基于SIMULINK的核反应堆功率调节系统建模与仿真

张倬　董化平　孙启航

【摘 要】在建立核反应堆点堆动力学模型基础上，通过SIMULINK工具搭建反应堆功率调节系统模型，进行反应性扰动试验，对模型的仿真性能进行验证。仿真模型实现了期望的反应堆功率自动调节的要求和结果。本文工作为进一步开展反应堆控制系统设计奠定了技术基础。

【关键词】核反应堆功率调节；SIMULINK；建模和仿真；计算机控制

0 引言

计算机仿真技术应用于核反应堆，最初是从反应堆复杂的科学计算研究开始的。因为计算机具有运算速度快、精度高、存储容量大等特点以及逻辑运算和判断的能力，随着数字化仪控系统的发展，计算机仿真已越来越广泛地应用于核电厂控制系统研究中。

SIMULINK是MATLAB中用来建模、仿真和分析动态多维系统的交互工具，完全支持图形用户界面，用户只需进行简单的拖拽操作就可以构造出复杂的仿真模型。因此，利用SIMULINK程序进行核反应堆控制系统仿真研究是十分快捷和高效的手段。

本文在核反应堆点堆动力学模型基础上，结合计算机控制原理，建立反应堆功率调节系统数学模型。通过MATLAB的SIMULINK工具搭建系统的仿真模型，并进行反应性扰动试验，以验证系统的能够实现反应堆功率自动调节的正确性。本文的研究对反应堆控制系统设计的工程实现具有较强的指导作用。

1 控制系统原理及组成

反应堆功率调节系统计算机控制主要由计算机、被控对象、测量变送和执行机构等组成，其原理框图如图1所示。

电位器将采集到的棒位转化为反应性变化后引入到模拟反应堆的计算机中并引起反应堆功率的变化，反应堆中子通量通过电离室后转化为电信号，这一信号与定值器比较后将产生的偏差信号转化为变频器的频率值以驱动交流电机，电机通过减速器后控制棒位的升降，棒位的变化被电位器所采集并引入反应堆后又将导致功率的变化，形成闭环。

2 系统建模

2.1 反应堆性能指标

图中的阶跃信号用来输入扰动，从两个示波器的波形图就可以分别看到反应堆内中子通量的变化和控制棒的调节情况。另外，由变频器控制的交流电机输出的是速度反馈，而减速器所要采集的却是位移的变化，所以需要在这两个环节之间再加上一个积分环节。

3 系统仿真及模型验证

运行系统仿真模型，观察波形变化图检验该模型的仿真性能和它的稳定性及合理性等。引入一个-0.1的棒位阶跃扰动信号后，得到反应堆内中子通量的变化波形图（见图3）和控制棒的棒位变化波形图（见图4）。

从图中可以看出，棒位阶跃扰动引起反应堆中子通量迅速增加，由于功率调节系统作用，中子通量变化逐渐收敛稳定。控制系统控制性能满足反应堆性能指标要求。实验验证了系统的能够实现反应堆功率自动调节的正确性。

4 结语

本文对核电厂反应堆功率调节系统的计算机控制进行建模和仿真实验。采用定性分析和定量分析相结合的方法，建立了控制系统模型，通过SIMULINK工具建模和仿真，对模型的仿真性能和稳定性及合理性进行验证。从实验所采集的数据和实验现象可以得出：建立的反应堆功率调节系统模型是可用适用的，实现了期望反应堆功率自动调节的要求和结果。本文的研究具有一定技术通用性和工程应用价值，为以后进一步开展反应堆控制系统设计奠定了技术基础。

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[责任编辑：杨玉洁]