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    摘要：PID控制器具有原理簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)，魯棒性好，使用方便的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)核電站的儀控系統(tǒng)采用模擬調(diào)節(jié)儀表，隨著數(shù)字化儀控系統(tǒng)（DCS）技術(shù)的逐漸成熟，其在核電站的運(yùn)行和維護(hù)中扮演的角色也越來(lái)越重要。本文以海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組采用的INVENSYS公司IA DCS系統(tǒng)為背景，對(duì)單回路PID控制和串級(jí)PID控制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行闡述；針對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的手/自動(dòng)切換擾動(dòng)和PID控制器的正反作用問(wèn)題給出了解決方案；這對(duì)核電站數(shù)字儀控系統(tǒng)中PID控制器的研究具有十分重要的意義。

    關(guān)鍵詞：PID控制器； 串級(jí)控制； 無(wú)擾切換； 正反作用

    Abstract: PID controller has been widely used, because of its simple theory，high stability and robustness, along with its convenient operations.Analog control system was used in conventional Nuclear Power Plant(NPP),but Distributed control system(DCS) is playing more and more important role in operation and maintenance of NNP,with the development of DCS .On the basis of Changjiang NPP of Hainan, this paper briefly introduces a single loop and series-wound PID controller implemented on the INVENSYS’IA system. It also proposes a solution to the no-disturbance switch and the direct/reverse action of PID controller faced in the implementation. The research is significant to the reliability of PID controller in the Digital Instrument&Control System of NPP.

    Key words: PID controller; Series-wound control; No-Disturbance switch; Direct or reverse acting

    DCS自問(wèn)世以來(lái)，其可靠性、適用性不斷提高，功能也日益增強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于電力、石化，冶金等行業(yè)，但核電站中DCS系統(tǒng)的應(yīng)用歷史并不太長(zhǎng)。PID控制器具有原理簡(jiǎn)單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文以海南昌江核電站1、2號(hào)機(jī)組采用的INVENSYS公司IA DCS系統(tǒng)為背景，對(duì)核電站中典型的單回路PID控制和串級(jí)PID控制的控制原理和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述；針對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的手/自動(dòng)切換擾動(dòng)和PID控制器的正反作用問(wèn)題給出了解決方案。對(duì)PID控制器在核電站中的應(yīng)用推廣有重要意義。

    1　PID控制原理

    PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)，它根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例積分微分控制計(jì)算出控制量進(jìn)行控制，目前核電站中常用的有P、PI，PID控制。其典型控制框圖如下圖，從圖1上看是一種典型負(fù)反饋控制，其根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值之間的偏差，輸出控制量調(diào)節(jié)被控對(duì)象，直到實(shí)際輸出值等于給定值或偏差達(dá)到允許范圍之內(nèi)。

                
                                         圖1 典型PID控制器控制框圖

    PID控制器的傳遞函數(shù)為：
   

    其中， 為比例常數(shù)； 為積分常數(shù)； 為微分常數(shù)。

    核電站中除了上述單回路的PID控制，還有少部分的串級(jí)控制系統(tǒng)，其典型控制框圖如下圖2。串級(jí)控制系統(tǒng)的引入主要針對(duì)復(fù)雜的控制對(duì)象，在核電站中用于控制穩(wěn)壓器水位，其容量滯后大，干擾變化劇烈，頻繁，控制要求高。

                                  
                                         圖2 串級(jí)PID控制器控制框圖

    從圖中看，該控制系統(tǒng)為包括兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，副調(diào)節(jié)器位于內(nèi)環(huán)，起到粗調(diào)的作用；主調(diào)節(jié)器位于外環(huán)，起到精調(diào)的作用。主調(diào)節(jié)器的設(shè)定值由外部給定，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。經(jīng)過(guò)兩級(jí)調(diào)節(jié)，可以提高復(fù)雜被控對(duì)象的控制精度。

    2　單回路PID控制在核電站中的應(yīng)用

    2.1　核電站典型的單回路PID控制要求

    核電站典型的單回路PID控制，如圖3，是海南昌江核電廠1、2號(hào)機(jī)組容積控制箱（RCV002BA）液位的單回路PID調(diào)節(jié)，其目的是控制RCV002BA的液位在一個(gè)穩(wěn)定的值，以維持反應(yīng)堆一回路的水裝量。容積控制箱的液位通過(guò)RCV011MN監(jiān)測(cè)，當(dāng)在容積控制箱水位高于給定值時(shí)，通過(guò)氣動(dòng)三通閥（RCV 030 VP）調(diào)節(jié)，將流入容控箱的流量減小，同時(shí)排往硼回收系統(tǒng)（TEP）的流量加大；當(dāng)液位低于給定值時(shí)， 調(diào)節(jié)RCV 030 VP，將流入容控箱的流量增大。

                         
                                   圖3 容控箱液位控制模擬圖

    圖中，RG401為P調(diào)節(jié)，其控制原理框圖如下圖

                
                                  圖4 容積控制箱控制簡(jiǎn)化框圖

    2.2　DCS平臺(tái)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

    海南昌江核電站的容控箱液位控制在INVENSYS公司的IA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

                    
                                圖5 容控箱液位控制功能圖

    其中，I/D是電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的輸入卡件；AINR（AOUTR）是冗余設(shè)置的模擬信號(hào)輸入（輸出）模塊；AIN（AOUT）是IA平臺(tái)軟硬件的輸入（輸出）接口模塊；401RG為IA平臺(tái)軟件的典型的PID調(diào)節(jié)模塊；<表示401RG輸出的上限；>表示401RG輸出的下限；T是手自動(dòng)切換的執(zhí)行模塊，自動(dòng)模式下，選擇INP1作為401RG的輸出，手動(dòng)時(shí)選擇INP2作為輸出；BCALC1/2是跟蹤手動(dòng)模式下的控制值，實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換；401RC為手自動(dòng)操作站。

    RCV011MN I/D采集卡采集到IA系統(tǒng)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送到計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫面（KIC）上實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)AINR模塊獲取采集卡的信息并檢測(cè)信號(hào)有效性，送到PID調(diào)節(jié)模塊（401RG）的測(cè)量端，與KIC上送來(lái)的給定值比較后進(jìn)行比例運(yùn)算，在自動(dòng)控制模式下，通過(guò)AOUTR模塊輸出給RCV030 VP調(diào)節(jié)容控箱液位。若AINR和AOUTR模塊檢測(cè)到信號(hào)無(wú)效，則主控室的手自動(dòng)操作站（401RC）報(bào)警，提醒操作員處理。

    3　串級(jí)PID控制在核電站中的應(yīng)用

    串級(jí)控制相比單回路控制多了一個(gè)副回路，其抗干擾能力等都優(yōu)于單回路控制，但是串級(jí)控制所需的儀表多，系統(tǒng)復(fù)雜，一般情況下，單回路控制能解決的問(wèn)題，一般不采用串級(jí)控制，因此，核電站中的串級(jí)控制的使用也非常有限，下面以核電站復(fù)雜的串級(jí)PID控制（穩(wěn)壓器水位的串級(jí)控制）為例闡述核電站中串級(jí)控制的實(shí)現(xiàn)。

    3.1　核電站復(fù)雜串級(jí)PID控制介紹

    如圖6是穩(wěn)壓器水位的串級(jí)控制模擬圖。

                    
                             圖6 穩(wěn)壓器液位控制模擬圖

    該串級(jí)控制包含：

    （1）主調(diào)節(jié)器——穩(wěn)壓器水位調(diào)節(jié)器（RCP403RG）

    穩(wěn)壓器水位的整定值為反應(yīng)堆冷卻劑溫度的函數(shù)，由冷卻劑的平均溫度和參考溫度（由汽機(jī)壓力得到）計(jì)算而來(lái)。測(cè)量值由RCP007、008和011MN三個(gè)穩(wěn)壓器水位變送器測(cè)量值，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)VT403處理后得到的有效平均值。整定值與測(cè)量值比較后取偏差作為RCP403RG的輸入。RCP403RG為PI型控制器，積分環(huán)節(jié)的作用是消除穩(wěn)態(tài)工況下實(shí)際水位與整定值間的穩(wěn)態(tài)誤差。

    RCP403RG的輸出信號(hào)通過(guò)ZO433加上容控箱的下泄流量，得到上充流量的整定值，作為副調(diào)節(jié)器的輸入。該信號(hào)有兩個(gè)可調(diào)的限值，由函數(shù)發(fā)生器GD413實(shí)現(xiàn)：

    最小流量限值，以保證再生熱交換器內(nèi)冷卻下泄流的最小上充流量，為的是防止下泄孔板下游出現(xiàn)冷卻劑汽化現(xiàn)象；

    最大流量限值，保證運(yùn)行中的上充泵的出口壓力足以能維持反應(yīng)堆冷卻劑泵軸密封流量在一個(gè)可接受的范圍內(nèi)。

    （2）副調(diào)節(jié)器——上充流量調(diào)節(jié)器（RCV404RG）

    主調(diào)節(jié)器輸出給定的上充流量，由帶1s滯后的PI控制器RCV404RG調(diào)節(jié)上充流量調(diào)節(jié)閥RCV046VP，達(dá)到調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器水位的目的。其控制原理框圖如圖7。

                   
                             圖7 穩(wěn)壓器液位控制簡(jiǎn)化框圖

    3.2　DCS平臺(tái)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

    穩(wěn)壓器的液位控制也是在INVENSYS公司開(kāi)發(fā)的IA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，如圖8。

                        
                                圖8 穩(wěn)壓器液位控制功能圖

    RCP007/008/009MN水位測(cè)量信號(hào)采集到IA系統(tǒng)，通過(guò)軟件中的開(kāi)發(fā)的選擇模塊AVERGE VOTER實(shí)現(xiàn)三個(gè)值的平均，送水位主調(diào)節(jié)回路作為測(cè)量值，整定值通過(guò)一回路溫度通過(guò)固定的函數(shù)曲線生成，兩者的偏差經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算送到副調(diào)節(jié)回路，最終控制穩(wěn)壓器水位。

    4　無(wú)擾切換實(shí)現(xiàn)和正反作用設(shè)定

    4.1　無(wú)擾切換實(shí)現(xiàn)

    這里介紹的無(wú)擾切換主要是手自動(dòng)的無(wú)擾切換，包括手自動(dòng)切換中最終的輸出信號(hào)無(wú)擾動(dòng)以及KIC上設(shè)定值的無(wú)擾動(dòng)切換。

    4.1.1　手自動(dòng)切換時(shí)輸出無(wú)擾

    以上圖5   RCV401RG為例，自動(dòng)模式下控制器輸出值為INP1，手動(dòng)模式下輸出值為INP2。當(dāng)自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式時(shí)，如果INP1和INP2不等，會(huì)造成PID控制器的輸出跳變，導(dǎo)致執(zhí)行器出現(xiàn)擾動(dòng)現(xiàn)象。

    針對(duì)上述問(wèn)題，在功能圖中增加CALCA模塊，如圖9所示。RI01（調(diào)節(jié)器輸出）和RI02（手動(dòng)模式輸入值）都送到該模塊。自動(dòng)模式下，RO01（CALCA模塊的輸出）先跟蹤并記憶RI01的值，而RI01的值為控制器的自動(dòng)輸出INP1，當(dāng)切換到手動(dòng)模式時(shí)，INP2的值為RO01，等于INP1，所以切換是無(wú)擾動(dòng)。而手動(dòng)模式下，INP2的值送到AOUTR后經(jīng)過(guò)BCAL2和BCAL1反饋到401RG調(diào)節(jié)器，使INP1等于INP2，也實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾動(dòng)切換。

                      
                                  圖9 自動(dòng)模式到手動(dòng)模式無(wú)擾切換的功能圖

    4.1.2　手自動(dòng)切換時(shí)外設(shè)定值無(wú)擾動(dòng)切換

    以上圖5   RCV401RG為例。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)通過(guò)PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，給定值和測(cè)量值之間的偏差基本為0，所以自動(dòng)切手動(dòng)時(shí)，基本是無(wú)擾動(dòng)的。而手動(dòng)模式下，RCV401RG功能被屏蔽，外設(shè)定值無(wú)法修改保持不變，切換到自動(dòng)模式時(shí)，如果手動(dòng)調(diào)節(jié)后測(cè)量值變化較大，兩者之間的偏差將很大，導(dǎo)致擾動(dòng)，同時(shí)，調(diào)節(jié)器RCV404RG將向原設(shè)定值調(diào)節(jié)，操作員輸入目標(biāo)值后向目標(biāo)值調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，導(dǎo)致控制量的跳變擾動(dòng)。

    解決方法是在整定值輸入前增加CALCA模塊，如圖10所示。CALCA模塊檢測(cè)到手動(dòng)模式時(shí)，外設(shè)定值RO01跟蹤測(cè)量值RI02，在手動(dòng)控制狀態(tài)下，設(shè)定值跟蹤測(cè)量值，即此時(shí)的測(cè)量值RI02可認(rèn)為就是外設(shè)定值，把該值作為此時(shí)的外設(shè)定值，切換到自動(dòng)模式時(shí)不會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)現(xiàn)象。

                       
                                 圖10 手動(dòng)模式到自動(dòng)模式無(wú)擾切換的功能圖

    4.2　PID控制正反作用設(shè)置

    對(duì)于反饋系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只有負(fù)反饋才是穩(wěn)定的。負(fù)反饋的判斷依據(jù)是系統(tǒng)開(kāi)環(huán)方法倍數(shù)為負(fù)，即系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)的乘積為負(fù)。所以在控制系統(tǒng)投運(yùn)之前，必須根據(jù)調(diào)節(jié)閥、被控對(duì)象和變送器放大倍數(shù)的正負(fù)，設(shè)定PID控制的正反作用，確保系統(tǒng)為負(fù)反饋系統(tǒng)。正作用是指調(diào)節(jié)器的輸出隨被調(diào)量的增大而增大，調(diào)節(jié)器的增益為“+”，反作用是指調(diào)節(jié)器的輸出隨被調(diào)量的增大而減小，增益為“-”[1]。

    參考圖4中容控箱液位控制系統(tǒng)，包含P控制器、三通換向閥、容控箱和液位變送器四個(gè)環(huán)節(jié)，其中

    （1）氣動(dòng)三通換向閥（RCV 030 VP）在失氣狀態(tài)下，完全切換到RCV002BA側(cè)；供氣狀態(tài)下，根據(jù)容控箱液位高低在RCV和TEP之間切換；所以對(duì)容控箱來(lái)說(shuō)，等同于氣閉式閥門，為負(fù)作用；

    （2）對(duì)于被控對(duì)象容控箱，輸入信號(hào)為RCV 030 VP去容控箱側(cè)的開(kāi)度，輸出信號(hào)為容控箱液位。當(dāng)開(kāi)度變大時(shí)，容控箱的液位升高，所以容控箱為正作用；

    （3）液位變送器（RCV011MN）的輸出信號(hào)隨著液位的上升而增大，所以為正作用；

    （4）根據(jù)上述3條，可以判斷P控制器RCV401RG為正作用。

    5　結(jié)束語(yǔ)

    本文結(jié)合海南昌江核電站的工程實(shí)踐，對(duì)單回路PID控制器和串級(jí)PID控制器的控制原理和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，闡述了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。隨著我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展，PID控制器必將在三代核電的開(kāi)發(fā)研究中得到廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)提高核電領(lǐng)域的自動(dòng)控制水平具有一定的推動(dòng)作用。

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    作者簡(jiǎn)介

    顧燕春（1970-），女，高工，學(xué)士，從事核電站核輔助系統(tǒng)的儀控設(shè)計(jì)和科研工作。

    廖圣勇（1981-），男，工程師，碩士，從事核電站核輔助系統(tǒng)的儀控設(shè)計(jì)和科研工作。

    王蘭蘭（1985-），女，助工，學(xué)士，從事核電站核輔助系統(tǒng)的儀控設(shè)計(jì)和科研工作。