基于NSGA-Ⅱ算法的核反应堆功率LQG控制器设计

反应堆功率控制系统的设计与核电厂的安全性和经济性息息相关。为提高其功率控制性能,本研究以某压水堆核电厂为研究对象,建立了其非线性动态数学模型,推导了其状态空间模型;采用线性二次型高斯（LQG）最优控制方法,设计了堆芯功率控制器;进一步基于遗传算法NSGA-Ⅱ对LQR权重系数进行了多目标优化;将本文所设计的控制器与传统PID控制器进行了典型工况的仿真对比。结果表明,与传统PID控制器相比,基于NSGA-Ⅱ方法优化的LQG控制器不但响应快速、控制精度高、稳定性好,而且具有良好的鲁棒性,能获得更优越的堆芯功率控制效果。     

数字化反应堆功率控制系统

数字化技术对提高反应堆功率控制系统的可靠性、安全性和可维护性以及改善人机界面具有重要意义。文章描述一采用数字化技术设计的研究堆功率控制系统，介绍了功率控制方法、实现的功能、系统的结构、功率调节算法以及设计关键技术。由于采用了标准的数字化控制器，使功率控制系统可方便地集成到统一的控制系统中。     

T-S型模糊切换控制器在堆芯功率控制中的应用

采用传统比例-积分-微分（PID）控制器开展堆芯功率控制,控制过程中存在超调量大、调节时间长的问题。为解决这一问题,基于堆芯传递函数模型,采用T-S型模糊规则对比例-微分（PD）控制器、PID控制器、模糊控制器进行加权及切换,设计T-S型模糊切换控制器。以铅冷快堆堆芯功率控制为例,建立堆芯功率T-S型模糊切换控制系统,开展堆芯相对功率设定值阶跃、堆芯冷却剂进口温度扰动仿真。结果表明,基于堆芯传递函数模型设计的T-S型模糊切换控制器可以实现对堆芯功率的良好控制。      

反应堆功率保成本控制器设计

针对反应堆功率控制系统设计中存在的建模误差以及实际运行过程中参数的不确定性,提出了一种新的功率保成本鲁棒控制器设计方法:运用线性矩阵不等式先求解出最优状态反馈保成本控制器,构造卡尔曼滤波器解决实际问题中状态不可测的问题,采用回路恢复的方法使总系统逼近目标反馈环传递函数.系统仿真结果表明,所设计的控制器实现了对设定功率的精确跟踪,解决了在堆模型不确定性、运行过程中参数不确定性下控制系统可能出现的不稳定和控制精度不够的问题,系统不但具有良好的鲁棒性,而且调节性能较好,满足堆功率调节控制的要求.     

固态燃料熔盐堆自适应功率控制器设计及分析

钍基熔盐堆核能系统(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)是中国科学院首批启动实施的战略性先导科技专项,旨在研发第四代反应堆核能系统。固态燃料钍基熔盐实验堆(The Solid Fuel Thorium-based Molten Salt Experimental Reactor,TMSR-SF1)是一个10 MW热功率的氟盐冷却球床堆,目前已经完成方案设计和初步工程设计。功率控制系统是反应堆一个关键控制系统,实现反应堆正常启动、功率运行和正常停堆功能,对保证反应堆安全和稳定运行起着极其重要的作用。根据TMSR-SF1运行控制要求,结合自适应控制理论,基于Lyapunov稳定性理论设计了一种TMSR-SF1模型参考自适应功率控制器。基于TMSR仿真平台,使用MATLAB/Simulink建立了自适应功率控制系统模型,并开展了控制器特性分析。结果表明,自适应功率控制器具备良好的负荷跟随能力,抗干扰能力强、稳定性好、可靠性高,能够满足TMSR-SF1功率控制的要求,确保堆芯的输出功率与功率设定值相匹配。     

基于蚁群算法的小型铅基堆堆芯功率控制研究

小型铅基堆适用范围广、运行工况复杂多变,采用传统的控制方法难以实现堆芯功率的良好控制。为解决传统线性二次高斯控制（LQG）/回路传输恢复技术（LTR）控制器参数无法实现在线调整问题,采用微扰理论建立堆芯状态空间模型,设计一种基于蚁群算法的LQG/LTR控制器,建立小型铅基堆堆芯功率控制系统,实现了LQG/LTR控制器参数在线调整,并开展了堆芯动态仿真研究。结果表明,基于蚁群算法的LQG/LTR控制器相较于传统LQG/LTR控制器更易达到稳定,且变化幅值更小。      

CFETR NNBI验证样机X射线辐射屏蔽设计

中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor,CFETR)负离子源中性束系统(Negative ion based Neutral Beam Injection system,NNBI)验证样机拟引出负氢离子束。离子束在产生和传输过程中,束粒子与样机结构材料固体靶相互碰撞,将产生韧致辐射(X射线),当CFETR NNBI验证样机运行在设计的参数下(束能量为200 keV,流强20 A),距离离子源真空壁(真空壁厚2 cm)1 m处的壁外剂量率高于一般工作人员辐射剂量率限值(10μSv·h~(-1))。为了降低辐射剂量率,确保工作人员辐射安全,本文通过对样机进行辐射屏蔽理论计算与模拟研究,提出了将样机下沉加铅板的屏蔽设计方案,并开展了辐射模拟分析。结果表明:该方案满足CFETR NNBI验证样机运行的辐射安全要求。     

秦山CANDU堆功率测量校正和控制改进

本文介绍了秦山三核CANDU6堆功率测量、控制设备的分区布置,论述了反应堆功率控制信号的计算校正和反应堆的区域功率控制,从CANDU6核功率控制设备、堆物理角度浅析其实现分区精细控制的机理,并阐述了为了提高反应堆功率控制系统可靠性和安全性而进行的主要设计改进     

基于WinCC的负离子源中性束电源状态监控系统设计

本论文设计了基于WinCC的负离子源中性束注入（NNBI）装置电源监控系统以实现对NNBI运行状态的实时监控。该系统针对多种型号PLC控制器通过单边通信和Modbus通信协议进行系统集成，以WinCC组态软件作为平台开发人机界面，为实验运行人员提供了一个操作方便、交互友好、性能稳定的系统状态监控和诊断手段，为NNBI实验稳定可靠运行提供必需的保障。     

强流回旋加速器射频功率源末级谐振放大器的研制

为适应强流回旋加速器综合实验装置强流束调束需求,开展了对射频系统中功率源的末级谐振放大器的研制。功率源末级谐振放大器采用阴极驱动模式的三级真空电子管作为核心放大器件,充分地考虑了输入阻抗、输出调谐和输出耦合的调节需求,通过射频电路仿真和三维电磁场仿真等手段实现了对末级谐振放大器各参数的仿真。网络分析仪对末级谐振放大器的各项参数的测量表明:制造结果与设计参数高度一致;示波器对末级谐振放大器进行实验测试表明:8h假负载考验中功率稳定度好于1%,输出效率达70%,可为强流回旋加速器综合实验装置强流束调试提供射频功率的技术支持。     

快堆功率和堆芯冷却剂出口温度的线性自抗扰控制

针对快堆控制器具有更快的响应速度和更高的控制精度的需求,分别设计了堆功率和堆芯冷却剂出口温度线性自抗扰控制器（LADRC）。基于快堆中子动力学模型和堆芯热传输模型分别导出了用于控制器设计的相对功率和冷却剂出口温度的2阶非线性模型,并基于导出的模型设计了对应的加入模型信息的线性扩张状态观测器（LESO）。采用所导出的2阶模型的时间尺度参数确定了LESO带宽范围,采用偏差和执行机构动作速度允许范围确定了比例-微分（PD）控制器带宽范围,并据此进行了LADRC参数整定。仿真结果表明,加入模型信息的LESO具有更好的总扰动估计效果,所设计的LADRC均具有较快的响应速度和较高的控制精度,而采用加入模型信息的LESO的LADRC控制性能更优。      

中国散裂中子源快循环同步加速器射频系统的设计与研制进展

研制了大功率宽带快速扫频射频系统,其用于中国散裂中子源（CSNS）快循环同步加速器（RCS）中,主要包括铁氧体加载谐振腔、射频功率源、偏流源和低电平控制系统。射频系统工作重复频率为25 Hz,扫频范围为1.022～2.444 MHz,单个腔体（双加速间隙）可提供最大30 kV加速电压。两级的调谐控制能解决快速扫频过程中的系统失谐问题,采用束流前馈、直接反馈等多种技术手段可对束流负载效应进行补偿。     

模型预测控制在压水堆堆芯功率控制中的应用

在压水堆核电站中,堆芯功率的自动控制难以实现。将模型预测控制方法应用于压水堆堆芯,以实现堆芯功率的自动控制。堆芯功率自动控制模型的建立是以反应堆堆芯模型和模型预测模型为基础的。反应堆堆芯模型包括中子动力学模型、热工水力学模型和反应性模型,模型预测模型以状态空间形式表述。为评估所设计的基于状态空间的模型预测控制系统的性能,设计了堆芯功率控制仿真实验。模拟结果表明:所设计的控制方法能快速、准确地控制堆芯功率,跟踪负荷变化。     

核电厂反应堆功率数字冗余控制系统及其可靠性

针对核电厂反应堆功率控制系统连续运行时间长、可靠性和安全性要求高的特点,提出了一种全新的基于双CPU冗余、电源冗余和ControlNet现场总线网络冗余控制的实现方案,对原有的反应堆功率模拟控制系统进行数字化改造设计,实现反应堆功率的可靠控制.通过对系统的主要可靠性指标进行定量计算和分析,评估了系统的可靠性和可用性.     

液态熔盐堆堆芯功率模糊PID控制

液态熔盐堆采用熔融氟化盐为燃料,燃料熔盐出口温度是衡量熔盐堆安全的重要指标。通过堆芯功率控制可实现燃料熔盐出口温度控制。将液态熔盐堆堆芯划分成内区和外区,并基于能量守恒原理建立堆芯非线性模型,采用微扰理论对非线性模型进行线性化。基于堆芯线性化模型,采用模糊比例-积分-微分（PID）控制器设计堆芯功率控制系统。以熔盐增殖堆（MSBR）为例,开展堆芯功率控制仿真。结果表明,引入10-3、2×10-3阶跃反应性时,模糊PID控制器可以减小系统响应的上冲幅度和超调量,并且在堆芯功率发生了较大的负荷变化时,模糊PID控制器可以对堆芯功率的变化实现良好跟踪。故所采用的模糊PID控制器具有良好的动态性能,可实现对堆芯功率的良好控制。      

201.5MHz中子照相用RFQ加速器低电平控制系统的设计

北京大学自主研制了基于射频四极(Radio Frequency Quadrupole,RFQ)强流氘束加速器。为满足该加速器稳定运行的要求,设计了一套低电平控制系统,系统主要包含自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)和自动频率控制(Automatic Frequency Control,AFC)两种方式,可实现对腔体频率、进腔功率的自动控制和手动控制。为保证安全、稳定运行,对SWR(Standing Wave Ratio)、限位信号进行监测,通过RS232协议和Lab VIEW界面实现HMI(Human Machine Interface),亦可实现与PLC(Programmable Logic Controller)的无缝对接。连续闭环运行表明,控制系统对场幅度和相位的控制精度能够达到±1%和±1°之内,证明该低电平控制系统达到了RFQ加速器对各路功率和腔体频率稳定控制的要求。     

基于变论域模糊PID的液态熔盐堆堆芯功率控制

液态熔盐堆堆芯系统具有非线性、时变性等特点,模糊比例积分微分（PID）控制技术因初始论域不能跟随误差变化而伸缩,使得系统的控制精度降低,故设计了一种基于变论域模糊PID控制器的堆芯功率控制策略。以熔盐增殖堆MSBR堆芯为例,在堆芯入口温度扰动或堆芯反应性扰动下,使用Matlab/Simulink对PID控制、模糊PID控制与变论域模糊PID控制下的效果进行仿真对比。结果表明,基于变论域模糊PID控制器建立的堆芯功率控制系统响应速度更快,超调量更小,控制效果更佳。      

NUSTER-100电功率串级控制方法研究

热管冷却反应堆（简称热管堆）采用固态堆设计理念,通过热管非能动方式导出堆芯热量,具有结构简单紧凑、安全性高、噪音低、工作时间长的优势。本文以100 kW静默式热管堆（NUSTER-100）为研究对象,基于MATLAB/Simulink平台搭建了非线性动态模型,根据微扰理论获得了传递函数模型。基于动态特性分析,提出电功率串级控制方法,其中内环为核功率调节,外环为电功率控制。以反应性与核功率、核功率与电功率之间的传递函数为基础,设计了电功率串级控制系统,并采用增益调度解决其非线性问题。采用典型工况进行控制性能仿真验证,仿真结果表明,所设计的串级控制系统满足控制性能要求,可以实现反应堆的安全可靠运行。     

大型压水堆机械补偿控制策略仿真研究

机械补偿（MSHIM）运行的优点之一是实现了堆芯功率和轴向功率偏移（AO）在控制手段方面的部分解耦，但原始控制策略设计并未充分利用该优点。本研究通过理论分析提出了一种新的改进型MSHIM控制策略，同时基于节点反应堆模型开发了MSHIM控制系统仿真平台，并利用该平台对西屋公司原始控制策略、西屋公司Drudy的改进控制策略和本研究提出的改进控制策略进行仿真研究和比对。结果表明，本研究提出的改进型MSHIM控制策略能够显著地提高AO的控制精度，并能减少控制棒的移动，明显地改善了AP1000核电机组的运行效果，可在工程中参考使用。      

基于堆芯线性化模型的液态熔盐堆功率控制研究

液态熔盐堆中熔盐燃料依托主泵驱动在一回路中流动,在流动过程中造成了反应性损失,直接引起堆芯功率变化。考虑到熔盐燃料流动对堆芯功率控制的影响,建立了堆芯非线性模型,并对模型进行线性化处理。基于堆芯线性化模型,采用线性二次型高斯/回路传输（LQG/LTR）技术设计堆芯功率控制系统。以熔盐实验堆为例,开展堆芯反应性扰动控制研究。结果表明,采用堆芯线性化模型和LQG/LTR技术可以实现对液态熔盐堆堆芯功率的控制。