蒸汽发生器水位控制系统容错控制方法研究

摘要

蒸汽发生器(Steam Generator, SG)是核动力装置中重要的换热设备，其水位的高低直接影响核动力装置的安全可靠运行。蒸汽发生器水位控制系统拥有大量的传感器与执行器，在长期的运行过程中，由于疲劳和内外条件的变化，运行设备不可避免地会发生故障。目前，核动力装置大多采用硬件冗余的方法对设备进行容错处理，这种方法不仅需要大量的资金投入，而且在设计和建造阶段也会带来安全性与可靠性方面的问题。然而，容错控制技术的发展在很大程度上改善了硬件冗余所带来的缺陷，因此，研究蒸汽发生器水位控制系统容错控制方法对提高核动力装置的安全性、可靠性和经济性具有重大的现实意义。
　　本文以核电厂蒸汽发生器为研究对象，在不同工况下，针对水位传感器各类故障情况，对蒸汽发生器水位控制系统的故障诊断和容错控制技术进行研究，并开发相应的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）。
　　首先，对蒸汽发生器的运行原理进行了研究，利用E.Irving提出的分段线性数学模型建立了蒸汽发生器的水位模型。对蒸汽发生器的水位特性进行了研究，建立了经典的三冲量水位控制系统并实现了蒸汽发生器水位的有效控制。
　　其次，对传感器的故障模式进行了分析，研究了蒸汽发生器水位传感器各类故障下的水位响应特性。在此基础上，利用BP神经网络建立了水位传感器的故障诊断系统。文中采用仿真模型的故障数据对多个神经网络进行训练，并对各神经网络的输出进行整合与处理，最终实现了蒸汽发生器水位控制系统的状态检测与故障诊断。
　　最后，研究了基于状态反馈控制器的容错设计方法，并利用此方法推导得出了串级控制系统的控制律重构方法。根据故障特征的不同，利用串级控制系统控制律重构方法和主动补偿容错控制方法建立了蒸汽发生器水位容错控制系统。该系统不需要对象的数学模型，解决了传统的基于观测器或者滤波器的方法过于依赖模型的瓶颈，在其他非线性系统中具有普遍的适用性。且故障后系统的性能几乎不受影响，具有较强的抗干扰能力。同时，开发了友好、简洁的人机界面，该界面能够对容错控制系统信息进行有效的组织并显示，大大提高了系统使用效率。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 故障诊断与容错控制概述

1．2．1 故障诊断技术

1．2．2 容错控制技术

1．3 本文主要研究内容

第2章 蒸汽发生器水位控制系统

2．1 蒸汽发生器的结构与原理

2．2 蒸汽发生器水位数学模型

2．3 蒸汽发生器水位特性分析

2．3．1 蒸汽流量扰动下的动态特性

2．3．2 给水流量扰动下的动态特性

2．3．3 其他因素扰动下的动态特性

2．4 蒸汽发生器三冲量水位控制系统

2．5 本章小结

第3章 基于BP神经网络的故障诊断系统

3．1 水位控制系统传感器故障模型

3．1．1 传感器故障模式分析

3．1．2 水位控制系统传感器故障分析

3．2 人工神经网络理论

3．2．1 人工神经网络概念

3．2．2 BP神经网络

3．3 故障诊断系统建立

3．3．1 异常状态检测模块

3．3．2 故障诊断模块

3．4 故障诊断系统仿真测试

3．5 本章小结

第4章 基于控制律重构的主动容错控制系统

4．1 基于状态反馈的控制律重构原理

4．2 容错控制系统建立

4．2．1 恒偏差与恒增益故障的容错控制

4．2．2 卡死故障的容错控制

4．3 人机界面设计

4．4 容错控制系统仿真测试

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢