核電廠蒸汽發生器液位控制系統模擬與優化控制平臺設計

李肖宇，廖彬榮，耿鵬程，孔祥松，，*，史長青

（1.廈門理工學院電氣工程與自動化學院，廈門 361024；2.核電安全技術與裝備全國重點實驗室，中廣核工程有限公司，深圳 518172）

安全性和穩定性是核能開發與利用的核心問題，SG 液位控制系統性能的優劣直接關系到核電站能否安全運行［1，2］。蒸汽發生器液位控制系統是核電廠中至關重要的一個控制系統，在系統運行時需要控制給水量與蒸發量達到動態平衡，使得在正常運行工況下蒸汽發生器的水位保持在規定的范圍內。據資料顯示，核電站中60%以上的停堆事故是與液位控制密切相關的［3，4］。目前蒸汽發生器液位控制系統參數整定過程嚴重依賴工程師經驗，隨著計算機技術的不斷革新，其強大的計算能力被廣泛地應用于核電工業及其他工業生產中［5-8］，這一趨勢引起了各行業的高度重視。因此，使用一個高效的模擬與優化平臺是十分必要的。

為解決上述問題，本文融合數據驅動優化方法特征和核電廠蒸汽發生器液位控制過程特性，建立了一套集成化、多功能、系統性的模擬與優化驗證實施平臺。

1 平臺設計分析

1.1 應用對象

該平臺為一款工業生產實踐的模擬與優化驗證實施平臺，主要應用于核電廠蒸汽發生器液位控制系統的性能優化，應用領域主要為核電廠蒸汽發生器液位控制領域，但同樣適用于其他參數整定領域。該平臺能夠實現高可靠性和穩定性的液位控制，并且具備很高的開放性和擴展性，能夠廣泛地應用在各種參數整定領域。

1.2 需求分析

核電廠蒸汽發生器液位控制系統模擬與優化控制平臺設計的目的是開發一款具有3D 實時顯示和性能優化評價分析等功能的平臺，且該平臺擁有新型人機交互界面，使工程師可以更加便捷地觀察蒸汽發生器的實時液位情況，并根據性能評價指標對其控制情況進行分析，選擇合適的優化方法，獲得較優的控制效果。

通過對核電調試運維工程師的需求分析及核電廠蒸汽發生器液位控制優化工作的特征分析，該平臺實現的具體功能主要如下：

（1）顯示初始SG 模型液位曲線，并根據數據進行實時繪制。

（2）通過蒸汽發生器3D 仿真模型，實時反饋液位高度。

（3）利用性能評價分析工具，對液位控制系統性能進行量化分析，確保能及時發現控制系統的性能問題。

（4）性能優化可結合歷史迭代數據分析，生成優化后的液位曲線。

（5）參數設置。對初始參數進行預設置，實現手動調節。

（6）實驗測試?？蛇M行初始點的單一或批量迭代優化實驗。提升了操作的便捷性及信息可視化程度。

在該平臺的六項功能中，GUI 顯示功能在MATLAB App Designer 設計工具中實現，3D 建模部分在3Ds Max 中實現，數據存儲與調用在MySQL Workbench 8.0 CE 中實現。

2 蒸汽發生器性能優化平臺總體設計方案

為實現上述六項功能，本文通過核電廠蒸汽發生器液位控制系統Simulink 模型、性能優化分析系統、3Ds Max 虛擬仿真模型、人機交互系統、MySQL 數據庫五個子系統實現了蒸汽發生器性能優化平臺的設計，如圖1 所示。工程師通過人機交互界面調用蒸汽發生器液位控制系統，并將優化過程通過平臺進行展示，從而實現液位監控、性能優化、控制性能評價等功能。

圖1 性能優化平臺系統總體結構Fig.1 Overall structure of the performance optimization platform system

2.1 核電廠蒸汽發生器液位控制系統Simulink模型子系統

本文主要對核電廠蒸汽發生器液位控制三沖量系統進行研究，控制過程主要是通過改變供給水的流量，即調節水閥的開關角度來實現SG 液位滿足設定值的要求，SG 液位控制性能主要由控制系統結構與控制系統的控制參數共同決定［9］?？刂葡到y原理如圖2 所示，圖2 中主給水控制器和旁路給水控制器的控制情況如圖3 所示，雙閉環控制系統的控制參數主要由主控制器（主給水控制器）的三個PID 參數和副控制器（旁路給水控制器）的三個PID 參數構成。

圖2 SG 控制系統原理圖Fig.2 SG control system schematic

圖3 SG 控制系統雙閉環控制方框圖Fig.3 Block diagram of double closed-loop control of SG control system

對SG 液位控制系統進行性能優化，實質上是對各個相關控制器參數進行參數整定。在Simulink 模型中，將對主控制器和副控制器的PID 參數進行整定，當輸入控制器PID 參數時輸出液位響應，并與其他子系統進行配合，完成核電廠蒸汽發生器液位控制系統模擬與優化控制的平臺設計。

2.2 性能優化分析子系統

性能優化過程設計框架如圖4 所示。

圖4 性能優化設計框架Fig.4 Performance optimization design framework

在性能優化框架設計中，本文采用了歷史運行數據與數據驅動知識指引優化算法所形成的數據驅動優化方法，該優化方法通過充分挖掘歷史數據信息，實現過程數據的最大化利用。

對優化后的參數進行控制系統仿真實驗，得到控制系統性能與歷史運行數據，運行評價系統將對歷史運行數據進行分析，若不滿足性能評價標準將對控制系統進行迭代優化，直到控制參數滿足運行評價系統后停止優化，最終實現控制系統的性能優化。

基于性能指標的特點，將性能指標運用于控制過程，通過選取不同的性能指標以形成對性能評價方法的研究。由于單一性能指標存在一定的局限性，因此性能評價方法研究主要利用綜合性能指標和階躍性能指標的復合指標來進行性能評價方法的研究。其中，通過性能指標實現性能評價的流程如圖5 所示。

圖5 性能評價指標設計框架Fig.5 Performance evaluation index design framework

對控制過程得到的液位響應數據進行性能評價方法的研究，包括數據處理、選取性能指標，并進行性能指標計算，最后根據性能評價方法的研究，對控制性能進行量化分析。同時引入優化終止條件，若滿足優化終止條件，則結束優化進程，并對優化結果及優化過程進行性能評價分析［9］。

2.3 3Ds MAX 虛擬仿真子系統

在3Ds Max 中需分別搭建蒸汽發生器外殼、頂部、底座與內部結構四個部分，并將四個部分組合成蒸汽發生器模型如圖6 所示。

圖6 3Ds Max 中搭建的蒸汽發生器模型Fig.6 Steam generator model built in 3Ds Max

為了能對采集到的初始液位信息進行3D動態顯示，本文選用定時器對采集到的液位高度數據進行依次有序的讀取，并通過實時讀取的液位數據構建動態水柱模型。

2.4 人機交互子系統

人機交互界面整體設計框架如圖7 所示，分為登錄界面設計、初始液面設計、初始參數設計頁面、性能優化進程控制主界面、性能評價分析界面。

圖7 人機交互界面整體設計框架Fig.7 Overall design framework of human-computer interaction interface

（1）登錄界面

系統用戶登錄界面如圖8 所示。運行軟件后，用戶進入核電廠蒸汽發生器液位控制性能優化平臺。

圖8 系統用戶登錄界面Fig.8 System user login screen

用戶進入系統后可以對液位進行實時監控，并且能夠利用性能分析功能對液位進行量化分析。

（2）初始液面

初始液面設計如圖9 所示。

圖9 初始液面Fig.9 Initial liquid level

將原有二維數據曲線變為實時顯示的水柱模型，使工程師更加了解蒸汽發生器內液位變化過程，提高數據的可視化程度。

（3）初始參數設計

初始參數設置頁面如圖10 所示。

圖10 初始參數設置Fig.10 Initial parameter setting

在核電廠蒸汽發生器液位控制系統的模擬與優化控制平臺中，提升對初始參數與優化方法修改的便捷程度，以及信息的可視化程度，極大程度降低了工程師對該液位控制優化系統的熟悉難度。

（4）性能優化進程

性能優化進程如圖11 所示。

圖11 性能優化進程Fig.11 Performance optimization process

優化方法包括基于與歷史梯度近似的改進型并行的攝動隨機逼近優化算法即GK-SPSA優化方法［10］，與攝動隨機逼近優化算法即SPSA優化方法［11-14］實時繪制迭代優化曲線，并且能夠將PID 前后數值進行展示，提高工程師對液位控制系統運行狀態的分析效率。

（5）性能評價分析

性能評價分析界面如圖12 所示，通過選擇不同的性能指標與優化曲線，工程師能得到直觀的數據變化體驗。

圖12 性能評價分析Fig.12 Performance evaluation analysis

性能分析界面中擁有IAE、ITSE、ISE、MSE、ITAE、IAVU 六種性能評價方式［9］，滿足工程師對運行過程進行分析的需求。

2.5 MySQL 數據庫子系統

為了得到實時顯示液位高度的SG 模型，需要對SG 模型輸出的液位信息進行采集，使用MySQL 數據庫與MATLAB 進行交互，可將液位信息反饋到模型上。

3 實驗驗證

3.1 單次實驗

為驗證優化算法的可行性，該平臺設計了單次實驗窗口，方便工程師調整優化算法參數。性能優化開始時如圖13 所示，初始參數根據預設的優化方法進行迭代優化，并繪制迭代過程的液位曲線，如圖14 所示。

圖13 初始參數Fig.13 Performance evaluation analysis

圖14 迭代過程液位曲線Fig.14 Iterative process level profile

迭代終止如圖15 所示，當性能評價指標滿足迭代終止條件時停止優化。

圖15 迭代終止Fig.15 Iteration termination

3.2 批量實驗

為驗證優化方法的穩定性，該平臺設計了批量實驗窗口，方便工程師對優化算法進行大批量的實驗，批量實驗界面如圖16 所示，根據實驗需求設置運行次數，進行批量實驗。

在批量實驗中采用相同初始參數與不同初始參數兩種實驗方案，在不同參數實驗中采用的是拉丁超立方抽樣實驗。拉丁超立方抽樣的關鍵在于能夠將輸入概率進行分層，分布在（0，1）區間上，并在每層中進行隨機抽樣。通過上述抽樣方法，能夠以較小的采樣規模獲得較高的采樣精度，是一種非常實用的抽樣方法。在本設計中，將總區間分為Rn 層，并在每層中抽取n 個初始點作為采樣數據。

在批量實驗初始參數設計界面中，增加了Rn 與n 兩個編輯窗，Rn 與n 二者的乘積決定了批量運行的次數。兩種初始參數設計界面如圖17 與圖18 所示。

圖17 相同初始參數Fig.17 Same initial parameter

圖18 不同初始參數Fig.18 Different initial parameters

優化進程結束后，得到Rn×n 組迭代點數據，根據該數據繪制不同的初始點迭代軌跡分布圖，如圖19 所示。

圖19 不同初始點迭代軌跡分布圖Fig.19 Distribution of iterative trajectories for different initial points

4 結論

本文基于MATLAB App Designer 與3DsMax組合的數字仿真設計了一套核電廠蒸汽發生器液位控制系統模擬與優化控制平臺，為解決優化方法與控制平臺融合的問題提出了實現機制與解決方案。同時給工程師在研究平臺進行新型控制策略測試與優化算法開發中產生的問題提出了解決方案。為先進的核電廠控制方法及系統的設計、實施提供了基礎。利用該系統可以支撐核電廠蒸汽發生器液位控制系統性能優化研究并提高數據的可視化程度，從而為核電廠蒸汽發生器液位控制系統的性能優化相關科研工作提供有效的支撐。