以通过控制器控制电磁阀7(实施例中选用空气阀）的开度的方 法来实现空气压力与流速的改变;在这里，水可能只被加热到40度左右，所以这里换热器2 产生不了蒸汽，这里只是模拟核电站的核反应堆产生热量经冷却剂带出并在蒸汽发生器里 发生热交换产生蒸汽，推动汽轮机4这一工作过程。
[0041] 本发明省略了水栗，水箱等原件，而只对核电站的一回路的其中一部分主要的工 作过程进行了仿真模拟;如图1所示，加热器1主要用来模拟核反应堆，产生热量，加热器1包 括加热电阻丝，可以有多个，这里只用3个加热电阻丝，这3个加热电阻丝可以分别分布在加 热罐的不同的空间中，加热罐有3个出口，通过管道连接到换热器2的入口，加热罐的三个出 口分别有三个温度传感器5，检测加热器1的出口温度。
[0042] 换热器2用来模拟蒸汽发生器，加热器1的热量由冷却剂水带出传递给热交换器， 三个换热器2由出口管道汇合到一起，再经过一个电磁阀7通过管道接入汽轮机4的入口。
[0043] 空气栗3用来给管道里栗入一定压力和流速的空气，这可以模拟蒸汽发生器产生 的高压的蒸汽，空气栗3经过管道接入换热器2之后，可以在换热器2的腔体中栗入空气，然 后通过管道、阀门连接至汽轮机4的输入端。
[0044] 汽轮机4可以通过电气连接与负载8相连，给负载8供电，对于转矩驱动型负载8,可 以与其进行机械连接，直接带动负载8转动工作。控制器选用PLC9，PLC9经I/O板卡与过程现 场直接连接控制，虚线表示它们的电气连接。
[0045] 软件的控制原理：
[0046]软件的创新点在于利用模糊PID控制的方法根据加热器1出口温度的变化，动态的 通过调整空气阀的开度来调整换热器2供压力，从而使汽轮机4的转速发生变化。
[0047] 如图2所示，模糊PID原理框图
[0048]首先用多个传感器检测加热器1的出口温度T，采集来的温度信号11，了2，了3，对其 求平均值T，即：
[0049]
[0050] 实际中，蒸汽发生器产生推动汽轮机4的流量Q与核反应堆的出口温度T的传递函 数关系十分复杂，在这里，代表的是加热器1的出口温度T与换热器2的出口的空气流量Q的 关系，根据经验，这可以简化成用一个惯性环节和一个延迟环节的乘积来代替，即：
[0051 ]
g中K，?\，τ等参数可以通过系统辨识的方法来确定。
[0052]根据流量与流量的变化率，通过控制器控制阀的开度动态的调节换热器2的出口 的空气流量Q，改变汽轮机4的转速，其中流量及流量的变化率是温度及温度变化率的结果。 [0053]根据检测的加热器1出口的温度Τ及传递函数公式，计算出空气流量Q，该空气流量 Q可能会因为某些因素发生波动，这里采用闭环控制，流量计6测量三个管道汇总过来的空 气流量，作为反馈信号反馈至输入，使空气流量Q尽量保持稳定。
[0054]控制器的算法采用模糊PID控制，该算法可以动态改变Ρ、I、D三个参数，所以，相比 经典PID控制，它可以达到更好的动态效果。
[0055] 模糊控制器的维数由输入数量决定，在本发明采用二维模糊控制器。即输入为压 力及压力的变化率。模糊控制主要由模糊化、模糊推理以及解模糊组成。
[0056] 模糊化：
[0057] 首先，将输入值以适当的比例转换到属于论域中的数值，即把输入的偏差以及偏 差的变化率乘上一量化因子，使其转换到所设定的论域中。然后，利用口语化的变量来描述 测量物理量的过程。
[0058] 模糊推理：
[0059]首先确定模糊集合，选择NB、匪、奶、腸、？0、？3、？1、？8七个模糊集合，分别代表负 大、负中、负小、零、正小、正中、正大，每个集合都有一定的范围，这样能够精确地将输入量 变换到模糊集合当中。
[0060] 其次，确定隶属度函数，隶属度函数表示输入属于模糊集合的程度，其取值在0~1 之间。这里，输入采用三角隶属函数，输出也采用三角隶属函数。
[0061] 模糊推理是根据模糊规则来进行推理的，而模糊规则往往是根据经验得到的，如： 当偏差比较小时，希望系统调节参数中对控制上升时间占优的参数处于主导地位；当偏差 比较大时，调节超调量的参数占有主导地位。因此，根据不断观察输入和输出可以得到模糊 规则，并用模糊语言将其表示出来。模糊推理就是将模糊规则通过一定的方式组合起来的。 这里采用的推理方法是Takagi - Sugeno。这种推理方法便于建立动态系统的模糊模型，因 此在模糊控制中得到广泛应用。T-S模糊推理过程中典型的模糊规则形式为:如果X是A and y是B，则z = f(x，y)，其中A和B是模糊集合，而z = f(x，y)是精确函数。
[0062] 解模糊：
[0063]通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际模糊控制中，必须要有一个 确定值才能控制或驱动执行机构。将模糊推理结果转化为精确值的过程称为反模糊化。这 里采用重心法，重心法是取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理的最终输 出值。最后将得到的输出乘以比例因子即可动态改变P、I、D参数的值。
[0064] 综上所述，本发明的创新点在于用模糊控制的方法，根据加热器的出口温度，用控 制器自动的调节供给汽轮机4的空气的流量，并形成反馈，来更真实的模拟工业过程;另外， 本发明的研究方法也可以推广到基于热原理发电的电厂的研究，拓宽研究领域，而不仅仅 是核电邻域。
[0065] 以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围， 因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，其特征在于，包括加热器、换热 器、空气累、汽轮机和控制器，加热器的出口通过管道与换热器的入口连接，并且其之间的 管道上设有溫度传感器，换热器的出口通过管道与汽轮机的入口连接，空气累的出口通过 管道与换热器的出口连接，换热器的出口与汽轮机的入口之间的管道上设有流量计和电磁 阀，控制器通过I/O板卡分别与溫度传感器、流量计和电磁阀连接。2. 根据权利要求1所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，其特征在于， 所述加热器包括加热电阻丝和加热罐，加热电阻丝设置于加热罐内。3. 根据权利要求2所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，其特征在于， 所述加热器包括有多个加热电阻丝，多个加热电阻丝分布于加热罐内的不同位置，加热罐 上设有多个出口，每个出口对应连接一个换热器，每个加热罐的出口分别通过管道与对应 的换热器的入口连接，每个加热罐的出口的管道上均设有一个溫度传感器，多个换热器的 出口的管道汇合到一起，再经过一个流量计和电磁阀与汽轮机的入口连接。4. 根据权利要求3所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，其特征在于， 所述加热电阻丝个数为2~4个。5. 根据权利要求1所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，其特征在于， 所述控制器包括化C。6. 根据权利要求1所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台，其特征在于， 所述半实物仿真平台还包括负载，汽轮机带动负载运转。7. 采用权利要求1所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台所使用的控制 方法，其特征在于，包括W下步骤： 1) 控制器通过溫度传感器检测加热器出口的溫度T; 2) 控制器根据检测的加热器出口的溫度T及传递函数公式，计算出空气累应输出的空 气流量Q; 3) 实际输出的空气流量可能会因为某些因素发生波动，通过流量计测量管道汇总过来 的空气流量，作为反馈信号反馈至控制器，控制器据此可W将空气流量稳定维持在设定值； 4) 控制算法采用模糊PID控制，根据实际的空气流量和流量的变化率，通过调节电磁阀 的开度来动态调节换热器出口的空气流量，改变汽轮机的转速。8. 采用权利要求7所述的基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台所使用的控制 方法，其特征在于，所述步骤2)中，传递函数公式为：其中T为加热器出口 的溫度，Q为根据计算空气累应该输出的空气流量。
【专利摘要】本发明公开了一种基于热发电的电厂仪控系统的半实物仿真平台及控制方法，所述的半实物仿真平台包括加热器、换热器、空气泵、汽轮机和控制器，加热器的出口通过管道与换热器的入口连接，并且其之间的管道上设有温度传感器，换热器的出口通过管道与汽轮机的入口连接，空气泵的出口通过管道与换热器的出口连接，换热器的出口与汽轮机的入口之间的管道上设有流量计和电磁阀，控制器通过I/0板卡分别与温度传感器、流量计和电磁阀连接。控制器自动的调节供给汽轮机的空气的流量，并形成反馈，来更真实的模拟热发电工业过程。
【IPC分类】G05B17/02
【公开号】CN105652692
【申请号】
【发明人】李向舜, 魏迪, 姜晶, 雷程, 陈伟, 罗璠, 罗杰
【申请人】武汉理工大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年3月23日