控制系統硬體

控制系統硬體，即在控制系統中的硬體元件或設備，是和控制系統的軟體相對應的概念。

基本介紹

• 中文名：控制系統硬體
• 外文名：Hardware in Control Systems
• 相關領域：自動化、控制系統、計算機硬體等
• 基本概念：控制系統中的硬體元件或設備
• 常見構成：檢測硬體、控制硬體、執行硬體
• 實際作用：搭載並實現控制系統

基本概念

控制系統

控制系統，是指在沒有人直接參與的情況下，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數按照預定規律運行的系統。控制系統是由軟體和硬體共同構成的。

控制系統硬體

控制系統硬體，即在控制系統中的硬體元件或設備。在小型控制系統中，主要是指控制晶片、外圍電路、小型電機、感測器等；在中大型工業控制系統中，主要指檢測儀表、控制儀表、執行機構等。

基本類別

分類

按照使用場合，可以分為小型控制系統硬體，如在小型機器人、小型飛行器、小型智慧型設備中；以及中大型控制系統硬體，主要是在工業生產中使用。

按照硬體作用，可以分為檢測感測器、控制器、執行器等。

小型控制系統

小型控制系統中，硬體結構主要是“感測器-控制器-執行器”，其中感測器用來收集環境信息或自身工作狀態信息，將這些信息傳遞到控制器中，控制器根據事先編寫好的控制規律，對感測器傳入的信息進行處理，生成控制量，控制量再傳遞給執行器，最終得以執行。

隨著感測器種類和功能的豐富以及性能的提高，感測器能夠給控制器反饋的信息越來越全面且精準，這也直接提高了整個控制系統的工作能力和效率；控制器主要是圍繞微型控制單元搭建的控制電路，比如單片機最小系統、FPGA數字電路等；執行器主要是各種聲光元件、電機舵機等。

中大型控制系統

中大型控制系統主要指工業控制系統，在工業控制系統中，小型控制系統的硬體元件和設備難以滿足複雜的工業作業環境，因此在工業控制系統中，雖然控制系統的結構基本相同，但是硬體上會有相應的改變，如圖為基本過程控制系統結構示意圖。

不同於小型的感測器，工業中用於收集信息的多是較大的檢測儀表，檢測儀表用於檢測生產過程中的種種物理量，如溫度、壓力、流量、物位、成分等；控制儀表通常分為模擬和數字兩種，模擬控制儀表有如DDZ-Ⅱ和DDZ-Ⅲ型，數字控制儀表主要是數字PID控制器，此外還有一種常用的工業控制器——可程式邏輯控制器（PLC）；執行器主要是閥門和轉換器，傳統的閥門是氣動調節閥，新型閥門主要是電動調節閥和智慧型調節閥，其中轉換器用於將氣動信號和電信號進行轉換。

除了幾個基本部分，為了保證生產安全，工業控制系統中還會引入安全柵等安全設備。

計算機控制系統

隨著計算機技術的發展和數字元器件的豐富，在很多場合，不僅是一些工業領域，在各個領域如樓宇自動化、智慧型家居、智慧型城市、航空航天等，計算機控制系統占有越來越大的比重。在計算機控制系統中，計算機是整個系統硬體上的核心控制部分。

常見控制系統硬體

控制系統的核心硬體是主控板或控制器，用以收集信息的硬體是感測器或檢測儀表，以來實現控制結果的是執行器。

主控板

主控板是指在一個嵌入式設備中，用來處理信息和數據並控制系統運作的核心板件。主控板一般由處理晶片和外設構成，處理晶片有微型處理器MPU、微型控制器MCU（單片機）、數位訊號處理器DSP等，負責處理信息和數據；外設有存儲單元、外部接口、外部晶振、開關元件、電阻電容、數模/模數轉換器等，用來將處理結果和外部設備相交換。

除了傳統的主控板結構，現在有很多系統級處理器設計或先進智慧型處理器技術等，如片上系統SoC、片上多核處理器CMP、流處理器SP等。

以主控板為核心控制硬體的場合多是在嵌入式設備中，目前最主要的幾種嵌入式處理器為：

1. ARM處理器
   
2. ARM處理器由全球領先的32位RISC微處理器智慧財產權（IP）供應商ARM公司研發，其主要特點為：體積小、低功耗、成本低、性能高、16/32位雙指令集、市場份額大。
   
3. MIPS處理器
   MIPS處理器由設計和製造高性能、高檔32/64位處理器的MIPS技術公司研發，其主要研發重心在嵌入式系統上。其主要特點是高性能、定位廣、64位指令集。
   
4. PowerPC處理器
   PowerPC是摩托羅拉公司和IBM公司聯合為蘋果公司開發的處理器晶片，其特點是可伸縮性好、靈活度高、套用廣泛。
   
5. Intel Atom處理器
   由英特爾公司研發，特點是低功耗、體積小、處理能力強，詳見（Atom處理器）。
   

工業控制器

工業控制器主要有模擬式控制器、數字式控制器和可程式控制器。

1. DDZ-Ⅲ型模擬式控制器是一種主流的模擬式控制器，採用了積體電路和安全火花型防爆結構，和前兩代（基於電子管和電晶體）相比，精度、可靠性和安全性都更高。該儀表的規格為：現場傳輸信號DC4~20mA，控制室聯絡信號DC1~5V，信號電流與電壓的轉換電阻為250Ω。
   整個控制器主要由以下及部分構成：輸入電路、PID運算電路、輸出電路、內給定電路、指示電路、軟/硬手操電路等。
   
2. 數字式控制器有幾種常用品種，以單迴路可程式調節器SLPC為例。該機型是YS-80系列代表機型，由CPU、ROM、RAM、D/A轉換器以及輸入輸出接口、通信接口、人機接口等幾部分組成。
   
3. 可程式邏輯控制器PLC是基於微機技術解決生產中大量開關順序控制問題，在電氣控制中，和傳統繼電器控制系統相比，PLC最大的優點為可程式，使其靈活性更高、可讀可修改性更強、更可靠。其主要結構為CPU、存儲器、輸入輸出接口等，內部用匯流排進行數據傳輸。
   

感測器和檢測儀表

同功能的小型感測器和工業檢測儀表的原理基本相同，都是基於物理規律或化學反應的。無論是小型嵌入式控制系統還是中大型工業控制系統，主要的檢測內容都是溫度、壓力、流量、物位、成分等環境或系統狀態信息。以下將對幾種常用的檢測硬體進行羅列。

1. 溫度檢測：熱電偶、熱電阻、集成感測器等；
   
2. 壓力檢測：彈性壓力計、電氣壓力計等；
   
3. 流量檢測：差壓式、轉子式、靶式、橢圓齒輪式（精度在幾種中是最高的）、渦流式等；
   
4. 物位檢測：差壓式、電容式、超音波式等；
   
5. 成分檢測：可燃氣體感測器、氧化鋯氧量計、氣相色譜分析儀、紅外氣體分析儀、工業酸度計等；
   
6. 其他檢測：光敏電阻（光強檢測）、各種攝像頭（圖像檢測）、聲敏元件（聲音檢測）。
   

執行器

在嵌入式控制系統中，充當執行環節的硬體主要是聲光裝置（如LED燈、揚聲器、顯示屏燈）、各種小型電機和舵機等；而在工業控制系統中，充當執行環節的硬體主要是控制閥、大型電機等。