Yapay sinir ağları ve bulanık sistemlerin nükleer güç santrallarının kontrolunda kullanılması
Neural networks and fuzzy systems for advanced controoler design in nuclear power plants
Yazar: FARUK EROL SAĞIROĞLU
Danışman: PROF. DR. MELİH GEÇKİNLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Nükleer Bilimler Enstitüsü
Derece: Yüksek Lisans, 1996
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Bulanık denetim sistemleri = Fuzzy control systems ; Nükleer güç = Nuclear power ; Nükleer santraller = Nuclear plants ; Yapay sinir ağları = Artificial neural networks

Özet:
Bulanık mantık sistemleri ve sinir ağları kontrol sistemlerinin zekasını artırmak için kullanılan yapay zeka araçlarıdır. Diğer tara İlan nükleer reaktörler ancak liner olmayan sistemlerle matematiksel olarak ifade edilmektedirler. Zaman gecikmeli özellikleriyle kontrol uygulamaları için zor bir alanı oluşturmaktadırlar. Bununla birlikte kontrol tasarımlarının doğrudan birinin diğerine üstünlüğünü kanıtlamak zordur. Değişik kontrol tasarımlarının başlangıçta sayısal olarak simule edilerek nükleer reaktörler üzerinde denenmeleri gerekir. Karşılaştırılacak sonuçlara göre bu kontrol tasarımları nükleer reaktörler için değerlendirilebilir. Nükleer reaktörlere uygulanan kontrol sistemlerini genel olarak yapılarına göre ikiye ayırmak mümkündür. Bunlar çıkış birim geri besleme kontrol sistemleri ve durum geri besleme kontrol sistemleridir. Bu kontrol sistemleri kullanımda oldukları uzun yıllar boyunca kendilerinden istenilenleri başarıyla yerine getirmişlerdir. Ancak temel olarak nükleer reaktörlerin en güvenli biçimde çalışması temel alındığından zamanın kontrol teknoloji de hesapa katılarak en basit yapıdaki kontrol sistemleri seçilmiş ve kullanılmıştır. Bununla beraber bilgisayar teknolojisindeki son gelişmeler daha karmaşık kontrol sistemlerinin nükleer reaktörlerde güvenli biçimde kullanılmasını olanaklı hale getirmiştir. Sayısal bilgisayarların nükleer reaktörlerin kontrolünde kullanılması akademik ve ticari çevrelerde giderek artan bir oranda kabul görmektedir. Bundan dolayı, nükleer reaktörlerin daha iyi biçimde kontrol edilebilmesi için halihazırdaki kontrol tasarım metodlarının kullanılması önem kazanmıştır. VIIDurum geri besleme kontrol sisteminin basit bir çıkış birim geri besleme kontrol sistemine göre pek çok üstünlükleri vardır. Bunula birlikte, nükleer reaktörden ölçUlcmcycn durumlar için bit' durum kestiriei tasarlamak gerekmektedir. Bundan sonra problem bir durum kestiriei ile denetleyicinin uygun biçimde birleştirilmesi olmaktadır. Optimal Kontrol tasarım metodları 1 970 'lcrden beri nükleer güç reaktörlerine uygulanmaktadırlar. Bu ve benzeri çalışmalar, ölçmeden ve sistemi modellenıedeki yanlışlıklardan en az etkilenecek, bu değişimlere en iyi biçimde tolere edebilecek denetleyiciyi tasarlamayı temel olarak amaç edinmişlerdir. Liner Karesel Gaussian, stokastik kestiriçi dizaynıylu (Kalman Süzgeci) Doğrusal Karesel Düzenleyici dizaynını ayrılıklar prensibine göre birleştiren bir çeşit kontrol sistemi tasarım metodudur. Bu tür tasarımlar iyi bilinen, özellikleri iyi çalışılmış ve bazılarına göre de artık eski moda tasarım metodlarıdır. Bu tür tasarım metodları sonuçta probleme göre lliner olmayan matris formunda matematiksel denklemeler olan Riccati Denklemleriyle çözülmekledir. Bununla beraber Ricatti Denklemlerinin çözümü ve uyarlamalı kontrole göre (üretilebilecek liner olmayan kontrol kuralları' nükleer reaktör kontrolü için oldukça hesaplama yoğun işlemler gerektirmektedir. Bütün bu anlatılanlar ışığı altında bulanık mantık denetleyicileri ve sinir ağlan liner olmayan sistemlerdeki uyarlama özelliklerinden dolayı nükleer güç santrallerinin kontrol sistemleri tasarımında gittikçe artan oranda kullanılmaktadırlar. I Genel olarak bunları gözeterek, en basitinden en karmaşık ve zekisine kadar nükleer güç santralleri için yapay sinir ağlan ve bullanık mantık kullanılarak tasarlanan kontrol sistemlerini bu tezde araştırdım. VIIIYapay sinir ağları ve bulanık mantık denetleyicilerinin önemi hurda ortaya çıkmaktadır. Cicncl olarak uygulamalarda farklı çalışma bölgeleri için tasarlanmış denetleyicinin kontrol sinyalleri, yapay sinir ağları ya da otamatik olarak kuralları ayarlanabilen bulanık mantık kontrol sistemlerine örnek, öğrenilmesi istenilen bilgi olarak girilir. İhı yapay sinir ağları ve bulanık mantık sistemlerinin doğrudan kontrolü uygulamasına örnek verilebilir. Diğer taraftan nükleer reaktörlerin dinamiği bu sistemler taralından öğrenilebilir. Bu da sistemin durumlarının daha kesin hiçimde belirlenmesini sağlayan sistemlerin tasarımında kullanılabilir. Mu tez kapsamı içinde klasik en basil yapıdaki denetleyiciler başlamak üzere en karmaşığına doğru yapay sinir ağları ve bulanık mantık sistemlerini kapsayacak biçimde kontrol sistemlerinin tasarımları yapılmış ve bunlar nükleer reaktörlerin tiner olmayan modelleri kullanılarak bilgisayarla simule edilmişlerdir. XIYapay sinir ağları ve bulanık mantık denetleyicilerinin önemi hurda ortaya çıkmaktadır. Cicncl olarak uygulamalarda farklı çalışma bölgeleri için tasarlanmış denetleyicinin kontrol sinyalleri, yapay sinir ağları ya da otamatik olarak kuralları ayarlanabilen bulanık mantık kontrol sistemlerine örnek, öğrenilmesi istenilen bilgi olarak girilir. İhı yapay sinir ağları ve bulanık mantık sistemlerinin doğrudan kontrolü uygulamasına örnek verilebilir. Diğer taraftan nükleer reaktörlerin dinamiği bu sistemler taralından öğrenilebilir. Bu da sistemin durumlarının daha kesin hiçimde belirlenmesini sağlayan sistemlerin tasarımında kullanılabilir. Mu tez kapsamı içinde klasik en basil yapıdaki denetleyiciler başlamak üzere en karmaşığına doğru yapay sinir ağları ve bulanık mantık sistemlerini kapsayacak biçimde kontrol sistemlerinin tasarımları yapılmış ve bunlar nükleer reaktörlerin tiner olmayan modelleri kullanılarak bilgisayarla simule edilmişlerdir. XINükleer güç ve suni zeka insanoğlunun en önemli başarılarıdır. Her ikisi de yaşadığımız son yüz yıl içinde düşünülmüş ve bazen sivil bazen de askeri amaçlar için kullanılmışlardır. Dunlardan ilkinin, toplumlar üzerindeki psikolojik etkisi büyük ölçüde soğuk savaş sırasındaki olası bir nükleer savaş felaketi yüzünden korkunç olmuştur. Diğer yandan yapay zeka son 10-15 seneye kadar bilim kurgu romanlarının en popüler konuları olarak kalmışlardır. Bu romanlarda anlatılan hikayeler büyük çoğunlukta insan benzeri robotların dünyadaki insan üstünlüğüne son verip insanları köle olarak kullanmalarıdır. Ne yazık ki suni zeka konusundaki araştırmacıların da, belirtikleri gibi bu tip hikayeler alanın göstereceği gelişmelerde moral bozucu etkiler I yapmıştır. İlk nükleer güçle çalışan enerji santrallerinin kurulması ve bunların dünya çapında yagmlaşması nükleer enerjinin en ucuz ve insanoğlunun evrensel olarak elde edebileceği tek enerji kaynağı olduğunu göstermiştir. Genel olarak son yıllarda nükleer enerjiye olan talebin azalmasına rağmen uzayın derinliklerini keşfetmeyi düşleyen insanoğlu gelecek yüzyıllardaki diğer büyük projelerini gerçekleştirmek için nükleer enerjiyi kullanmalı ve onu araştırmalıdır. Bununla beraber günümüzdeki nükleer santrallerde karşılaşılan en önemli problem nükleer santrallerin güvenli biçimde çalıştırılmalarıdır. İkincisi ve belki en önemli problem nükleer atıklar sorunudur. Nükleer teknolojideki son gelişmeler nükleer atıklar sorununu çözebilir. Benzer olarak nükleer reaktörlerdeki yeni tasarım ve düzenlemeler reaktörlerin kararlılığını ve güvenilirliğini artırarak santrallerin daha güvenli biçimde çalışmalarını sağlayabilir.

Abstract:
Globally, digital control of nuclear reactors is finding acceptance around the academic and commercial circles at an increasing rate. Therefore, this resulted in the importance of controllers designed for nuclear plants using already existing control methods. State feedback controller offers much more benifits than a simple unitary output feedback controller. However there is an additional we need to estimate other states that are not available, hence problem becomes a synthesis of controller and estimator design. Optimal control design methodologies have been applied to nuclear power plants since 1970's. These and similar studies endeavor to increase controller robustness for some uncertainties which result from both measurement and inaccuracy in system modeling. Linear Quadratic Gaussian(LQG) accounts for a type of controller which is a synthesis of stochastic observer design (Kalman Filter) and Linear Quadratic Rcgulator(LQR) using the separation principle. These types of controllers are well studied. whose properties arc well-known and their solutions formulated in the form of nonlinear matrix valued equations which are called Riccati differential liquations (RDFs). However solution of RDF and some nonlinear laws designed according to adaptive control are too computation-intensive for application to nuclear power plants. Due to non-linear mapping of Fuzzy Logic Controllers and Artificial Neural Networks(ANN) and also adaplivity properties of ANN. they have been. employed in nuclear power plant control with an even increasing application rate. In this spirit. I studied some controllers for nuclear power, plants ranging from simple to more sophisticated and intelligent applications designed by the methodologies of fuzzy and neural networks.