路广义被控对象3.1.改善了系统的特性，提高了系统的控制精度副回路相当于一个随动控制系统，若匹配得当，它的特性可近似看作1:1的比例环节，所以被控量能很快的跟踪参考值的变化，有利于提高系统的控制精度。3.2.对负荷的变化有一定的适应能力对象Gp2的增益Kp2或调节阀Gv(s)的特性存在非线性，对等效对象的放大系数影响很小。表明串级控制系统的副回路能自动克服对象非线性特性的影响，显示出它对负荷的变化具有一定的自适用能力。在操作或负荷条件变化的情况下，不改变调节器整定参数，系统仍能保持或接近原有的控制质量。串级控制系统应用的几个问题

1.主、副被控变量的选择主被控变量的选择原则与单回路的控制系统相同；副被控变量的选择应注意以下几个方面工艺（静态特性）上的合理性，选择副被控变量时，应使主、副被控量具有一定对应关系，当调整副被控变量，能使主被控变量尽快回到参比值；尽可能使主要的干扰都包括在副回路中；为防止共振效应，系统的工作频率必须显著低于副回路的共振频率；当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环不包含纯滞后或尽量少包含纯滞后。2.主、副控制器正/反作用的选择依据：使系统为负反馈系统由于调节阀接受副控制器的输出信号，所以应先选择副控制器的正/反作用。根据调节阀的气开、气关形式来确定。由于主控制器是通过副控制器（或副回路）才发挥作用，所以它的正/反作用由副被控变量对主控变量的影响关系来决定，与调节阀的情况无关。

3.主、副控制器控制规律的选择主被控变量是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小一般要求无余差，因此，主控制器应选PI或PID控制规律。副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。对于采用流量作为副被控变量的串级系统，为了使流量副回路单独工作时也能稳定，比例带很大；这时比例控制作用太弱，有时需引入积分控制作用。微分作用一般不用于副控制器。被调量：稳压器水位;整定值：随一回路平均温度而变化的水位程序定值;干扰量：二回路负荷,下泄流量;调节量:上充流量执行机构：

上充流量调节阀梅逊公式

Δ特征式

Σla所有回路的增益之和

Σlblc所有两两互不接触的回路增益之和

Σldlelf所有三个互不接触的回路增益之和

n从输入到输出前向通路条数

Pk从输入到输出第k条前向通路的增益

Δk第k条前向通路的余子式，等于在特征式中，把第k条前向通路相接触的回路增益置为零后剩余的部分主机（计算机） 控制系统的核心。指挥控制系统的其它设备工作：自动接收从生产现场来的反映过程工况的各种信息，利用程序对信息进行自动加工、运算、判断和分析等操作，并作出相应的控制决策，将控制信息传递到现场。外部设备1.数据输入设备：把程序和有关数据送到主机内。如键盘、鼠标、轨迹球、磁盘、光盘、磁带等。2.数据输出设备：以人能直观接受的信息形式，给操作人员提供有关生产过程的各种信息，以了解系统的工作情况及生产工况。如显示器（CTR、LCD）、投影仪、打印机、绘图仪等。3.存储设备：存储生产过程中的数据与信息。计算机控制系统 4.工业自动化仪表：联系过程输入、过程输出与被控对象的工具。检测仪表：对被控对象进行检测，并通过输入通道将检测信息传输给主机。执行机构：接受输出通道传递来自主机的控制信号，对被控对象进行控制。

5.操作控制台：进行人-机联系的设备。

6.软件部分系统软件：为用户使用、维护和管理计算机，扩大计算机功能、提高其使用效率。应用软件：用户利用计算机和系统软件，编制的解决各种具体实际问题的程序。（描述生产过程和控制规律以及实现控制动作的程序。）计算机控制系统的基本组成生产过程

执行机构反多路开关多路开关开关量输出

时钟操作台计算机（主机）接口接口接口接口A/DD/A磁盘驱动器打印机CRT显示终端软件变送器

传感器通用外部设备主机、操作台接口

输入输出通道被控对象开关量输入外围设备

1.

输入通道：把反映生产过程中输入工况的各种物理参数转换为电信号并及时输往主机。通道中有模拟量、开关量和频率量等传送设备以传送各种形式的信号。具有使多个参数逐个按序或随机取样等方式输入的功能。具有模数（A/D)转换功能，使模拟量转换为相应数字量送往主机。

2.输出通道：将主机输出的二进制信号转换为适应各种执行机构的信号，用来控制执行机构的动作。包括模拟量、数字量等输出，通常具有输出分配功能。

3.显示与报警装置：用于让操作人员及时了解生产过程的实际工况，并在出现异常及危及正常生产和安全时，主机能及时告诉操作人员，以便采取预防措施。计算机控制系统的分类

1.数据采集处理系统(DAS,DataAcquisitionStation) 2.直接数字控制系统(DDC,DirectDigitalControl）

3.监督计算机控制系统(SCC,SupervisoryComputerControl）

4.分散型计算机控制系统(DCS,DistributedControlSystem)计算机控制系统直接数字计算机控制系统，即DirectDigitalcontrolSystem，简称DDC系统。DDC系统：利用一台计算机配以适当的输入输出设备，从生产中获得信息，按照预先规定的控制算法算出控制量，再通过输出通道，直接作用于执行机构，以实现对生产过程的闭环控制。DDC系统的特点：

1.一台计算机可取代多台模拟控制器；

2.控制规律中的参数变化范围较宽，而且参数之间无相互干扰；

3.容易实现无扰动切换；

4.对于噪声较大的信号，可通过数字滤波提高信号的真实性；

5.能方便的实现先进的、复杂的控制规律。如前馈－反馈控制、选择性控制、解耦控制等，使系统的控制品质得到提高。DDC系统4~20mA(0~10mA)变送器电流信号→电压信号放大器采样器控制增量→频率脉冲转角信号→电流信号0.02~0.1MPaDDC系统的结构理想的模拟PID算式：PID的位置式

Ts采样周期，en第n次采样时的偏差值。 缺点：1.要求很大的存储空间；2.一旦出现故障，阀位变化剧烈。DDC中的PID算式PID的增量式

KD=KCTD/Ts，KI=KCTs/TI。 表示了偏差与阀位改变的关系。运算结果表示阀位在原有位置上开大或关小的量。PID的实用算式监督计算机控制系统分级控制系统 采用单台大型计算机来完成所有的过程控制和生产管理任务，会使可靠性变差； 若设置备用计算机，则成本太高； 功能分散，采用多台计算机分别执行各种功能。 将过程控制与企业管理结合起来的综合型过程控制。MTS级计算机SCC常规控制器DDC生产过程DDC常规控制器SCC分级控制系统框图

MTS—经济管理计算机 负责生产的计划和调度，指挥SCC级进行工作。

SCC—SCC

—

Supervi-soryComputerControl，计算机监控

DDC—直接数字控制

控制DDC级工作，并给出模拟控制器的设定值。

DDC直接控制生产过程，主要进行PID等各种直接数字控制，也可进行程序控制、数据处理及监视报警等。

因为检测、数学模型的建立等问题尚未得到解决，实际管理水平还不高，实际大多数应用都限于前两级。以常规模拟控制组合单元仪表为主的控制系统：

秦山一期控制系统采用FOXBORO公司的SPEC200组装仪表；

大亚湾控制系统采用的Baily9020系统。以模拟控制和数字控制混合运用的控制系：

广东岭澳，核岛KITPKPS系统采用的是法国的α4100系统，常规岛采用的DCS系统是法国Cegelec公司ALSPAP320；

秦山二期，常规岛部分选用的是和利时的DCS系统。一体化数字式控制系统：

德国西门子的TELEPERMXS+XP（TXS+TXP）系统；

日本日立等公司开发的NUCAMM290系统；

法国法马通公司N4控制系统；

美国燃烧工程公司(ABB-CE)的NUPLEX80+系统；

美国西屋公司的Ea2gle21(或Advant)+WDPFⅡ系统。TXS（AREVA-NP公司）+TXP（SIEMENS公司），是欧洲核电系列的代表；CommonQ（ABB公司）+Ovation（EMERSON公司）是西屋核电系列的代表。AP1000：采用Eagle21+Ovation或CommonQ+Ovation或Advant+Ovation芬兰OL3（EPR）、田湾核电站（VVER）、岭澳二期CPR1000：采用TXS+TXP汽轮机计算机调节系统 功能：调节汽轮机功率，使之与负荷相适用。

功率频率电液调节系统，能自动的调节和控制汽轮发电机的功率和频率，以适应各种运行工况。大亚湾核电汽轮机调节系统 英国GEC公司 带微机控制的数字功率电液调节系统 组成：单元处理机、闪门模块、操作盘、测速装置、阀门驱动器。 微机控制装置： 上位机控制—UpperControlLevel

下位机调节—

BaseLevelGovernor报告总线上位机控制(UCL)下位机调节(BLG)阀门总线操作盘BLG操作盘单元处理机及外围设备现场I/O信号下位机调节BLG(阀门模块)