李肖宇，廖彬榮，耿鵬程，孔祥松，，*，史長青

（1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，廈門 361024；2.核電安全技術(shù)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(wěn)定性是核能開發(fā)與利用的核心問題，SG 液位控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到核電站能否安全運(yùn)行［1，2］。蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)是核電廠中至關(guān)重要的一個控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行時需要控制給水量與蒸發(fā)量達(dá)到動態(tài)平衡，使得在正常運(yùn)行工況下蒸汽發(fā)生器的水位保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。據(jù)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(guān)的［3，4］。目前蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)參數(shù)整定過程嚴(yán)重依賴工程師經(jīng)驗，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷革新，其強(qiáng)大的計算能力被廣泛地應(yīng)用于核電工業(yè)及其他工業(yè)生產(chǎn)中［5-8］，這一趨勢引起了各行業(yè)的高度重視。因此，使用一個高效的模擬與優(yōu)化平臺是十分必要的。

為解決上述問題，本文融合數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化方法特征和核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制過程特性，建立了一套集成化、多功能、系統(tǒng)性的模擬與優(yōu)化驗證實施平臺。

1 平臺設(shè)計分析

1.1 應(yīng)用對象

該平臺為一款工業(yè)生產(chǎn)實踐的模擬與優(yōu)化驗證實施平臺，主要應(yīng)用于核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域主要為核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制領(lǐng)域，但同樣適用于其他參數(shù)整定領(lǐng)域。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性和穩(wěn)定性的液位控制，并且具備很高的開放性和擴(kuò)展性，能夠廣泛地應(yīng)用在各種參數(shù)整定領(lǐng)域。

1.2 需求分析

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

通過對核電調(diào)試運(yùn)維工程師的需求分析及核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制優(yōu)化工作的特征分析，該平臺實現(xiàn)的具體功能主要如下：

（1）顯示初始SG 模型液位曲線，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時繪制。

（2）通過蒸汽發(fā)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(tǒng)性能進(jìn)行量化分析，確保能及時發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的性能問題。

（4）性能優(yōu)化可結(jié)合歷史迭代數(shù)據(jù)分析，生成優(yōu)化后的液位曲線。

（5）參數(shù)設(shè)置。對初始參數(shù)進(jìn)行預(yù)設(shè)置，實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)。

（6）實驗測試?？蛇M(jìn)行初始點的單一或批量迭代優(yōu)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(shè)計工具中實現(xiàn)，3D 建模部分在3Ds Max 中實現(xiàn)，數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用在MySQL Workbench 8.0 CE 中實現(xiàn)。

2 蒸汽發(fā)生器性能優(yōu)化平臺總體設(shè)計方案

為實現(xiàn)上述六項功能，本文通過核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)Simulink 模型、性能優(yōu)化分析系統(tǒng)、3Ds Max 虛擬仿真模型、人機(jī)交互系統(tǒng)、MySQL 數(shù)據(jù)庫五個子系統(tǒng)實現(xiàn)了蒸汽發(fā)生器性能優(yōu)化平臺的設(shè)計，如圖1 所示。工程師通過人機(jī)交互界面調(diào)用蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)，并將優(yōu)化過程通過平臺進(jìn)行展示，從而實現(xiàn)液位監(jiān)控、性能優(yōu)化、控制性能評價等功能。

圖1 性能優(yōu)化平臺系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the performance optimization platform system

2.1 核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)Simulink模型子系統(tǒng)

本文主要對核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制三沖量系統(tǒng)進(jìn)行研究，控制過程主要是通過改變供給水的流量，即調(diào)節(jié)水閥的開關(guān)角度來實現(xiàn)SG 液位滿足設(shè)定值的要求，SG 液位控制性能主要由控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的控制參數(shù)共同決定［9］?？刂葡到y(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)的控制參數(shù)主要由主控制器（主給水控制器）的三個PID 參數(shù)和副控制器（旁路給水控制器）的三個PID 參數(shù)構(gòu)成。

圖2 SG 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 SG control system schematic

圖3 SG 控制系統(tǒng)雙閉環(huán)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(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化，實質(zhì)上是對各個相關(guān)控制器參數(shù)進(jìn)行參數(shù)整定。在Simulink 模型中，將對主控制器和副控制器的PID 參數(shù)進(jìn)行整定，當(dāng)輸入控制器PID 參數(shù)時輸出液位響應(yīng)，并與其他子系統(tǒng)進(jìn)行配合，完成核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)模擬與優(yōu)化控制的平臺設(shè)計。

2.2 性能優(yōu)化分析子系統(tǒng)

性能優(yōu)化過程設(shè)計框架如圖4 所示。

圖4 性能優(yōu)化設(shè)計框架Fig.4 Performance optimization design framework

在性能優(yōu)化框架設(shè)計中，本文采用了歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)驅(qū)動知識指引優(yōu)化算法所形成的數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化方法，該優(yōu)化方法通過充分挖掘歷史數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的最大化利用。

對優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真實驗，得到控制系統(tǒng)性能與歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行評價系統(tǒng)將對歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若不滿足性能評價標(biāo)準(zhǔn)將對控制系統(tǒng)進(jìn)行迭代優(yōu)化，直到控制參數(shù)滿足運(yùn)行評價系統(tǒng)后停止優(yōu)化，最終實現(xiàn)控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化。

基于性能指標(biāo)的特點，將性能指標(biāo)運(yùn)用于控制過程，通過選取不同的性能指標(biāo)以形成對性能評價方法的研究。由于單一性能指標(biāo)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(biāo)和階躍性能指標(biāo)的復(fù)合指標(biāo)來進(jìn)行性能評價方法的研究。其中，通過性能指標(biāo)實現(xiàn)性能評價的流程如圖5 所示。

圖5 性能評價指標(biāo)設(shè)計框架Fig.5 Performance evaluation index design framework

對控制過程得到的液位響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能評價方法的研究，包括數(shù)據(jù)處理、選取性能指標(biāo)，并進(jìn)行性能指標(biāo)計算，最后根據(jù)性能評價方法的研究，對控制性能進(jìn)行量化分析。同時引入優(yōu)化終止條件，若滿足優(yōu)化終止條件，則結(jié)束優(yōu)化進(jìn)程，并對優(yōu)化結(jié)果及優(yōu)化過程進(jìn)行性能評價分析［9］。

2.3 3Ds MAX 虛擬仿真子系統(tǒng)

在3Ds Max 中需分別搭建蒸汽發(fā)生器外殼、頂部、底座與內(nèi)部結(jié)構(gòu)四個部分，并將四個部分組合成蒸汽發(fā)生器模型如圖6 所示。

圖6 3Ds Max 中搭建的蒸汽發(fā)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(jìn)行3D動態(tài)顯示，本文選用定時器對采集到的液位高度數(shù)據(jù)進(jìn)行依次有序的讀取，并通過實時讀取的液位數(shù)據(jù)構(gòu)建動態(tài)水柱模型。

2.4 人機(jī)交互子系統(tǒng)

人機(jī)交互界面整體設(shè)計框架如圖7 所示，分為登錄界面設(shè)計、初始液面設(shè)計、初始參數(shù)設(shè)計頁面、性能優(yōu)化進(jìn)程控制主界面、性能評價分析界面。

圖7 人機(jī)交互界面整體設(shè)計框架Fig.7 Overall design framework of human-computer interaction interface

（1）登錄界面

系統(tǒng)用戶登錄界面如圖8 所示。運(yùn)行軟件后，用戶進(jìn)入核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制性能優(yōu)化平臺。

圖8 系統(tǒng)用戶登錄界面Fig.8 System user login screen

用戶進(jìn)入系統(tǒng)后可以對液位進(jìn)行實時監(jiān)控，并且能夠利用性能分析功能對液位進(jìn)行量化分析。

（2）初始液面

初始液面設(shè)計如圖9 所示。

圖9 初始液面Fig.9 Initial liquid level

將原有二維數(shù)據(jù)曲線變?yōu)閷崟r顯示的水柱模型，使工程師更加了解蒸汽發(fā)生器內(nèi)液位變化過程，提高數(shù)據(jù)的可視化程度。

（3）初始參數(shù)設(shè)計

初始參數(shù)設(shè)置頁面如圖10 所示。

圖10 初始參數(shù)設(shè)置Fig.10 Initial parameter setting

在核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)的模擬與優(yōu)化控制平臺中，提升對初始參數(shù)與優(yōu)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(yōu)化系統(tǒng)的熟悉難度。

（4）性能優(yōu)化進(jìn)程

性能優(yōu)化進(jìn)程如圖11 所示。

圖11 性能優(yōu)化進(jìn)程Fig.11 Performance optimization process

優(yōu)化方法包括基于與歷史梯度近似的改進(jìn)型并行的攝動隨機(jī)逼近優(yōu)化算法即GK-SPSA優(yōu)化方法［10］，與攝動隨機(jī)逼近優(yōu)化算法即SPSA優(yōu)化方法［11-14］實時繪制迭代優(yōu)化曲線，并且能夠?qū)ID 前后數(shù)值進(jìn)行展示，提高工程師對液位控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)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(biāo)與優(yōu)化曲線，工程師能得到直觀的數(shù)據(jù)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(yùn)行過程進(jìn)行分析的需求。

2.5 MySQL 數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)

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(jìn)行采集，使用MySQL 數(shù)據(jù)庫與MATLAB 進(jìn)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(yōu)化算法的可行性，該平臺設(shè)計了單次實驗窗口，方便工程師調(diào)整優(yōu)化算法參數(shù)。性能優(yōu)化開始時如圖13 所示，初始參數(shù)根據(jù)預(yù)設(shè)的優(yōu)化方法進(jìn)行迭代優(yōu)化，并繪制迭代過程的液位曲線，如圖14 所示。

圖13 初始參數(shù)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(dāng)性能評價指標(biāo)滿足迭代終止條件時停止優(yōu)化。

圖15 迭代終止Fig.15 Iteration termination

3.2 批量實驗

為驗證優(yōu)化方法的穩(wěn)定性，該平臺設(shè)計了批量實驗窗口，方便工程師對優(yōu)化算法進(jìn)行大批量的實驗，批量實驗界面如圖16 所示，根據(jù)實驗需求設(shè)置運(yùn)行次數(shù)，進(jìn)行批量實驗。

在批量實驗中采用相同初始參數(shù)與不同初始參數(shù)兩種實驗方案，在不同參數(shù)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(guān)鍵在于能夠?qū)⑤斎敫怕蔬M(jìn)行分層，分布在（0，1）區(qū)間上，并在每層中進(jìn)行隨機(jī)抽樣。通過上述抽樣方法，能夠以較小的采樣規(guī)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(shè)計中，將總區(qū)間分為Rn 層，并在每層中抽取n 個初始點作為采樣數(shù)據(jù)。

在批量實驗初始參數(shù)設(shè)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(yùn)行的次數(shù)。兩種初始參數(shù)設(shè)計界面如圖17 與圖18 所示。

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

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

優(yōu)化進(jìn)程結(jié)束后，得到Rn×n 組迭代點數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)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(jié)論

本文基于MATLAB App Designer 與3DsMax組合的數(shù)字仿真設(shè)計了一套核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)模擬與優(yōu)化控制平臺，為解決優(yōu)化方法與控制平臺融合的問題提出了實現(xiàn)機(jī)制與解決方案。同時給工程師在研究平臺進(jìn)行新型控制策略測試與優(yōu)化算法開發(fā)中產(chǎn)生的問題提出了解決方案。為先進(jìn)的核電廠控制方法及系統(tǒng)的設(shè)計、實施提供了基礎(chǔ)。利用該系統(tǒng)可以支撐核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)性能優(yōu)化研究并提高數(shù)據(jù)的可視化程度，從而為核電廠蒸汽發(fā)生器液位控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化相關(guān)科研工作提供有效的支撐。