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控制系统

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中文名称；控制系统(ESD) 外文名称；Electro-Static discharge

控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。

基本概念

控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

例如，假设有一个汽车的驱动系统，汽车的速度是其加速器位置的函数。通过控制加速器踏板的压力可以保持所希望的速度（或可以达到所希望的速度变化）。这个汽车驱动系统（加速器、汽化器和发动机车辆）便组成一个控制系统。

无反馈称为开环控制系统（open-loop control system），这种系统的输入直接供给控制器，并通过控制器对受控对象产生控制作用。其主要优点是结构简单、价格便宜、容易维修；缺点是精度低，容易受环境变化（例如电源波动、温度变化等）的干扰。

有反馈称为闭环控制系统（closed-loop control system），输入与反馈信号比较后的差值（即偏差信号）加给控制器，然后再调节受控对象的输出，从而形成闭环控制回路。所以，闭环系统又称为反馈控制系统，这种反馈称为负反馈。与开环系统相比，闭环系统具有突出的优点，包括精度高、动态性能好、抗干扰能力强等。它的缺点是结构比较复杂，价格比较贵，对维修人员要求较高。

根据采用的信号处理技术不同分类

模拟控制系统，采用模拟技术处理信号的控制系统称为模拟控制系统。

数字控制系统，采用数字技术处理信号的控制系统称为数字控制系统。

根据输入量是否恒定分类

输入量是恒定的，这种控制系统我们一般称之为恒值控制系统，如恒速电机、恒温热炉等。

输出量随着输入量的变化而变化，这种控制系统称为随动系统。例如导弹自动瞄准系统等。

工作原理

检测输出量（被控制量）的实际值；将输出量的实际值与给定值（输入量）进行比较得出偏差；

用偏差值产生控制调节作用去消除偏差，使得输出量维持期望的输出。

性能要求

为了实现自动控制的基本任务，必须对系统在控制过程中表现出来的行为提出要求。对控制系统的基本要求，通常是通过系统对特定输入信号的响应来满足的。例如，用单位阶跃信号的过渡过程及稳态的一些特征值来表示。在确保稳定性的前提下，要求系 统的动态性能和稳态性能好，即：

动态过程平稳（稳定性）；

响应动作要快（快速性）；

跟踪值要准确（准确性）。

控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。

军事技术

自动控制的应用实例有各种类型的伺服系统、火力控制系统、制导与控制系统等。在航天、航空和航海方面，除了各种形式的控制系统外，应用的领域还包括导航系统、遥控系统和各种仿真器。

其他

在办公室自动化、图书管理 、交通管理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。

控制系统其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。以PLC和DCS为代表，从70年****始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年****始，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等，将简要介绍各种常见的控制系统，并分析控制系统的演进过程和发展方向。

70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。

1975年前后，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器（DDC）的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统（DCS）。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时，开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。

在以后的近30年间，DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。

控制站

DCS系统中，控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出（PI/O），包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。

关于DCS控制站的系统软件，包括实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而已。第二代DCS控制站开始有面向过程语言和高级语言；第三代DCS控制站的系统软件可以完成离线组态及在线修改控制策略。为了完成控制策略，对于顺序控制和批量控制组态编程，各种DCS控制站采用不同的方法。

DCS操作站

DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（Utility）功能，还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等。

实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标，组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口等，使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机（PC）及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的。DDE或OPC接口技术，以太网接口与管理网络相连。DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。有的DCS的采用通用监控图形软件，或以此类软件为核心，进行二次开发。

数据通信及网络

因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质（信道）、通信协议、IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广，是否能够成为今后DCS的通讯标准，还有待观察。

发展问题

DCS所存在的问题，主要集中在3个方面：

1、即系统开放性问题;

2、与现场传感器、变送器、执行器的接线问题；

3、价格较贵问题。

这些问题在第三代DCS中已开始得到解决。在21世纪，新一代的DCS应满足用户这方面的需求。

在DCS应用行业分布上，如对DCS产品进行改造，是可以保持其在这些行业中的地位的。

编程控制

PLC的诞生和发展

1968年，通用汽车公司的油压部门确立了第一个可编程控制器的标准，他们的目的是消除既复杂又昂贵的继电器控制系统。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。到1969年，第一个PLC诞生。当时称为可编程控制器，英文是Programmable Controller，缩写为PC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。

PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如附表所示。

一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些输入/输出模块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通讯模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，而且可以被重复使用到其它的项目中去。尽管有PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC一直保持了其最初设计的原则，那就是简单至上的原则。

今天的PLC

PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。

PLC分类

PLC种类 外观 典型I/O点数范围 典型应用

微型PLC 固定I/O点，砖块式 <32点 替代继电器，分布式I/O

小型PLC 砖块式，模块式 33-128点 工业机器开关控制和商业用途

中型PLC 模块式，小机架 129-512点 复杂机器控制和一些分布式系统

大型PLC 大机架 >513点分布式系统，监控系统

PC插卡式PLC ISA或PCI总线卡式 >129点机器控制，监控系统

PC兼容控制器 模块式，大或小机架 >129点机器控制，监控系统

参考来源

控制系统简介