Abstract quality of feedwater level control in a steam generator of a nuclear power plant with a VVER-1000 reactor. It is shown that the main area of application of the fuzzy controller is the mode in which the standard control unit loses part of the information about the material balance in case of failure or unreliability of the flow measurement channels. The structure of a PI-like regulator with two input variables is proposed: the level in GHG and its rate of change. The requirements for shockless activation, limitation of the output command and preservation of standard protections are justified.

Регулятор уровня парогенератора (РУПГ) является одним из элементов автоматического управления, влияющих на устойчивость теплогидравлического режима энергоблока. В нормальном режиме штатный РУПГ использует не только сигнал уровня, но и дополнительные обратные связи, связанные с расходом питательной воды, расходом пара и положением регулирующего клапана. Такая структура позволяет учитывать материальный баланс и быстрее реагировать на изменение нагрузки.

Недостатки существующего регулирования наиболее заметны в переходных режимах, когда из-за отказа или недостоверности измерительных каналов расхода регулятор переходит к более ограниченной схеме работы. В этих условиях управление начинает сильнее зависеть от сигнала уровня, а сам уровень в ПГ является нелинейным технологическим параметром. На него влияют паросодержание, давление, расход пара, расход питательной воды и динамика регулирующего органа. Поэтому простая фиксированная настройка не всегда обеспечивает требуемое качество регулирования.

Теория нечеткой логики позволяет формализовать опыт оператора и инженерные правила управления в виде лингвистических зависимостей типа «если — то». В отличие от жесткого численного закона, нечеткий регулятор допускает плавный переход между качественными состояниями: «уровень ниже нормы», «уровень номинальный», «уровень выше нормы», «уровень растет» или «уровень снижается». Такое описание соответствует характеру реального технологического процесса, в котором границы между состояниями обычно не являются резкими.

В качестве базовой структуры (см. рисунок 1) целесообразно рассматривать нечеткий ПИ-подобный регулятор с двумя входными переменными: фактическим уровнем L и скоростью изменения уровня v. При постоянной уставке Lзад = 270 мм использование фактического уровня эквивалентно описанию через ошибку e = Lзад − L. Скорость изменения уровня характеризует тенденцию процесса и связана со скоростью изменения ошибки противоположным знаком.

e(k) = Lзад − L(k); v(k) = [L(k) − L(k−1)] / Δt; Δe(k)/Δt = −v(k).

Выходной переменной такого регулятора является нормированная команда направления и интенсивности перемещения регулирующего клапана. Положительное значение команды соответствует открытию клапана и увеличению подачи питательной воды, отрицательное — закрытию клапана. Перед выдачей на исполнительный механизм команда должна проходить через блок денормализации и штатные ограничения по диапазону положения РК и скорости его перемещения.

Рис. 1. Предлагаемая структура нечеткого регулятора уровня ПГ

Блок фаззификации переводит измеренные значения уровня и скорости изменения уровня в степени принадлежности соответствующим термам. База правил формирует логическое решение, а дефаззификация преобразует нечеткий результат в числовую команду. Для промышленной реализации предпочтительны треугольные и трапецеидальные функции принадлежности (см. рисунок 2), поскольку они просты для программной реализации и требуют небольших вычислительных затрат.

Рис. 2. Пример функций принадлежности для входной переменной «уровень в ПГ»

Таблица 1 показывает связь между выявленными недостатками штатного РУПГ и возможностями их компенсации средствами нечеткой логики. Основное преимущество РНЛ состоит в том, что управляющее воздействие формируется не только по текущему значению уровня, но и по характеру его изменения. Это позволяет учитывать нелинейность объекта, потерю части обратных связей при отказе расходомерных каналов, особенности безударного переключения и ограничения регулирующего клапана. Таким образом, нечеткий регулятор может рассматриваться как средство повышения адаптивности управления в наиболее неблагоприятных переходных режимах.

Таблица 1

Соответствие выявленных недостатков и средств нечеткого регулирования

Из таблицы 2 видно, что управляющее воздействие определяется не только абсолютным отклонением уровня от номинального значения, но и тенденцией его изменения. Если уровень находится ниже нормы и продолжает снижаться, регулятор должен формировать более интенсивное открытие клапана. Если уровень выше нормы и продолжает расти, управляющее воздействие смещается в сторону интенсивного закрытия. При малых отклонениях и устойчивой тенденции допускается удержание или слабое корректирующее воздействие.

Таблица 2

Фрагмент базы правил для двух входных переменных

С точки зрения безопасности предлагаемый алгоритм не должен заменять штатные защиты, блокировки и диагностику измерительных каналов. Его следует рассматривать как надстроечный элемент улучшения качества регулирования в допустимых технологических пределах. Включение РНЛ допустимо только при достоверном сигнале уровня и исправном канале положения регулирующего клапана; при отказе канала уровня применение такого регулятора недопустимо.

Таким образом, применение теории нечеткой логики для РУПГ энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС обосновано нелинейностью объекта, изменением структуры обратных связей при отказе расходомерных каналов и необходимостью учитывать не только величину отклонения уровня, но и направление развития процесса. Предложенная структура с входами по уровню и скорости его изменения позволяет сформировать физически интерпретируемую базу правил и является основой для последующего имитационного моделирования, подбора функций принадлежности и оценки качества переходных процессов.

Литература:

1. Демидова Г. Л., Лукичев Д. В. Регуляторы на основе нечеткой логики в системах управления техническими объектами. СПб.: Университет ИТМО, 2017. 81 с.
2. Zadeh L. A. Fuzzy Sets // Information and Control. 1965. Vol. 8. No. 3. P. 338–353.
3. Mamdani E. H., Assilian S. An experiment in linguistic synthesis with a fuzzy logic controller // International Journal of Man-Machine Studies. 1975. Vol. 7. No. 1. P. 1–13.
4. Техническое описание регулятора уровня парогенератора энергоблока № 5 Нововоронежской АЭС.