基于SIMULINK的核反應堆功率調節系統建模與仿真

張倬　董化平　孫啟航

【摘 要】在建立核反應堆點堆動力學模型基礎上，通過SIMULINK工具搭建反應堆功率調節系統模型，進行反應性擾動試驗，對模型的仿真性能進行驗證。仿真模型實現了期望的反應堆功率自動調節的要求和結果。本文工作為進一步開展反應堆控制系統設計奠定了技術基礎。

【關鍵詞】核反應堆功率調節；SIMULINK；建模和仿真；計算機控制

0 引言

計算機仿真技術應用于核反應堆，最初是從反應堆復雜的科學計算研究開始的。因為計算機具有運算速度快、精度高、存儲容量大等特點以及邏輯運算和判斷的能力，隨著數字化儀控系統的發展，計算機仿真已越來越廣泛地應用于核電廠控制系統研究中。

SIMULINK是MATLAB中用來建模、仿真和分析動態多維系統的交互工具，完全支持圖形用戶界面，用戶只需進行簡單的拖拽操作就可以構造出復雜的仿真模型。因此，利用SIMULINK程序進行核反應堆控制系統仿真研究是十分快捷和高效的手段。

本文在核反應堆點堆動力學模型基礎上，結合計算機控制原理，建立反應堆功率調節系統數學模型。通過MATLAB的SIMULINK工具搭建系統的仿真模型，并進行反應性擾動試驗，以驗證系統的能夠實現反應堆功率自動調節的正確性。本文的研究對反應堆控制系統設計的工程實現具有較強的指導作用。

1 控制系統原理及組成

反應堆功率調節系統計算機控制主要由計算機、被控對象、測量變送和執行機構等組成，其原理框圖如圖1所示。

電位器將采集到的棒位轉化為反應性變化后引入到模擬反應堆的計算機中并引起反應堆功率的變化，反應堆中子通量通過電離室后轉化為電信號，這一信號與定值器比較后將產生的偏差信號轉化為變頻器的頻率值以驅動交流電機，電機通過減速器后控制棒位的升降，棒位的變化被電位器所采集并引入反應堆后又將導致功率的變化，形成閉環。

2 系統建模

2.1 反應堆性能指標

圖中的階躍信號用來輸入擾動，從兩個示波器的波形圖就可以分別看到反應堆內中子通量的變化和控制棒的調節情況。另外，由變頻器控制的交流電機輸出的是速度反饋，而減速器所要采集的卻是位移的變化，所以需要在這兩個環節之間再加上一個積分環節。

3 系統仿真及模型驗證

運行系統仿真模型，觀察波形變化圖檢驗該模型的仿真性能和它的穩定性及合理性等。引入一個-0.1的棒位階躍擾動信號后，得到反應堆內中子通量的變化波形圖（見圖3）和控制棒的棒位變化波形圖（見圖4）。

從圖中可以看出，棒位階躍擾動引起反應堆中子通量迅速增加，由于功率調節系統作用，中子通量變化逐漸收斂穩定?？刂葡到y控制性能滿足反應堆性能指標要求。實驗驗證了系統的能夠實現反應堆功率自動調節的正確性。

4 結語

本文對核電廠反應堆功率調節系統的計算機控制進行建模和仿真實驗。采用定性分析和定量分析相結合的方法，建立了控制系統模型，通過SIMULINK工具建模和仿真，對模型的仿真性能和穩定性及合理性進行驗證。從實驗所采集的數據和實驗現象可以得出：建立的反應堆功率調節系統模型是可用適用的，實現了期望反應堆功率自動調節的要求和結果。本文的研究具有一定技術通用性和工程應用價值，為以后進一步開展反應堆控制系統設計奠定了技術基礎。

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[責任編輯：楊玉潔]