执行器和传感器多故障并发的海洋核动力装置自主控制研究

The marine nuclear power plant (NPP) has higher probabilities of fault and human error which are also more difficult to deal with than the land-based NPP due to the complicated marine environment and its special structure and operation characteristics. This poses a great threat to the system safety, but the autonomous control is an effective solution. In the project, the autonomous control is applied to the marine NPP with simultaneous faults in actuators and sensors. The main content includes the following aspects. Firstly, the faults propagation and coupling mechanisms will be studied, based on which an online multi-fault detection and diagnosis approach will be proposed using the multi-label technique and support vector machine. Then, the influence rule of the actuator fault on the system energy balance process is going to be analyzed. On this basis, a fuzzy online regulation method of the control system setpoints in case of actuator faults will be developed. Moreover, the robust adaptive reconfigurable control law will be designed for the system with faults, and a bumpless transfer mechanism between the reconfigurable control law and the normal control law will be developed based on the finite state machine and the sliding mode control method. Finally, with integration of the fault diagnosis, control system setpoint regulation and control law reconfiguration research results, an autonomous control strategy is going to be proposed for the marine NPP. This strategy can ensure the safe and reliable operation of the plant even in case of simultaneous faults in actuators and sensors without manual operation. The project will provide advanced control theory foundation and technical support for the improvement of the safety and economy of marine NPP.

海洋核动力装置受复杂海洋环境及自身结构和运行特性影响，故障和人因失误的发生概率比陆基核动力装置高且处置难度大，构成重大安全隐患，而自主控制是其有效解决途径。本项目针对执行器和传感器多故障并发的海洋核动力装置开展自主控制研究，主要内容包括：研究故障的传播机制和耦合机理，进而建立基于多标识和支持向量机的在线多故障检测与诊断方法；分析执行器故障对系统能量平衡过程的影响规律，在此基础上建立控制系统设定值的模糊在线整定方法；设计故障系统的鲁棒自适应重构控制律，并基于有限状态机和滑膜控制方法构建其与正常控制律的无扰切换机制。综合上述故障诊断、控制系统设定值整定及重构控制的研究成果，本项目将提出适用于执行器和传感器多故障并发工况的海洋核动力装置自主控制策略，实现多故障下系统无需人为干预仍能安全可靠运行并具有满意的动态性能，为提高海洋核动力装置的安全性和经济性提供先进的控制理论基础和技术支撑。

核动力装置可为海洋经济发展提供持续高效的清洁能源，是深远海资源开发和海上军事基地能源供应的最佳选择之一。但受复杂海洋条件与灵活运行特性影响，海洋核动力装置的故障和人因失误发生概率比陆基核动力装置高且处置难度大，控制系统需具备较强的鲁棒自适应与故障自愈能力，开展其自主控制研究意义重大。本项目立足我国海洋强国战略的重大需求，开展执行器和传感器故障下小型压水堆海洋核动力装置的自主控制研究，建立了集成在线故障诊断、控制系统设定值模糊整定、主动满意容错控制等方法的自主控制策略及系统，并通过仿真分析证明了其可行性与先进性。所取得的主要成果包括：通过理论分析与仿真研究探明了小型压水堆系统执行器和传感器故障的传播特性与耦合机理，提出了多维数字与字母组合的多故障归类字典，并仿真生成了包含足量独立故障和适量并发故障模式的样本数据库；开发了基于多标识与支持向量机的执行器和传感器独立故障与部分并发故障的在线诊断模型，建立了基于长短期记忆网络、时域卷积网络等深度学习算法的独立故障高效准确在线诊断方法，并搭建了相应的硬件在环测试平台对其进行了半实物仿真验证；揭示了执行器故障对系统能量平衡过程的影响规律，在此基础上建立了控制系统设定值的模糊整定方法，实现了执行器卡死故障下系统目标负荷和关键参数设定值的在线整定；研究并确定了预期故障模式及强度下闭环系统的区域极点指标、方差上界指标、H∞扰动衰减指标及控制输入约束的相容性并设定了相容约束的取值范围，建立了基于全状态反馈的故障系统主动满意容错控制方法，并制定了约束软化策略解决了控制器在线重构时可能出现的多种约束不相容的难题。通过上述研究，本项目实现了小型压水堆海洋核动力装置在传感器和执行器复杂故障下无需人为干预仍能安全可靠运行并具有满意的动态、稳态和鲁棒性能的研究目标，研究成果可为海洋核动力装置安全性和经济性的提升提供先进的控制理论基础和技术支撑。