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控制系統

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中文名稱；控制系統(ESD) 外文名稱；Electro-Static discharge

控制系統是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標和功能的管理系統。

基本概念

控制系統意味着通過它可以按照所希望的方式保持和改變機器、機構或其他設備內任何感興趣或可變的量。控制系統同時是為了使被控制對象達到預定的理想狀態而實施的。控制系統使被控制對象趨於某種需要的穩定狀態。

例如，假設有一個汽車的驅動系統，汽車的速度是其加速器位置的函數。通過控制加速器踏板的壓力可以保持所希望的速度（或可以達到所希望的速度變化）。這個汽車驅動系統（加速器、汽化器和發動機車輛）便組成一個控制系統。

無反饋稱為開環控制系統（open-loop control system），這種系統的輸入直接供給控制器，並通過控制器對受控對象產生控制作用。其主要優點是結構簡單、價格便宜、容易維修；缺點是精度低，容易受環境變化（例如電源波動、溫度變化等）的干擾。

有反饋稱為閉環控制系統（closed-loop control system），輸入與反饋信號比較後的差值（即偏差信號）加給控制器，然後再調節受控對象的輸出，從而形成閉環控制迴路。所以，閉環系統又稱為反饋控制系統，這種反饋稱為負反饋。與開環系統相比，閉環系統具有突出的優點，包括精度高、動態性能好、抗干擾能力強等。它的缺點是結構比較複雜，價格比較貴，對維修人員要求較高。

根據採用的信號處理技術不同分類

模擬控制系統，採用模擬技術處理信號的控制系統稱為模擬控制系統。

數字控制系統，採用數字技術處理信號的控制系統稱為數字控制系統。

根據輸入量是否恆定分類

輸入量是恆定的，這種控制系統我們一般稱之為恆值控制系統，如恆速電機、恆溫熱爐等。

輸出量隨着輸入量的變化而變化，這種控制系統稱為隨動系統。例如導彈自動瞄準系統等。

工作原理

檢測輸出量（被控制量）的實際值；將輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；

用偏差值產生控制調節作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。

性能要求

為了實現自動控制的基本任務，必須對系統在控制過程中表現出來的行為提出要求。對控制系統的基本要求，通常是通過系統對特定輸入信號的響應來滿足的。例如，用單位階躍信號的過渡過程及穩態的一些特徵值來表示。在確保穩定性的前提下，要求系 統的動態性能和穩態性能好，即：

動態過程平穩（穩定性）；

響應動作要快（快速性）；

跟蹤值要準確（準確性）。

控制系統已被廣泛應用於人類社會的各個領域。在工業方面，對於冶金、化工、機械製造等生產過程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等，都有相應的控制系統。在此基礎上通過採用數字計算機還建立起了控制性能更好和自動化程度更高的數字控制系統，以及具有控制與管理雙重功能的過程控制系統。在農業方面的應用包括水位自動控制系統、農業機械的自動操作系統等。

軍事技術

自動控制的應用實例有各種類型的伺服系統、火力控制系統、制導與控制系統等。在航天、航空和航海方面，除了各種形式的控制系統外，應用的領域還包括導航系統、遙控系統和各種仿真器。

其他

在辦公室自動化、圖書管理 、交通管理乃至日常家務方面，自動控制技術也都有着實際的應用。隨着控制理論和控制技術的發展，自動控制系統的應用領域還在不斷擴大，幾乎涉及生物、醫學、生態、經濟、社會等所有領域。

控制系統其實從20世紀40年代就開始使用了，早期的現場基地式儀表和後期的繼電器構成了控制系統的前身。以PLC和DCS為代表，從70年****始應用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業過程控制中獲得迅猛的發展。從90年****始，陸續出現了現場總線控制系統、基於PC的控制系統等，將簡要介紹各種常見的控制系統，並分析控制系統的演進過程和發展方向。

70年代中期，由於設備大型化、工藝流程連續性要求高、要控制的工藝參數增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求。在此情況下，業內廠商經過市場調查，確定開發的DCS產品應以模擬量反饋控制為主，輔以開關量的順序控制和模擬量開關量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業。

1975年前後，在原來採用中小規模集成電路而形成的直接數字控制器（DDC）的自控和計算機技術的基礎上，開發出了以集中顯示操作、分散控制為特徵的集散控制系統（DCS）。由於當時計算機並不普及，所以開發DCS應強調用戶可以不懂計算機就能使用DCS;同時，開發DCS還應強調向用戶提供整個系統。此外，開發的DCS應做到與中控室的常規儀表具有相同的技術條件，以保證可靠性、安全性。

在以後的近30年間，DCS先與成套設備配套，而後逐步擴大到工藝裝置改造上，與此同時，也分成大型DCS和中小型DCS兩類產品，使其性能價格比更具有競爭力。DCS產品雖然在原理上並沒有多少突破，但由於技術的進步、外界環境變化和需求的改變，共出現了三代DCS產品。1975年至80年代前期為第一代產品，80年代中期至90年代前期為第二代產品，90年代中期至21世紀初為第三代產品。

控制站

DCS系統中，控制站作為一個完整的計算機，它的主要I/O設備為現場的輸入、輸出處理設備，以及過程輸入/輸出（PI/O），包括信號變換與信號調理，A/D、D/A轉換。控制站是整個DCS的基礎，它的可靠性和安全性最為重要，死機和控制失靈的現象是絕對不允許的，而且冗餘、掉電保護、抗干擾、構成防爆系統等方面都應很有效而可靠，才能滿足用戶要求。

關於DCS控制站的系統軟件，包括實時操作系統、編程語言及編譯系統、數據庫系統、自診斷系統等，只是完善程度不同而已。第二代DCS控制站開始有面向過程語言和高級語言；第三代DCS控制站的系統軟件可以完成離線組態及在線修改控制策略。為了完成控制策略，對於順序控制和批量控制組態編程，各種DCS控制站採用不同的方法。

DCS操作站

DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級語言功能等，其中工程師功能中包括系統組態、系統維護、系統通用（Utility）功能，還有系統配置、操作標記、趨勢記錄、歷史數據管理、總貌畫面組態、控制站組態、工藝單元或區域組態等。

實際的DCS操作站是典型的計算機，它與控制站不同，有着豐富的外圍設備和人機界面。在人機界面方面，逐漸過渡為以GUI圖形用戶界面為平台並採用鼠標，組態時製作流程圖和控制迴路圖等採用菜單、窗口等，使人機界面友好。第三代DCS操作站是在個人計算機（PC）及Windows操作系統普及和通用監控圖形軟件已商品化的基礎上誕生的。DDE或OPC接口技術，以太網接口與管理網絡相連。DCS系統組態、操作站組態、控制站組態均有相應軟件，為DCS用戶的工程設計人員提供人機界面。有的DCS的採用通用監控圖形軟件，或以此類軟件為核心，進行二次開發。

數據通信及網絡

因為數據通信標準牽涉到網絡結構、通信介質（信道）、通信協議、IEEE802.4令牌總線傳輸方式和IEEE802.5令牌環網傳輸方式的通信協議在DCS系統中應用最廣，是否能夠成為今後DCS的通訊標準，還有待觀察。

發展問題

DCS所存在的問題，主要集中在3個方面：

1、即系統開放性問題;

2、與現場傳感器、變送器、執行器的接線問題；

3、價格較貴問題。

這些問題在第三代DCS中已開始得到解決。在21世紀，新一代的DCS應滿足用戶這方面的需求。

在DCS應用行業分布上，如對DCS產品進行改造，是可以保持其在這些行業中的地位的。

編程控制

PLC的誕生和發展

1968年，通用汽車公司的油壓部門確立了第一個可編程控制器的標準，他們的目的是消除既複雜又昂貴的繼電器控制系統。該設計規格需要固態系統和電腦技術，並要求能夠在工業環境中生存，也能夠方便地編程，並且可以重複使用。到1969年，第一個PLC誕生。當時稱為可編程控制器，英文是Programmable Controller，縮寫為PC。由於第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，採用了梯形圖語言作為編程方式，形成了工廠的編程標準。這些早期的控制器滿足了最初的要求，並且打開了新的控制技術的發展的大門。在很短的時間，PLC就迅速擴展到食品、飲料、金屬加工、製造和造紙等多個行業。

PLC通常根據CPU所帶的I/O點數的規模分為微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各種規模分類標準如附表所示。

一套典型的PLC通常包括CPU模塊、電源模塊和一些輸入/輸出模塊，這些模塊被插在一塊背板上。如果配置增加，可能會包括一個操作員界面、監控計算機、通訊模塊、軟件以及一些可選的特殊功能模塊。可編程控制器不僅容易安裝，占用空間小，能源消耗小，帶有診斷指示器可以幫助故障診斷，而且可以被重複使用到其它的項目中去。儘管有PLC的功能，如運行速度、接口種類、數據處理能力已經獲得了很大的提高，但PLC一直保持了其最初設計的原則，那就是簡單至上的原則。

今天的PLC

PLC的技術從誕生之日起，就不停地發展。這些發展不僅改進了PLC的設計，也改變了控制系統的設計理念。過去，PLC適用於離散過程控制，如開關、順序動作執行等場所，但隨着PLC的功能越來越強大，PLC也開始進入過程自動化領域。

PLC分類

PLC種類 外觀 典型I/O點數範圍 典型應用

微型PLC 固定I/O點，磚塊式 <32點 替代繼電器，分布式I/O

小型PLC 磚塊式，模塊式 33-128點 工業機器開關控制和商業用途

中型PLC 模塊式，小機架 129-512點 複雜機器控制和一些分布式系統

大型PLC 大機架 >513點分布式系統，監控系統

PC插卡式PLC ISA或PCI總線卡式 >129點機器控制，監控系統

PC兼容控制器 模塊式，大或小機架 >129點機器控制，監控系統

參考來源

控制系統簡介