In this thesis an adaptive observer is designed and a pole assignment technique is applied in order to accomplish a satisfactory automatic control of steam generators from zero to full power.
The change of the water level of a steam generator is caused by three effects; mass capacity, swelling and shrinking, and mechanical oscillations. The knowledge of the water level contributions caused by these effects will be helpful in controlling the water level. The state observer is designed in order to use state feedback. The obvious result of introducing state feedback is to change the undesired open-loop system into the desired overall closed-loop system. Since a nuclear steam generator is controllable and observable, it is possible to design a state observer. Also, since a steam generator is subject to parameter variation according to the change of operating conditions, an adaptive observer must be used. The adaptive observer estimates the parameters and states of the steam generator simultaneously. A fourth-order linear model is presented and, on the basis of this model, an adaptive observer is designed.
Since an implicit-type adaptive observer is applied, a state reconstruction process and a parameter adaptation one are separated and system inputs and outputs are unnecessary to be bounded for the stability. The time-varying problem of the steam generator is resolved by estimating at every time step the parameters which change according to the operating conditions. A pole assignment controller is derived on the basis of the adaptive observer. The characteristics of the overall closed-loop control system can be expressed in terms of its assigned poles. The troublesome tuning procedure of the conventional P-I controller is reduced to the determination of the desired poles only. The proposed algorithm is compared with the P-I controller through numerical simulations.
Also, the adaptive pole assignment controller is studied experimentally by implementing it to the mock-up of the nuclear steam generator. The Westing-house model F steam generator is scaled down at lower pressure and power. A scaled-down steam generator is made which has the dimension of nearly one-tenth of the reference height and pressure, and 1/10000 of its power.
It is known that the adaptive pole assignment controller is robust in modeling errors and in high frequency measurement noises in controlling the water level of steam generators. The adaptive pole assignment controller shows better responses than the P-I controller does.
The main disadvantage of the proposed controller is to have rich inputs initially so that all dynamics of the steam generator can be excited and then its parameters and states can be estimated exactly. A perturbation signal will be initially added to the feedwater pump and, in turn, its frequent oscillatory operation can takes place.
본 연구에서는 원자력 발전소의 증기발생기의 수위를 저부하에서 고부하까지 만족스러운 자동제어를 달성하기 위하여, 적응 옵저버(adaptive observer)가 설계되고, 이를 바탕으로 극점-지정 테크닉(pole assignment technique)이 적용되었다.
증기발생기내에서 수위의 변화는 3 가지 요인에 기인한다; 즉, 질량 용량 (mass capacity effect), 수축 및 팽창 현상(swell and shrink phenomena), 그리고 기계적 진동 (mechanical oscillations)등이다. 이런 현상들로 말미암은 수위의 각 기여도 (상태변수, state)를 아는 것은 수위제어기를 설계하는데 도움이 될 것이다. 즉, 상태궤환제어(state feedback control)를 이용하기 이해 옵저버가 설계된다. 상태궤환제어를 도입하는 이유는 바람직스럽지 못한 열린 계 (open-loop system)를 바람직한 닫힌 계 (closed-loop system)로 변환시키기 위함이다.
핵증기발생기는 제어가능 (controllable)하고 관측가능 (observerable)하기 때문에 옵저버를 설계하는 것이 가능하다. 또한, 증기발생기는 운전조건에 따라 파라메타들의 변화가 심하기 때문에 증기발생기의 상태변수와 파라메타를 동시에 예측하는 적응 옵저버가 이용되어야 한다.
Implicit-type 적응 옵저버가 적용되어, 상태변수 추정과정과 파라메타 추정과정이 분리되고 안정성을 위해 시스템 입-출력 값이 제한될 필요가 없다. 증기발생기의 시간에 따른 변화하는 문제는 운전조건에 따라 변화하는 파라메타를 매 시간간격마다 예측함으로써 해결된다.
적응 옵저버의 기초위에서 전체 닫힌 제어계가 원하는 극점을 갖도록 하기 위해 제어 이득(gain) 값이 자동으로 계산되는 적응 극점-지정 제어기(adaptive pole assignment controller)가 도입된다. 전체 닫힌 제어계의 특성은 지정된 극점 (pole)으로 묘사될 수 있다. 그러므로, 재래의 비례-적분 제어기의 골치 아픈 조정(tuning) 절차는 단지 바람직한 극점의 지정으로 줄어든다.
적응 극점-지정 제어기가 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 재래의 비례-적분 제어기와 비교 된다. 또한, 적응 극점-지정 제어기가 축소화된 증기발생기에 적용시켜 실험적으로 연구된다. 웨스팅하우스 모델 F 증기발생기가 낮은 압력과 파우어로 축소된다. 즉, 높이와 압력이 1/10로 축소되고 부하는 1/10000로 축소된다. 적응 극점-지정 제어기는 모델링 에러와 고주파의 측정 노이즈에 강건(robust)하고, 비례-적분 제어기 보다 나은 특성을 갖는다는 것이 입증된다.
본 제어기의 주요 단점은 증기발생기의 모든 동특성이 여기시켜(excite) 상태변수와 파라메타를 정확히 예측할 수 있도록 초기에 다양한 입력을 가져야 한다는 것이다. 이를 위하여 섭동신호(perturbation signal)가 급수 펌프에 첨가되어 펌프의 속도가 초기에 자주 가변된다.
