李超（1974－）

男，河南南陽人，畢業(yè)于上海電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，

現(xiàn)就職于大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司。

　　1 SIP系統(tǒng)背景介紹

　　SIP系統(tǒng)又叫做過程儀表系統(tǒng)，作為核島KRG系統(tǒng)的一部分，其作用是將由變送器測量得到的過程變量(壓力、水位、流量、溫度、轉(zhuǎn)速等)信號進(jìn)行必要的處理，最終經(jīng)閾值處理形成邏輯保護(hù)信號，送至RPR進(jìn)行邏輯運算(3取2或4取2)形成保護(hù)指令。SIP系統(tǒng)和RPN(核儀表系統(tǒng))、RPR(反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng))以及所有專設(shè)安全系統(tǒng)(如RIS、EAS、ETY等)一起，構(gòu)成廣義的反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)。在正常運行工況下，SIP系統(tǒng)的故障是隱蔽的。但是，SIP作為反應(yīng)堆廣義保護(hù)系統(tǒng)一個重要組成部分，其故障將直接威脅到核電站的安全和正常運行。為了及時發(fā)現(xiàn)故障以保證SIP系統(tǒng)的可用性，必須對SIP系統(tǒng)進(jìn)行定期試驗。而開發(fā)新型的定期試驗裝置的一個重要功能就是對SIP系統(tǒng)中的具有時間參數(shù)的模塊進(jìn)行系統(tǒng)辨識。由于一些靜態(tài)模塊例如加法器ZO模塊和函數(shù)發(fā)生器GD模塊等在大修期間是容易調(diào)教的，它們的輸出只與其輸入有關(guān)，而且不隨著時間的改變而改變，而慣性環(huán)節(jié)FI、超前滯后環(huán)節(jié)MT和微分環(huán)節(jié)DR動態(tài)時間參數(shù)模塊的輸出即跟其輸入有關(guān)也跟時間有關(guān)。故對這些模塊進(jìn)行系統(tǒng)辨識具有很強(qiáng)的實踐性而且是很有意義的，既方便了系統(tǒng)模塊調(diào)教，更加有利于保障SIP系統(tǒng)運行的可靠性。

　　2 辨識系統(tǒng)和LabVIEW簡介

　　辨識理論是研究利用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，通過一定的準(zhǔn)則建立系統(tǒng)等價模型的理論。由于實際系統(tǒng)的復(fù)雜行為，辨識理論在系統(tǒng)建模和控制工程中都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，使得目前采用一些高級軟件和集成硬件模塊，可以很容易組成“虛擬儀器”。這相對于采用傳統(tǒng)儀器儀表構(gòu)成的系統(tǒng)，可大大縮短開發(fā)時間和成本。

　　早在八十年代，隨著NI LabVIEW的誕生，形成了一種“虛擬儀器”概念。在計算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡，然后利用軟件在屏幕上生成儀器面板，并且用軟件對信號進(jìn)行處理和分析，這就構(gòu)成了一臺虛擬儀器。虛擬儀器的主要特點是：具有用戶定制的個性化面板，適合于信號處理應(yīng)用，開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便，易于應(yīng)用新理論、新算法和新技術(shù)。LabVIEW是一種常用的虛擬儀器開發(fā)應(yīng)用軟件，利用它組建儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以簡化程序的設(shè)計。并且提供了功能強(qiáng)大的高級數(shù)學(xué)分析庫，包括統(tǒng)計、估計、回歸分析、時域和頻域算法等可滿足各種計算和分析需要。為小波、系統(tǒng)辨識和數(shù)組濾波器等高級或特殊分析場合提供了附加軟件包。

　　本文討論的辨識平臺基于LabVIEW環(huán)境下，以實際的SIP系統(tǒng)中具有時間動態(tài)參數(shù)的通道為對象，信號發(fā)生、采集功能和辨識模型構(gòu)成一套系統(tǒng)辨識試驗平臺。

　　3 系統(tǒng)辨識結(jié)構(gòu)圖

　　圖1 SIP系統(tǒng)RCP10回路簡圖

　　SIP系統(tǒng)的每個回路都包括CC開關(guān)(模擬量信號的輸入點)、PT點(模擬量信號的監(jiān)測點)和XU(數(shù)字量信號的輸出點)。圖1為SIP系統(tǒng)RCP10回路的一個帶有動態(tài)模塊參數(shù)FI、MT和DR的回路簡圖，其中PT點即為SIP系統(tǒng)的模擬量信號監(jiān)測點。

　　

圖2 系統(tǒng)辨識結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)辯識結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)主要采用了一臺工控機(jī)和兩塊NI公司的數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)，即PCI6289和PCI6733。PCI6733有8路AO，M系列板卡PCI6289有32路AI和48路DI。 PCI6733板卡輸出的模擬量信號通過信號調(diào)理模塊注入到SIP系統(tǒng)的448CC和495CC開關(guān)點處，其中MT模塊的輸入和輸出的PT點為439PT和440PT，F(xiàn)I模塊的輸入和輸出的PT點為443PT和475PT，DR模塊的輸入和輸出的PT點為439PT和444PT。以上PT點信號通過信號調(diào)理模塊送到PCI6289板卡來采集。系統(tǒng)通過對輸出信號及采集信號進(jìn)行處理得到動態(tài)時間參數(shù)模塊的傳遞函數(shù)。

　　4 基于LabVIEW的系統(tǒng)辨識設(shè)計與實現(xiàn)

　　經(jīng)典的系統(tǒng)辨識方法的發(fā)展已經(jīng)比較成熟和完善，包括階躍響應(yīng)法、脈沖響應(yīng)法、頻率響應(yīng)法、相關(guān)分析法、譜分析法、最小二乘法和極大似然法等。針對大亞灣SIP系統(tǒng)中，具有動態(tài)參數(shù)模塊的只有FI模塊，其傳遞函數(shù)為，超前滯后環(huán)節(jié)MT模塊，其傳遞函數(shù)為，微分環(huán)節(jié)DR模塊，其傳遞函數(shù)為。本文采用階躍響應(yīng)法來實現(xiàn)動態(tài)模塊的辨識。

　　SIP系統(tǒng)中具有動態(tài)環(huán)節(jié)模塊的板件輸入為1-5V，而輸出也限制在了1-5V的范圍內(nèi)，故加階躍信號時的初值信號應(yīng)為1-5V范圍之內(nèi)，初值選擇為1V的信號。由于板件的輸出也加以限制故階躍的幅值不易過大，即統(tǒng)一選擇了0.3V的階躍信號。由于剛注入1V信號時，系統(tǒng)本身有一個階躍響應(yīng)，但是由于輸出的限制，此段數(shù)據(jù)不應(yīng)作為系統(tǒng)辨識的有效數(shù)據(jù)之用，當(dāng)系統(tǒng)過幾十秒中系統(tǒng)穩(wěn)定之后，再注入0.3V的階躍信號，此段數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)。即前40秒輸出為1V，后面30秒輸出為1.3V的階躍，數(shù)據(jù)采集時采集后30秒鐘的信號作為系統(tǒng)辨識的輸入。

　　4.1 慣性環(huán)節(jié)FI模塊

　　慣性環(huán)節(jié)FI模塊的傳遞函數(shù)為，當(dāng)有一個初值1V信號注入時，即，y值會有一個階躍響應(yīng)，具體理論推導(dǎo)如下：

　由此可見，當(dāng)時，。在RCP10通道中。

　　圖3 FI模塊的輸入輸出波形圖和傳遞函數(shù)

　　由上述理論推導(dǎo)公式可知系統(tǒng)穩(wěn)定之后，即40秒之后系統(tǒng)穩(wěn)定在了初值1V，圖3為FI模塊的輸入輸出波形圖以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖，即PCI6289采集的443PT和475PT點的信號的波形圖，階躍一條曲線(443PT)為系統(tǒng)辨識模塊的輸入信號，即系統(tǒng)辨識工具包中SI Estimate Transfer Function Model.vi的stimulus signal項，平滑曲線(475PT)為經(jīng)過動態(tài)模塊FI之后的信號，也作為系統(tǒng)辨識模塊的輸入信號，即系統(tǒng)辨識工具包中SI Estimate Transfer Function Model.vi的response signal項，由于FI模塊的傳遞函數(shù)分子和分母的階數(shù)已經(jīng)確定，即分母為1，分子為0，故最終可匯出的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

　　4.2 超前滯后環(huán)節(jié)MT模塊

　　超前滯后環(huán)節(jié)MT模塊傳遞函數(shù)為，當(dāng)有一個初值1V信號注入時，即，y值會有一個階躍響應(yīng)，具體理論推導(dǎo)如下：

　　由此可見，當(dāng)時，。在RCP10通道中，。

　　圖4 MT模塊的輸入輸出波形圖和傳遞函數(shù)

　　由上述理論推導(dǎo)公式可知系統(tǒng)穩(wěn)定之后，即40秒之后系統(tǒng)穩(wěn)定在了初值1V，圖4為MT模塊的輸入輸出波形圖以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖，即PCI6289采集的439PT和440PT點的信號的波形圖，階躍曲線(439PT)為系統(tǒng)辨識模塊的輸入信號，即系統(tǒng)辨識工具包中SI Estimate Transfer Function Model.vi的stimulus signal項，平滑曲線(440PT)為經(jīng)過動態(tài)模塊FI之后的信號，也作為系統(tǒng)辨識模塊的輸入信號，即系統(tǒng)辨識工具包中SI Estimate Transfer Function Model.vi的response signal項，由于MT模塊的傳遞函數(shù)分子和分母的階數(shù)已經(jīng)確定，即分母和分子為1，故最終可匯出的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

　　4.3 微分環(huán)節(jié)DR模塊

　　微分環(huán)節(jié)模塊傳遞函數(shù)為，當(dāng)有一個初值1V信號注入時，即，y值會有一個階躍響應(yīng)，具體理論推導(dǎo)如下：

　　由此可見，當(dāng)時，在RCP10通道中。

　　圖5 DR 模塊的輸入輸出波形圖和傳遞函數(shù)

　　由上述理論推導(dǎo)公式可知系統(tǒng)穩(wěn)定之后，即40秒之后系統(tǒng)穩(wěn)定在了0V，由于DR模塊板件本身的特性，輸出值是在理論基礎(chǔ)上疊加了1V的信號，圖5為DR模塊的輸入輸出波形圖以及系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖中可知，即PCI6289采集的439PT和444PT點的信號的波形圖，階躍曲線(439PT)為系統(tǒng)辨識模塊的輸入信號，即系統(tǒng)辨識工具包中SI Estimate Transfer Function Model.vi的stimulus signal項，平滑曲線(444PT)為經(jīng)過動態(tài)模塊DR之后的信號，由于此信號是疊加了1V之后的信號，所以應(yīng)該減去1V之后的信號作為系統(tǒng)辨識模塊的輸入信號，即系統(tǒng)辨識工具包中SI Estimate Transfer Function Model.vi的response signal項，由于DR模塊的傳遞函數(shù)分子和分母的階數(shù)已經(jīng)確定，即分母和分子為1，最終可匯出的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

　　5 結(jié)論

　　利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計的系統(tǒng)辨識平臺，在功能和特性上都滿足而且實現(xiàn)了SIP系統(tǒng)辨識的開發(fā)，使用NI公司的數(shù)據(jù)采集卡以及LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境設(shè)計的平臺，使用和維護(hù)比較方便并且性能穩(wěn)定可靠。

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