期末復(fù)習題答案及答案——《化工儀表及自動化》一、檢測儀表基礎(chǔ)與參數(shù)測量1.溫度測量儀表（1）熱電偶測溫原理：基于塞貝克效應(yīng)，兩種不同材料的導(dǎo)體A、B組成閉合回路，若兩接點溫度不同（T＞T0），回路中產(chǎn)生熱電勢EAB(T,T0)，其大小與熱端溫度T和冷端溫度T0的差值相關(guān)。工業(yè)中常用K型（鎳鉻-鎳硅）、S型（鉑銠10-鉑）熱電偶，分度號對應(yīng)特定熱電勢-溫度關(guān)系。（2）熱電阻測溫原理：利用金屬（如鉑、銅）或半導(dǎo)體（如熱敏電阻）的電阻值隨溫度變化的特性。鉑熱電阻（Pt100）在0℃時電阻為100Ω，溫度系數(shù)約0.00385Ω/℃，線性度好，適用于-200℃~850℃；銅熱電阻（Cu50）成本低，但僅適用于-50℃~150℃。（3）補償導(dǎo)線作用：將熱電偶冷端從高溫區(qū)（如爐旁）延伸至溫度穩(wěn)定的控制室，使用與熱電偶熱電特性相近的廉價金屬，確保冷端溫度T0恒定，配合溫度補償器（如電橋補償法）修正T0≠0℃的誤差。（4）三線制接法：熱電阻測量中，三根導(dǎo)線分別連接熱電阻一端和電橋兩臂，消除導(dǎo)線電阻隨環(huán)境溫度變化帶來的誤差。例如，Pt100采用三線制時，導(dǎo)線電阻r1、r2、r3中，r1和r2分別串聯(lián)在電橋相鄰臂，r3在電源回路，對電橋平衡影響相互抵消。2.壓力測量儀表（1）彈性式壓力計（如彈簧管壓力表）工作原理：被測壓力作用于彈簧管（C型、螺旋型）內(nèi)側(cè)，管端產(chǎn)生位移，通過連桿、齒輪傳動機構(gòu)帶動指針旋轉(zhuǎn)，指示壓力值。量程選擇需滿足被測壓力在量程的1/3~2/3范圍內(nèi)，避免過載損壞。（2）差壓式流量計（如孔板流量計）配套差壓計的作用：測量節(jié)流裝置（孔板、噴嘴）前后的差壓Δp，根據(jù)伯努利方程，流量Q與√Δp成正比。差壓計需與節(jié)流裝置配套，考慮被測介質(zhì)（氣體、液體、蒸汽）的密度、溫度、壓力補償。3.流量與物位測量（1）電磁流量計適用條件：測量電導(dǎo)率≥5μS/cm的導(dǎo)電液體（如酸、堿、鹽水），不能測氣體、油類或純水。其原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，流速v與感應(yīng)電動勢E成正比（E=BDv，B為磁場強度，D為管道內(nèi)徑）。（2）超聲波流量計分類與特點：分為外夾式（非接觸，安裝方便，適用于大管徑）、插入式（精度較高）和管段式（精度最高）。基于時間差法，超聲波在順流和逆流中的傳播時間差Δt與流速v相關(guān)（v=(L/(2cosθ))·(1/t1-1/t2)，L為聲道長度，θ為聲束與管軸夾角）。（3）雷達物位計工作原理：發(fā)射高頻電磁波（6.8GHz或26GHz），經(jīng)物料表面反射后被接收，通過時間差Δt計算物位h（h=(c·Δt)/2，c為光速）。適用于高溫（-40℃~250℃）、高壓（0~40MPa）、腐蝕性或粉塵環(huán)境，不受介質(zhì)密度、濕度影響。二、自動控制系統(tǒng)基本概念與分析1.系統(tǒng)組成與分類（1）典型閉環(huán)控制系統(tǒng)由被控對象（如反應(yīng)釜）、檢測變送裝置（如溫度變送器）、控制器（如PID控制器）、執(zhí)行器（如氣動調(diào)節(jié)閥）組成。信號傳遞路徑：被控變量→檢測變送→控制器→執(zhí)行器→操縱變量→被控對象。（2）按給定值變化分類：定值控制系統(tǒng)（給定值恒定，如精餾塔塔釜溫度控制）、隨動控制系統(tǒng)（給定值按未知規(guī)律變化，如反應(yīng)器進料流量跟蹤）、程序控制系統(tǒng)（給定值按預(yù)定規(guī)律變化，如間歇反應(yīng)釜升溫曲線）。2.被控對象特性參數(shù)（1）放大系數(shù)K：對象輸出穩(wěn)態(tài)變化量與輸入穩(wěn)態(tài)變化量的比值（K=Δy_ss/Δx），反映對象對輸入作用的放大能力。K越大，控制越靈敏，但余差可能越大（比例控制時）。（2）時間常數(shù)T：對象從階躍輸入到輸出達到最終值63.2%所需時間，表征對象慣性大小。T越大，響應(yīng)越慢，控制難度增加（需更長調(diào)節(jié)時間）。（3）滯后時間τ：包括純滯后τ0（輸入變化到輸出開始變化的時間，由物料傳輸或信號傳遞延遲引起）和容量滯后τc（多容對象中由于能量累積導(dǎo)致的滯后）。τ越大，系統(tǒng)超調(diào)量可能越大，穩(wěn)定性降低。3.過渡過程質(zhì)量指標（1）最大偏差A(yù)：過渡過程中被控變量偏離給定值的最大絕對值。對于定值系統(tǒng)，A越小越好；若工藝允許短暫超限（如反應(yīng)器溫度），可適當放寬。（2）超調(diào)量σ%：第一個峰值與穩(wěn)態(tài)值的偏差百分比（σ%=(y1-y_ss)/y_ss×100%），反映系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性。一般希望σ%在25%~30%（衰減比4:1時）。（3）衰減比n：相鄰兩個峰值的比值（n=y1/y2），n=4:1為工程最佳，n=1:1時系統(tǒng)等幅振蕩，n＜1時發(fā)散。（4）過渡時間ts：被控變量進入穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）誤差帶且不再超出的時間，反映系統(tǒng)快速性。ts越小，控制效果越好。（5）余差C：過渡過程結(jié)束后被控變量與給定值的穩(wěn)態(tài)偏差，比例控制（P）會產(chǎn)生余差，積分控制（I）可消除余差。三、控制儀表與控制規(guī)律1.PID控制器（1）比例控制（P）：輸出u(t)=Kp(e(t)+(1/Ti)∫e(t)dt+Td(de(t)/dt))，其中Kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間，Td為微分時間。比例控制的特點是反應(yīng)快（輸出與偏差成正比），但存在余差（C=Δx/Kp，Δx為擾動幅值）。比例度δ=1/Kp×100%，δ越小，Kp越大，控制作用越強，余差越小，但可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。（2）積分控制（I）：通過積分項累積偏差，最終消除余差。積分時間Ti越小，積分作用越強，消除余差越快，但可能引起超調(diào)增大（Ti過小會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定）。（3）微分控制（D）：根據(jù)偏差變化率動作，提前預(yù)測偏差趨勢，抑制超調(diào)。微分時間Td越大，微分作用越強，適用于慣性大、滯后大的對象（如溫度控制），但不能單獨使用（無偏差時輸出為零，無法穩(wěn)定系統(tǒng)）。2.控制規(guī)律選擇（1）對象特性與控制規(guī)律匹配：-壓力、流量對象（T小、τ小）：宜用P或PI控制（流量常用PI，壓力可P或PI）。-溫度對象（T大、τ大）：需PID控制（微分作用改善動態(tài)性能）。-液位對象（T小、τ小，允許余差）：可用P控制（如中間儲罐液位）。（2）實例分析：某反應(yīng)釜溫度控制，對象滯后τ=150s，時間常數(shù)T=300s，放大系數(shù)K=2。由于T和τ較大，需引入微分作用提前抑制溫度上升趨勢，選擇PID控制；根據(jù)臨界比例度法整定參數(shù)，先切除I、D，僅用P控制，找到臨界比例度δk=50%、臨界周期Tk=240s，按公式δ=0.6δk=30%，Ti=0.5Tk=120s，Td=0.125Tk=30s。四、執(zhí)行器與系統(tǒng)設(shè)計1.氣動薄膜調(diào)節(jié)閥（1）結(jié)構(gòu)組成：由膜頭（接收4-20mADC信號，轉(zhuǎn)換為膜片推力）、閥桿（傳遞推力）、閥芯閥座（改變流通面積）組成。氣開式（氣信號增大，閥開度增大，無信號時閥全關(guān)，符號FC）；氣關(guān)式（氣信號增大，閥開度減小，無信號時閥全開，符號FO）。（2）氣開氣關(guān)選擇原則：從工藝安全出發(fā)，確保氣源中斷時調(diào)節(jié)閥處于安全位置。例如，加熱爐燃料氣調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開式（斷氣時關(guān)閉，防止燃料泄漏）；冷卻介質(zhì)（如冷卻水）調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣關(guān)式（斷氣時全開，防止設(shè)備超溫）。（3）流量特性選擇：根據(jù)對象特性匹配。若對象特性非線性（如反應(yīng)釜溫度隨流量變化呈指數(shù)關(guān)系），應(yīng)選等百分比特性調(diào)節(jié)閥（相對流量變化率與相對開度變化率成正比，Kv=Kv0×e^(kL)，L為相對開度），使系統(tǒng)總放大系數(shù)趨于恒定；線性特性（Kv=Kv0×L）適用于對象特性線性的場合（如簡單管道流量控制）。2.系統(tǒng)投運與參數(shù)整定（1）投運步驟：檢查儀表接線、供氣（0.14MPa）、電源；手動操作執(zhí)行器，觀察被控變量是否穩(wěn)定；切換到自動模式，逐步調(diào)整控制器參數(shù)。（2）衰減曲線法整定：手動階躍改變給定值（5%~10%），記錄過渡過程曲線，調(diào)整δ、Ti、Td使衰減比為4:1。例如，某流量控制系統(tǒng)，階躍擾動后第一次峰值y1=85，第二次峰值y2=21（衰減比n≈4:1），則δ=當前比例度，Ti=0.3~0.5倍過渡時間，Td=0~0.1Ti（流量系統(tǒng)一般不用微分）。五、綜合應(yīng)用示例某化肥廠合成氨裝置中，氨合成塔入口溫度需控制在480±5℃，工藝介質(zhì)為H2、N2混合氣體（易燃），對象特性：K=1.5℃/(m3/h)（操縱變量為冷激流量），T=200s，τ=80s。試設(shè)計控制系統(tǒng)并選擇儀表：1.檢測變送：選用K型熱電偶（測溫范圍0~1300℃），配補償導(dǎo)線延伸至控制室，溫度變送器輸出4-20mADC信號（對應(yīng)0~1300℃）。2.控制器：因?qū)ο骉和τ較大（T/τ=2.5，需微分作用），選擇PID控制器。采用臨界比例度法整定：先切I、D，δ=80%時系統(tǒng)等幅振蕩（Tk=300s），則δ=0.6×80%=48%，Ti=0.5×300=150s，Td=0.125×300=37.5s。3.執(zhí)行器：冷激流量調(diào)節(jié)閥需選氣開式（斷氣時關(guān)閉，防止過量冷激氣導(dǎo)致塔溫過低），流