[보고서]원자로 출력 및 증기발생기 급수조절을 위한 통합 제어시스템의 설계

[국가R&D연구보고서] 원자로 출력 및 증기발생기 급수조절을 위한 통합 제어시스템의 설계
Design of Integrated Control System for Reactor Power and Steam Generator Feedwater Control 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	제주대학교 Cheju National University
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2012-03
과제시작연도	2011
주관부처	교육과학기술부 Ministry of Education and Science Technology(MEST)
연구관리전문기관	한국연구재단 National Research Foundation of Korea
등록번호	TRKO201300013558
과제고유번호	1345144090
사업명	원자력연구기반확충
DB 구축일자	2013-08-26
키워드	원자로.증기발생기.출력제어.수위제어.통합제어.nuclear reactor.steam generator.power control.level control.integrated control.
DOI	https://doi.org/10.23000/TRKO201300013558

초록 ▼

III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구는 제어 시스템의 설계에 필요한 원자로 및 증기발생기에 대한 제어모델의 수립, 각 플랜트 모델에 대응하는 후보 제어기들의 설계, 그리고 이들을 이용한 원자로 출력조절 및 증발기 수위조절을 위한 통합 시스템의 개발로 구성된다.
원자로 모델링을 위하여서 중성자의 동특성식, 에너지평형식 등을 사용하였으며 유도된 상태방정식들에 대하여 제한성, 그리고 제어적 특성을 검토하였다. 아울러 설계 코드로부터 얻어진 입출력 관계를 이용한 모델도 함께 도출하였다. 증기발생기의 경우 증기발생기의 열수력학적 현상을 수식화 하였으며 이를 이용하여 얻은 시간영역에서의 입출력 관계를 전달함수로 전환하였다. 또 전체 시스템을 각각 급수 부분과 증발기 부분으로 나누어 모델링을 한 후 이를 종합하였다.
도출된 원자로와 증기발생기 모델을 대상으로 원자로 출력조절 제어기와 증기발생기 급수 및 수위조절 제어기를 설계하였다. 제어기의 설계에는 고전제어이론을 이용한 PID로부터 현대제어 알고리즘을 이용한 최적제어, 강인제어, 모델예측제어 등과 함께 다항식이론을 이용한 계수조절법, 그리고 확장주파수법 등, 거의 모든 설계 알고리즘을 사용하였다.
설계된 제어기들의 제어적 안정성과 성능, 그리고 구현성 등을 검토하여 시스템에 맞는 제어기들을 선택한 후 플랜트의 운전조건에 따라 절환되게끔 하였다. 또 원자로 출력 조절 시스템과 증기발생기 급수 및 수위조절 시스템을 통합하여 출력조절과 수위조절이 동시에 이루어지게 함으로써 실제 발전소의 상황을 구현하였으며 아울러 MMIS 를 통한 운전조작이 가능하도록 하였다.

Abstract ▼

III. Scope and Contents of the Project
The scope of the project comprises of modeling of the nuclear reactor and steam generator, controller designs by various control algorithms and the integration of nuclear power control and steam generator feedwater and level control.
For the reactor model, the nuclear point kinetic equations and energy balance equations are used to describe the reactor and the model is expressed in linear state space equations. To obtain the steam generator model, the thermal hydraulics and boiling mechanism are applied to describe the steam generator behaviour in time domain. Then the relationships between several inputs and outputs are described in transfer functions.
The controllers both for the reactor power control and steam generator level control utilize various control algorithms. They include classical PID, modern controllers of optimal, robust and model predictive, and even the polynomial theory and extended frequency response. All the designed controllers are investigated with respect to performance, stability and real implementation. The controllers which satisfy these criteria are selected as candidate controllers, which will be switched each other with the change of operation condition.
The reactor power control system and steam generator level control system are merged together to an integration system. All the controls are made through the MMIS. The reactor power and steam generator level is controlled together by the same command signal, which reflects the real situation of the plant operation.

목차 Contents

표지 ... 1
제출문 ... 2
보고서 요약서 ... 3
요약문 ... 4
SUMMARY ... 7
CONTENTS ... 10
목차 ... 13
표목차 ... 16
그림목차 ... 17
제 1 장 연구개발 과제의 개요 ... 23
제 1 절 연구배경 ... 23
제 2 절 연구의 목표 및 내용 ... 25
제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 28
제 1 절 국외 ... 28
제 2 절 국내 ... 31
제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 33
제 1 절 제어 프로쎄스 플랜트 모델 ... 33
1. 원자로 모델 ... 33
가. 원자로 동특성 ... 33
나. 원자로 모델링 ... 39
다. 원자로 모델의 제어적 특성 ... 45
라. 시스템 확인법(System Identification)을 이용한 모델링 ... 49
2. 증기발생기 모델 ... 55
가. 열수력학적 모델 ... 55
나. 제어적 모델 ... 59
다. 증기발생기 모델의 특성 ... 66
제 2 절 최적 제어기의 설계 ... 71
1. 원자로 출력조절 시스템 ... 71
가. LQR/LQG 설계-Conventional ... 71
나. 유전자 알고리즘에 의한 LQR/LQG 설계 ... 76
2. 증기발생기 수위조절 시스템 ... 85
가. 급수 및 수위조절 시스템 ... 85
나. 급수 스테이션의 설계 ... 87
다. 궤환루프 제어기의 설계 ... 92
라. 모사 ... 94
제 3 절 강인제어기의 설계 ... 99
1. 원자로 출력조절 시스템 ... 102
가. 원자로 모델의 불확실성 ... 102
나. H∞ 제어기 ... 107
다. 가중함수에 의한 강인제어기 ... 118
라. 계수조절법을 사용한 강인제어기 ... 130
마. 확장주파수반응( Extended Frequency Response)을 사용한 강인제어기 ... 142
2. 증기발생기 수위조절 시스템 ... 150
가. 급수 스테이션의 설계 ... 150
1) H-∞ 제어기 ... 150
2) 가중함수에 의한 강인제어기 ... 156
3) μ Synthesis 에 의한 강인제어기 ... 163
나. 궤환루프 제어기의 설계 ... 173
다. 모사 ... 178
제 4 절 모델예측제어기의 설계 ... 183
1. 모델예측제어(M PC) Control Law ... 186
가. 기본적 알고리즘 ... 186
나. 외란과 잡음 ... 189
다. 상태함수의 추정 ... 190
라. 최적화 알고리즘 ... 196
2. 원자로 출력조절 시스템 ... 198
3. 증기발생기 수위조절 시스템 ... 205
가. 급수 스테이션의 설계 ... 205
나. 궤환루프 제어기의 설계 ... 209
제 5 절 통합시스템의 설계 ... 216
1. 제어엔진 ... 216
2. 통합제어시스템의 설계 ... 223
가. 원자로 시스템 ... 223
나. 증기발생기 시스템 ... 229
다. 통합 시스템 ... 234
제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도와 개발결과의 활용계획 ... 240
1. 목표달성도 ... 240
2. 관련분야에의 기여도 ... 241
3. 연구개발의 활용계획 ... 242
제 5 장 참고문헌 ... 243

표/그림 (125)

표 Fig. 3.1.1.1 Time Responses of Six and One Delayed Neutron Group Models
표 Fig. 3.1.1.2 Reactor Feedback Model
표 Fig. 3.1.1.3 Power Responses to Unit Step Change of Reactivity for Various Values of Fuel Gap Heat Transfer Coefficient
표 Fig. 3.1.1.4 Bode Diagram of Reactor with Feedbacks
표 Fig. 3.1.1.5 Root Locus of Reactor Model - 100% Power
표 Fig. 3.1.1.6 Eigenvalues of Reactor Plant by Initial Powers
표 Fig. 3.1.1.7 Root Locus of Feedback Model - Zero Power
표 Fig. 3.1.1.8 Procedure for the Development of Reactor Model
표 Fig. 3.1.1.9 Variation of Coefficient n1 of Eq. (3.1.1.42)
표 Fig. 3.1.1.10 Dependency of Transfer Function Coefficient on Power and Rod Position - n1 of Eq. (3.1.1.42)
표 Fig. 3.1.2.1 Thermal Hydraulic Model of Steam Generator
표 Fig. 3.1.2.2 Modeling of Steam Generator
표 Fig. 3.1.2.3 Input and Output of Steam Generator
표 Fig. 3.1.2.4 Level Variations by Unit Step Change of Feedwater Flow Rate
표 Fig. 3.1.2.5 Level Variations by Unit Step Change of Steam Flow Rate
표 Fig. 3.1.2.7 Real Values of Zeros of Feedwater-% Power Transfer Function by Initial Powers
표 Fig. 3.1.2.6 Real Values of Zeros of Feedwater-Level Transfer Function by Initial Powers
표 Fig. 3.2.1.1 Reactor Regulating System with LQR/LQG Regulation
표 Fig. 3.2.1.2 Order Increased Regulating System for Power Tracking
표 Fig. 3.2.1.3 Effects of Feedback Weighting of Augmented Variable(K1=1)
표 Fig. 3.2.1.4 Responses of OIRS for Various Feedforward Gains
표 Fig. 3.2.1.5 Linear Inter/Extrapolation Scheme used in Modified Crossover
표 Fig. 3.2.1.6 Reactor Power Output and Rod Speed by MGA-SA and by Conventional Methods
표 Fig. 3.2.2.1 Steam Generator Level Control System
표 Fig. 3.2.2.2 Block Diagram of the Overall Level Control System
표 Fig. 3.2.2.3 Block Diagram of the Feedwater Control System
표 Fig. 3.2.2.4 Loop Transfer Recovery
표 Fig. 3.2.2.5 Configuration of the Controller
표 Fig. 3.2.2.6 Calculational Procedure of the S/G Level Control System
표 Fig. 3.2.2.7 Input Conditions for Simulation
표 Fig. 3.2.2.8 System Responses for Power Increase from 5% to 10%
표 Fig. 3.3.0.1 Outline of Robust Control Design
표 Fig. 3.3.1.1 Margins by Delay Time
표 Fig. 3.3.1.2 MSM and ASM of Perturbed System
표 Fig. 3.3.1.3 Reactor Power Control System with Uncertainties
표 Fig. 3.3.1.4 Reactor Power Control System in Two Port Model
표 Fig. 3.3.1.5 Block Diagram of H∞ Controller
표 Fig. 3.3.1.6 Bode Diagram of the Designed System
표 Fig. 3.3.1.7 Reactor Power Output and Rod Speed with the designed H∞ Controller
표 Fig. 3.3.1.8 Unity Feedback System with Perturbations
표 Fig. 3.3.1.9 Weighting Functions for Loop Shaping
표 Fig. 3.3.1.10 Weighting Augmented System
표 Fig. 3.3.1.11 Two port model with Augmented Plant
표 Fig. 3.3.1.12 Design Procedure of H∞ by MWS
표 Fig. 3.3.1.13 Reactor Power Output, Rod Speed and Rod Acceleration with MWS Controller
표 Fig. 3.3.1.14 Design Procedure for Determination of MWS by GA
표 Fig. 3.3.1.15 Reactor Power Output, Rod Speed and Rod Acceleration with GA-determined MWS Controller
표 Fig. 3.3.1.15 Reactor Power Output, Rod Speed and Rod Acceleration with GA-determined MWS Controller
표 Fig. 3.3.1.16 Variation of Denominator Coefficients of Plant
표 Fig. 3.3.1.17 Nyquist Diagram of the Perturbed Plant
표 Fig. 3.3.1.18 Bode Diagram of the Perturbed Plant
표 Fig. 3.3.1.19 Nyquist Diagram of G(s,p) and G(s,p)C(s)
표 Fig. 3.3.1.20 Reactor Power Output and Rod Speed Transients for Power Increase from 90 to 100%
표 Fig. 3.3.1.21 Reactor Power Output and Rod Speed Transients for Power Increase from 5 to 15%
표 Fig. 3.3.1.22 System Responses for Various Values of m
표 Fig. 3.3.1.23 Proportional and Integral Gains for Various Values of m and Frequency
표 Fig. 3.3.1.24 System Responses with EFR PI Controller
표 Fig. 3.3.1.25 System Responses with EFR PID Controller
표 Fig. 3.3.1.26 System Robustness for Perturbed Plants
표 Fig. 3.3.2.2 Configuration of Feedwater Station
표 Fig. 3.3.2.1 Steam Generator Level Control System including S/G Plant
표 Fig. 3.3.2.4 Block Diagram of Feedwater Two-Port Model
표 Fig. 3.3.2.3 Feedwater Station in Two Port Model
표 Fig. 3.3.2.5 Output of Designed Two-Port Model
표 Fig. 3.3.2.6 Comparison of Output Responses - H∞ Controllers With Disturbance on x 1?, x 2? and LTR Controller
표 Fig. 3.3.2.7 Determination of Weighting Functions
표 Fig. 3.3.2.9 Calculation Results in 5th Function for GUI Data
표 Fig. 3.3.2.8 GUI Data for Determination of Weighting Functions
표 Fig. 3.3.2.10 System Output Responses - H∞ and MWS Controllers
표 Fig. 3.3.2.11 Singular Values of the Closed Loop System γ1=0.1, γ2=0.2, γ3=5
표 Fig. 3.3.2.12 Loop Shapes with Weighting Functions γ1=0.1, γ2=0.2, γ3=5
표 Fig. 3.3.2.13 System Output Responses - H∞ and MWS Controllers γ1=0.1, γ2=0.2, γ3=5
표 Fig. 3.3.2.14 Performance Model for Robust Synthesis
표 Fig. 3.3.2.15 Diagonal Scaling Augmentation
표 Fig. 3.3.2.16 △-P-F System
표 Fig. 3.3.2.17 Calculational Procedure of μ Iteration
표 Fig. 3.3.2.17 Calculational Procedure of μ Iteration
표 Fig. 3.3.2.18 Classification of μ Iteration Calculation
표 Fig. 3.3.2.19 Comparison of System Outputs and Control Efforts - First μ Iteration with Constant Matrix
표 Fig. 3.3.2.20 Comparison of System Outputs and Control Efforts - First μ Iteration with 1st Order Matrix
표 Fig. 3.3.2.21 Overall Level Control System with Feedback Loop Controller
표 Fig. 3.3.2.22 Two Port Model of the Overall System
표 Fig. 3.3.2.24 Step Response of Level Control System with H∞ Controller on Feedforward Loop
표 Fig. 3.3.2.23 Configuration of the Level Control System with the Controller on Feedforward Loop
표 Fig. 3.3.2.25 Step Response for Initial Power of 30 % with 5 % H∞ Controller
표 Fig. 3.3.2.26 Responses of the System - Power Increase from 5 % to 10 %
표 Fig. 3.3.2.27 Responses of the System - Power Decrease from 10 % to 5 %
표 Fig. 3.4.0.1 Concept of Model Predictive Control Law
표 Fig. 3.4.0.2 Structure of Model Predictive Control
표 Fig. 3.4.1.1 Schematic of MPC Control Law
표 Fig. 3.4.1.2 Plant Model with Disturbance and Noise
표 Fig. 3.4.1.3 Block Diagram of Plant Model in State Variables
표 Fig. 3.4.1.4 State Estimation Model
표 Fig. 3.4.2.1 MPC Control Configuration for Reactor Power Control
표 Fig. 3.4.2.2 System Responses for Wu=2, W△u=1, Wy=1
표 Fig. 3.4.2.3 System Responses for Wu=1, W△u=1, Wy=1
표 Fig. 3.4.2.4 System Responses for Wu=0, W△u=1, Wy=1
표 Fig. 3.4.2.5 Dynamic Calculation of Reactor MPC
표 Fig. 3.4.2.6 Comparison of System Responses between Dynamic and Static Calculations
표 Fig. 3.4.2.7 Reactor Power Control Configuration using Two MPC Controllers
표 Fig. 3.4.3.1 Feedwater Station with MPC Controller
표 Fig. 3.4.3.2 Comparison of MPC with MWS and LTR
표 Fig. 3.4.3.3 Feedwater Control by MPC for Different Weights
표 Fig. 3.4.3.4 MPC Level Controller
표 Fig. 3.4.3.5 Design Procedure of MPC Controller
표 Fig. 3.4.3.6 Level and Feedwater Flow Rate for Power Increase from 5% to 10%
표 Fig. 3.4.3.7 Dynamic Calculation of State Variable of Steam Generator
표 Fig. 3.4.3.8 Level and Power Variations for Power Increase from 5 % to 10 % - Dynamic and Static Calculation
표 Fig. 3.5.1.1 Discontinuities of System Responses by Controller Switching
표 Fig. 3.5.2.1 Command Signal Flows
표 Fig. 3.5.2.2 Front Pannel for Reactor Power Control
표 Fig. 3.5.2.3 Block Diagram of the Front Pannel for Reactor Power Control
표 Fig. 3.5.2.4 Reactor Model written in Matlab - MWS Model
표 Fig. 3.5.2.5 Reactor Model written in Matlab - MPC Model
표 Fig. 3.5.2.6 Example of Reactor Power Control
표 Fig. 3.5.2.7 Front Pannel for SG Level and Feedwater Control
표 Fig. 3.5.2.8 Block Diagram of the Front Pannel for SG System
표 Fig. 3.5.2.9 Steam Generator Model written in Matlab - MPC Model
표 Fig. 3.5.2.10 Example of Reactor Power Control
표 Fig. 3.5.2.10 Example of Reactor Power Control
표 Fig. 3.5.2.11 Conversion of Demanded Power Signal to Steam Flow Rate
표 Fig. 3.5.2.12 Part of the Block Diagram of the Integrated System
표 Fig. 3.5.2.13 Front Pannel of the Integrated System
표 Fig. 3.5.2.14 Performance of the Integrated System
표 Fig. 3.5.2.14 Performance of the Integrated System

과제명(ProjectTitle) :	-
연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
키워드(keyword) :	-
과제수행기간(LeadAgency) :	-
연구목표(Goal) :	-
연구내용(Abstract) :	-
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