热力容器液位系统的非线性鲁棒无扰切换控制研究

The thermal water levels such as the deaerator water level in nuclear power plants are complex nonlinear time-varying objects with the following characterisitcs: uncertain parameters, noise interferences, multi-variable and large time-delay. The dynamic features and parameters of such water level control models are largely affected by their operation conditions, accordingly with strong nonlinearity， uncertainity and time-delay in nature. Therefore, a complex thermal water level system can not be simply described by certain single linear model, and its control performance cannot be guaranteed by a fixed linear controller when having variations in operation conditions...This study aimes at a nonlienar robust control with uncertainity and an artificial intelligent nonlinear predictive switching control design, via a novel pathway of restructuring nonlinear model of the thermal water levels. The key issues of this study focuse on the substitution methods of reforming nonlinear models, the criteria of uncertain function matrixes, the selection of robust performance index parameters, design of the nonlinear predictive control, the switching principle and the bounded bumpless transfer control principle. The study investigates novel theories and algorithms of the nonolinear artificial intelligent robust control for thermal water levels, and performs the closed-loop bounded-input-bounded-error stabilitzation analysis. The results is expected to provide theoretical guidance for a well performed and stabilized control system of nuclear power plant dearator water levels.

热力容器系统如核电站除氧器液位系统等为被控特性复杂多变的对象，不仅表现出有扰、参数不确定、多变量、大时滞等特性，且其动态特性和参数随工况变化而大幅度变动，具较强非线性、不确定和时滞特性。因此，对复杂热力容器系统而言，不可能用单一固定的线性模型来描述，更不可能用固定线性控制器来保证其在大工况范围内的控制品质。..本项目通过新的热力容器液位对象非线性模型重构，针对其不确定性及时滞性，设计非线性鲁棒无扰切换液位控制结构。基于热力容器液位不确定参数模型，围绕无扰切换系统稳定性分析，考虑非线性模型替换重构、不确定性函数矩阵条件满足、鲁棒性能指标参数选取、无扰软切换原则及具 有界无扰补偿器设计等关键问题，展开对适用于热力容器液位鲁棒无扰切换控制新理论和新算法的研究，并对闭环系统稳定性进行分析。研究成果将为提高核电站除氧器液位控制设计运行的准确性和稳定性，提供一定理论和实践依据。

本项目通过多区非平衡态机理建模及RELAP5数值建模，搭建发电站复杂热力容器的液位对象模型并进行验证，首次利用支持向量回归模型及决策树分析挖掘某核电站正常运行和小破口事故运行的RELAP5数据结果并进行学习，提出适合于控制的数据驱动对象模型。同时针对液位对象系统在全工况范围及噪声影响下的不确定性，设计以下控制系统并分别进行仿真试验：（1）设计状态反馈H∞鲁棒核电站除氧器、蒸汽发生器液位控制系统，仿真试验结果表明，当对象模型在一定范围内偏离设计工况及外部扰动时，设计的控制系统可有效抑制内扰及外扰，具有较强鲁棒性能；（2）设计基于极点配置的H∞鲁棒核电站除氧器、蒸汽发生器液位控制系统，仿真试验结果表明，开环对象内不稳定性极点的非最小相位现象在所设计控制系统下得到较好抑制，系统稳定性得到改善并具有较强鲁棒性；（3）设计H∞鲁棒跟踪核电站除氧器、蒸汽发生器液位控制系统，仿真试验表明所设计的控制系统可通过扩增模型维数提高系统跟踪性能；（4）设计基于遗传算法的滑模控制核电站除氧器、蒸汽发生器液位输出反馈控制系统，采用改进遗传算法优化全局动态滑模控制系统参数，有效抑制滑模控制抖振并提高系统稳定性；（5）设计核电站除氧器、蒸汽发生器液位状态空间遗传算法优化预测控制系统，仿真实验表明所设计的状态空间模型液位预测控制系统在工况大范围变化下具有良好控制性能。..本研究对提高热力容器液位控制系统在全工况范围变动下的稳定性、准确性、快速性，以及电站高效发电节能技术提供理论依据和技术支持。