Методи, моделі та інформаційна технологія оптимізації управління складними динамічними системами (на прикладі енергоблоку АЕС)

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – інформаційні технології (12 – Інформаційні технології). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2019 р. Об’єкт дослідження – процеси управління складними динамічними системами. Предмет дослідження – методи, моделі та інформаційна технологія оптимізації управління складними динамічними системами. Докторська дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, що містить розв’язання важливої науково-прикладної проблеми розробки методів, моделей та інформаційної технології оптимізації управління складними динамічними системами, які характеризуються високим порядком моделей і великою кількістю параметрів та нелінійностей, на основі об’єднання програмних блоків моделей систем і методів оптимізації, критеріїв систем, подання інформації про динамічні процеси і процеси оптимізації, модулів методів інтегрування та структур даних на прикладі оптимізації систем управління енергоблоку АЕС з реактором ВВЕР-1000. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, особистий внесок здобувача в розробку теми дисертаційної роботи. Наведено дані щодо впровадження результатів дисертаційних досліджень, їх апробацію та публікації. Перший розділ містить аналіз проблем інформаційних технологій управління складними динамічними системами, обґрунтування напрямку досліджень. Проведено аналіз сучасних інформаційних технологій управління та оптимізації з метою їх використання для оптимізації процесів управління складними динамічними системами. Як приклад складної динамічної системи розглянуто енергоблок АЕС з ядерним реактором ВВЕР-1000. Проаналізовані методи моделювання процесів в складних динамічних системах та аналізу інформаційних управляючих систем, показники якості інформаційно-управляючих систем і можливості їх застосування до процесів управління складними динамічними системами, існуючі підходи та методи синтезу інформаційно-управляючих систем, розглянуті обчислювальні методи оптимізації та можливості їх використання для оптимізації показників якості інформаційно-управляючих систем. Другий розділ присвячений розробці елементів інформаційної технології оптимізації управління складними динамічними системами. Розроблено наукові та методологічні основи створення та застосування інформаційної технології для управління складними динамічними системами, яка включає шість основних функціональних елементів – блок моделей систем, модуль методів інтегрування, блок обчислення критеріїв якості систем, блок методів оптимізації, блок представлення інформації та модуль структур даних з формуванням структур даних задач та процесів оптимізації та функціональну модель процесу оптимізації управління складними динамічними системами, що дозволяє записувати структури даних в файл з можливістю продовження процесу оптимізації складної динамічної системи та представлення його результатів в текстовій та графічній формах. У третьому розділі узагальнено принципи моделювання динамічних систем та розроблені конкретні моделі динамічних систем для інформаційної технології оптимізації управління на прикладі енергоблоку АЕС з реактором ВВЕР-1000 серії В-320. Запропоновані загальні моделі динамічних систем з відносними змінними стану, на основі яких побудовані нелінійні математичні моделі для об’єктів управління енергоблоку АЕС як складних динамічних систем. На підставі нейтронної кінетики реактора, поступового тепловиділення, теплових процесів в паливі, оболонках і теплоносії, зміні концентрацій ксенону і бору розроблені зосереджена та вертикально розподілена моделі ядерного реактора ВВЕР-1000 серії В-320. За рівняннями теплопередачі, матеріального і теплового балансу пароутворення, циркуляції, головного парового колектору, приводу клапана парової турбіни і виконавчого механізму регулюючого живильного клапана побудована модель парогенератора ПГВ-1000. За рівняннями тиску в постійних об’ємах парової турбіни, які включають витрату пари, рівняння частоти обертання ротора з використанням змінної потужності турбіни побудована модель парової турбіни К-1000-60/1500-2. Четвертий розділ присвячений узагальненню методів аналізу складних динамічних систем та аналізу процесів в реакторі ВВЕР-1000 серії В-320, парогенераторі ПГВ-1000, паровій турбіні К-1000-60/1500-2 на основі нелінійних математичних моделей цих об’єктів управління. Удосконалено методи аналізу математичних моделей динамічних систем з використанням матричних методів інтегрування систем диференціальних рівнянь – методу матричної експоненти та її інтегралу для інтегрування лінійних систем, системні методи першого, другого і третього ступенів для інтегрування нелінійних систем, що забезпечує підвищення точності та надійності побудови перехідних процесів в порівнянні з іншими методами. Виконано аналіз перехідних процесів в нелінійних зосередженої та вертикально розподіленої моделях реактора ВВЕР-1000 серії В-320, моделі парогенератора ПГВ-1000 та парової турбіни К-1000-60/1500-2. Для вертикально розподіленої моделі реактора обчислено аксіальний офсет. У п’ятому розділі розроблено моделі інформаційних управляючих систем для складних динамічних об’єктів на прикладі інформаційних управляючих систем енергоблоку з реактором ВВЕР-1000. Узагальнені моделі інформаційно-управляючих систем для ідентифікації параметрів інформаційних управляючих систем, а також для оптимізації параметрів регуляторів. Побудовані моделі інформаційних управляючих систем енергоблоку АЕС – нейтронної потужності ядерного реактора, рівня води в парогенераторі, частоти обертання ротора парової турбіни, усього енергоблоку для підтримки нейронної потужності реактора та підтримки тиску в головному паровому колекторі у вигляді систем диференціальних рівнянь, що включають вектори змінних стану, змінних та постійних параметрів, зовнішніх дій, що включені до блоку моделей систем інформаційної технології. Шостий розділ присвячений узагальненню моделей інформаційно-управляючих систем для ідентифікації її параметрів та використанню інформаційної технології для ідентифікації параметрів динамічних систем на прикладі інформаційно-управляючої системи парогенератора ПГВ-1000 та інформаційно-управляючих систем інших елементів другого контуру енергоблоку АЕС. Розроблені критерії та методи ідентифікації динамічних систем, сформована векторна цільова функція ідентифікації, розроблений метод її обчислення та для її оптимізації реалізовані методи безумовної оптимізації скалярних функцій з перезавантаженням операції порівняння. Побудовані загальні математичні моделі систем управління з ПІ регуляторами для ідентифікації параметрів об’єктів управління. Розв’язана задача ідентифікації параметрів моделі системи управління рівнем води в парогенераторі ПГВ-1000 за експериментальними даними. За результатами налагоджувальних випробувань систем управління дру- гого контуру енергоблоків АЕС з реакторами ВВЕР-1000 проведена ідентифікація параметрів для деаераторів, конденсаторів, головних парових колекторів, колекторів власних потреб, турбоживильних насосів, сепараторів пароперегрівачів, підігрівачів низького і високого тиску. Аналіз ступеня стійкості та меж області стійкості для цих систем управління обґрунтовує їх стійкість. Сьомий розділ присвячений узагальненню обчислення критеріїв якості інформаційно-управляючих систем – прямих показників якості і покращених інтегральних оцінок, формуванні на їх основі векторних цільових функцій та методів їх оптимізації, а також прикладам використання інформаційної технології оптимізації управління складними динамічними системами. Розроблені методи обчислення прямих показників якості динамічних систем та покращених інтегральних квадратичних оцінок, задачі оптимізації параметрів динамічних систем зведені до оптимізації векторних цільових функцій,що враховують вимоги реалізації системи, її стійкості, покращення показників якості. Для оптимізації векторних цільових функцій наведені методи оптимізації з одновимірним пошуком. З використанням інформаційної технології оптимізації управління складними динамічними системами на основі моделей інформаційних управляючих систем ядерного реактора ВВЕР-1000 серії В-320, парогенератора ПГВ-1000, парової турбіни К-1000-60/1500-2, систем другого контуру енергоблоку, всього енергоблоку АЕС з реактором ВВЕР-1000 в нормальних умовах експлуатації з частковим зниженням навантаження виконана оптимізація параметрів регуляторів за прямими показниками якості. Наведене техніко-економічне обґрунтування отриманих результатів використання інформаційної технології оптимізації управління складними динамічними системами підтверджує, що вона має суттєві технічні переваги, а її використання дозволяє зменшити витрати часових, апаратних, програмних та людських ресурсів при розробці та вдосконаленні складних динамічних систем за рахунок підвищення рівня автоматизації цих процесів.Thesis for scientific degree of Doctor of Technical Sciences in specialty 05.13.06 “Information Technologies” (12 – Information Technologies). – National Technical University “Kharkіv Polytechnic Institute”, Ministry of education and science of Ukraine, Kharkіv, 2019. The object of research is the processes of control of complex dynamic systems. The subject of research is the methods, models and information technology of optimization of control of complex dynamic systems. The doctoral dissertation is a completed research work which contains the solution of an important scientific and applied problem of development of methods, models and information technology of optimization of control of complex dynamic systems characterized by high order of models and a large number of parameters and nonlinearities on the basis of combining program blocks of systems models and optimization methods, system criteria, information on dynamic and optimization processes, modules of integration methods and data structures as an example of optimizing the control of NPPs with WWER-1000. The introduction validates the relevance of the subject of the dissertation, formulates the purpose and objectives of the research, outlines the scientific novelty and practical value of the results obtained, the personal contribution of the applicant to the development of the subject of the dissertation. The data of the implementation of the results of the dissertation research, their validation and publications are provided. The first section contains the analysis of the problems of information technology control of complex dynamic systems, substantiation of the direction of research. The research analyzes modern information technologies of control and optimization with the purpose of their use for optimization of processes of complex dynamic systems control. As an example of a complex dynamic system the NPP unit with the WWER-1000 nuclear reactor is considered. The thesis analyzes methods of process modeling in complex dynamic systems and information control systems, quality indicators of information and control systems and possibilities of their application to the processes of control of complex dynamic systems, existing approaches and methods of synthesis of information control systems, computational optimization methods and possibilities of their use for optimization of quality indicators of information and control systems. The second section is devoted to the development of information technology elements of optimization of control of complex dynamic systems. The scientific and methodological foundations of creation and application of information technology for control of complex dynamic systems are developed which includes six basic functional elements, namely a block of systems models, a module of methods of integration, a block of calculation of criteria of quality of systems, a block of methods of optimization, a block of presentation of information and a module of data structures with the formation of data structures of tasks and processes of optimization and a functional model of process of optimization of control of complex dynamic systems that allows filing data structures with the ability to continue the process of optimizing the complex dynamic system and presenting the results in text and graphical forms. The third section summarizes the principles of dynamic systems modeling and develops specific models of dynamic systems for information technology control optimization, using the example of a B-320 series WWER-1000 reactor. General models of dynamic systems with relative state changes are proposed, on the basis of which nonlinear mathematical models for the control units of NPP units as complex dynamic systems are constructed. Based on the neutron kinetics of the reactor, gradual heat dissipation, thermal processes in the fuel, shells and coolant, changes in xenon and boron concentrations, concentrated and vertically distributed models of the WWER-1000 nuclear reactor of the B-320 series have been developed. According to the equations of heat transfer, material and thermal balance of steam generation, circulation, the main steam collector, the drive of steam turbine valve and the actuator of regulating feed valve, the model of PGV-1000 steam generator has been built. The K-1000-60 / 1500-2 steam turbine model is built based on the pressure equations in constant volumes of a steam turbine which include steam flow, the rotor speed equation using the turbine variable power. The fourth section is devoted to the generalization of methods of analysis of complex dynamic systems and analysis of processes in WWER-1000 reactor of B-320series, PGV-1000steam generator, K-1000-60 / 1500-2 steam turbine on the basis of nonlinear mathematical models of these objects of control. Methods of analysis of mathematical models of dynamic systems are improved with the use of matrix methods of integration of systems of differential equations that is the method of the matrix exponent and its integral for integration of linear systems, system methods of the first, second and third degrees for integration of nonlinear systems, which ensures the improvement of accuracy processes compared to other methods. The analysis of transients in nonlinear concentrated and vertically distributed models of the WWER-1000 reactor of the B-320 series, the model of the PGV-1000 steam generator and the K-1000-60 / 1500-2 steam turbine has been made. For the vertically distributed reactor model, the axial offset is calculated. In the fifth section models of information control systems for complex dynamic objects are developed, for example, information control systems of a power unit with WWER-1000 reactor. Models of information control systems for identification of parameters of information control systems and for optimization of parameters of regulators have been generalized. The thesis develops models of information control systems of NPP unit, namely the models of Neutron power of nuclear reactor, the model of water level in steam generator, the model of rotation speed of steam turbine rotor, the model of a whole power unit to maintain neural power of the reactor and to maintain the pressure in the main steam collector in the form of differential equations, systems of differential equations, variable and permanent parameters, external actions included in the block of models of systems of information technology. The sixth section is devoted to the generalization of models of information control systems for identification of their parameters and use of information technology for identification of parameters of dynamic systems exemplified by information control system of the PGV-1000 steam generator and information control systems of other elements of the second circuit of the NPP unit. Criteria and methods for the identification of dynamic systems have been developed, a vector target identification function has been formed, a method for its calculation has been developed, and methods for unconditional optimization of scalar functions with the restart of the comparison operation have been implemented for its optimization. Mathematical models of control systems with PI regulators to identify the parameters of control objects have been generalized. The task of identifying the parameters of the model of the water level control system in the PGV-1000 steam generator according to the experimental data has been done. The thesis carries out the identification of parameters for deaerators, condensers, main steam collectors, auxiliary collectors, turbo-feed pumps, separators of superheaters, low and high heaters according to the results of adjustment tests of control systems of the second circuit of NPP units with WWER-1000 reactors. The analysis of the degree of stability and the boundaries of the area of stability for these control systems substantiates their stability The seventh section is devoted to the generalization of the quality criteria for information control systems, namely, direct quality indicators and improved integral estimates, the formation of vector target functions and methods of their optimization based on them, as well as examples of use of information technology to optimize the control of complex dynamic systems. Methods of calculation of direct quality indicators of dynamic systems and improved integral quadratic estimations are developed, problems of optimization of parameters of dynamic systems are reduced to optimization of vector target functions that take into account the requirements of implementation of the system, its stability, improvement of quality indicators. One-way search optimization methods are provided to optimize vector target functions. Using information technology to optimize the control of complex dynamic systems based on models of information control systems of the WWER-1000 nuclear reactor of the B-320 series, the PGV-1000 steam generator, the K-1000-60 / 1500-2 steam turbine, the systems of the second circuit of the power unit, the entire NPP unit with the WWER-1000 reactor under normal operating conditions with partial load reduction, the parameters of the regulators have been optimized according to the direct quality indicators. The above feasibility study of the obtained results of the use of information technology optimization control of complex dynamic systems confirms that it has significant technical advantages, and its use allows reducing the time, hardware, software and human resources in the development and improvement of complex dynamic systems by increasing the level of automation of these processes.