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。
基本介紹
基本概念,分類,工作原理,性能要求,套用領域,工業方面,軍事技術,其他,集散控制,發展歷程,控制站,DCS操作站,數據通信及網路,發展問題,編程控制,今天的PLC,PLC分類,PLC的硬體進展,PLC的軟體進展,PLC的未來發展,常見控制系統,現場匯流排控制系統,開放式控制系統,電氣控制系統,第一種控制系統,第二種控制系統,控制系統拓展,
基本概念
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式。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。
分類
控制系統有幾種分類方法
開環控制系統
在開環控制系統中，系統輸出只受輸入的控制，控制精度和抑制干擾的特性都比較差。開環控制系統中，基於按時序進行邏輯控制的稱為順序控制系統；由順序控制裝置、檢測元件、執行機構和被控工業對象所組成。主要套用於機械、化工、物料裝卸運輸等過程的控制以及機械手和生產自動線。
閉環控制系統
閉環控制系統是建立在反饋原理基礎之上的，利用輸出量同期望值的偏差對系統進行控制，可獲得比較好的控制性能。閉環控制系統又稱反饋控制系統。
2、按給定信號分類，自動控制系統可分為恆值控制系統、隨動控制系統和程式控制系統。
恆值控制系統
給定值不變，要求系統輸出量以一定的精度接近給定希望值的系統。如生產過程中的溫度、壓力、流量、液位高度、電動機轉速等自動控制系統屬於恆值系統。
隨動控制系統
給定值按未知時間函式變化，要求輸出跟隨給定值的變化。如跟隨衛星的雷達天線系統。程式控制系統
控制系統
控制系統給定值按一定時間函式變化。如程控工具機。
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回響來滿足的。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）；
回響動作要快（快速性）；
跟蹤值要準確（準確性）。
套用領域
工業方面
工業鍋爐控制系統軍事技術
自動控制的套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，套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著實際的套用。隨著控制理論和控制技術的發展，自動控制系統的套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。
集散控制
發展歷程
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****始套用以來，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，陸續出現了現場匯流排控制系統、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積體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，當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控制站的系統軟體，包括實時作業系統、程式語言及編譯系統、資料庫系統、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控制站的系統軟體可以完成離線組態及線上修改控制策略。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
實際的DCS操作站是典型的計算機，它與控制站不同，有著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滑鼠，組態時製作流程圖和控制迴路圖等採用選單、視窗等，使人機界面友好。第三代DCS操作站是在個人計算機（PC）及Windows作業系統普及和通用監控圖形軟體已商品化的基礎上誕生的。DDE或OPC接口技術，乙太網接口與管理網路相連。DCS系統組態、操作站組態、控制站組態均有相應軟體，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體，或以此類軟體為核心，進行二次開發。
控制系統
控制系統數據通信及網路
因為數據通信標準牽涉到網路結構、通信介質（信道）、通信協定、IEEE802.4令牌匯流排傳輸方式和IEEE802.5令牌環網傳輸方式的通信協定在DCS系統中套用最廣，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、與現場感測器、變送器、執行器的接線問題；
3、價格較貴問題[1]。
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套用行業分布上，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。
1、即系統開放性問題;
2、與現場感測器、變送器、執行器的接線問題；
3、價格較貴問題[1]。
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套用行業分布上，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程式控制器的標準，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。當時稱為可程式控制器，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模組、電源模組和一些輸入/輸出模組，這些模組被插在一塊背板上。如果配置增加，可能會包括一個操作員界面、監控計算機、通訊模組、軟體以及一些可選的特殊功能模組。可程式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，但隨著PLC的功能越來越強大，PLC也開始進入過程自動化領域。
控制系統PLC分類
PLC種類 外觀 典型I/O點數範圍 典型套用
微型PLC 固定I/O點，磚塊式 <32點 替代繼電器，分散式I/O
小型PLC 磚塊式，模組式 33-128點 工業機器開關控制和商業用途
中型PLC 模組式，小機架 129-512點 複雜機器控制和一些分散式系統
大型PLC 大機架 >513點分散式系統，監控系統
PC插卡式PLC ISA或PCI匯流排卡式 >129點機器控制，監控系統
PC兼容控制器 模組式，大或小機架 >129點機器控制，監控系統
PLC的硬體進展
以下列出了PLC的硬體進展：
·採用新的先進的微處理器和電子技術達到快速的掃描時間;·小型的、低成本的PLC，可以代替四到十個繼電器;
乾熄焦控制系統
乾熄焦控制系統·高密度的I/O系統，以低成本提供了節省空間的接口;
·包括輸入輸出模組和端子的結構設計改進，使端子更加集成；
·特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上，如熱電偶、熱電阻、應力測量、快速回響脈衝等；
·外部設備改進了操作員界面技術，系統文檔功能成為了PLC的標準功能。
以上這些硬體的改進，導致了PLC的產品系列的豐富和發展，使PLC從最小的只有10個I/O點的微型PLC，到可以達到8000點的大型PLC，應有盡有。這些產品系列，用普通的I/O系統和編程外部設備，可以組成區域網路，並與辦公網路相連。整個PLC的產品系列概念對於用戶來說，是一個非常節約成本的控制系統概念。
PLC的軟體進展
與硬體的發展相似，PLC的軟體也取得了巨大的進展，大大強化了PLC的功能:
·PLC引入了面向對象的編程工具，並且根據國際電工委員會的IEC61131-3的標準形成了多種語言;
· 小型PLC也提供了強大的編程指令，並且因此延伸了套用領域;
·高級語言，如BASIC，C在某些控制器模組中已經可以實現，在與外部通訊和處理數據時提供了更大的編程靈活性;
·梯形圖邏輯中可以實現高級的功能塊指令，可以使用戶用簡單的編程方法實現複雜的軟體功能;
·診斷和錯誤檢測功能從簡單的系統控制器的故障診斷擴大到對所控制的機器和設備的過程和設備診斷;
·浮點算術可以進行控制套用中計量、平衡和統計等所牽涉的複雜計算;
·數據處理指令得到簡化和改進, 可以進行涉及大量數據存儲、跟蹤和存取的複雜控制和數據採集和處理功能。
儘管PLC比原來複雜了很多，但是，他們依然保持了令人吃驚的簡單性，對操作員來說，今天的高功能的PLC與30年前的PLC一樣那么容易操作，甚至更為簡單。
PLC的未來發展
PLC的未來發展不僅取決與產品本身的發展，還取決於PLC與其它控制系統和工廠管理設備的集成情況。PLC通過網路，被集成到計算機集成製造（CIM）系統中，把他們的功能和資源與數控技術、機器人技術、CAD/CAM技術、個人計算機系統、管理信息系統以及分層軟體系統結合起來，在工廠的未來發展中，將占據重要的地位。 新的PLC的技術進展包括，更好的操作員界面，圖形用戶界面（GUI），人機界面，也包括與設備、硬體和軟體的接口，並支持人工智慧比如邏輯I/O系統等。軟體進展將採用廣泛使用的通訊標準提供不同設備的連線，新的PLC指令將立足於增加PLC的智慧型性，基於知識的學習型的指令也將逐步被引入，以增加系統的能力。可以肯定的是，未來的工廠自動化中，PLC將肯定占據重要的地位，控制策略將被智慧型地分布開來，而不是集中，超級PLC將在需要複雜運算、網路通信和對小型PLC和機器控制器的監控的套用中獲得使用。
常見控制系統
現場匯流排控制系統
控制系統
1、現場匯流排的特點
現場匯流排的突出特點在於它把集中與分散相結合的DCS集散控制結構，變成新型的全分散式結構，把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智慧型設備本身實現基本控制功能。現場匯流排的特點主要表現以下幾個方面:
（1） 以數位訊號完全取代傳統的模擬信號
以數位訊號完全取代傳統DCS的4～20mA模擬信號，且雙向傳輸信號。一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大為減少。同時，通信匯流排延伸到現場感測器、變送器、控制器和伺服機構，操作人員在控制室就能實現主控系統對現場設備的線上監視、診斷、校驗和參數整定，節省了硬體數量與投資。
（2）現場匯流排實現了結構上的徹底分散
現場匯流排在結構上只有現場設備和操作管理站2個層次，將傳統DCS的I/O控制站併入現場智慧型設備，取消了I/O模件，現場儀表都是內裝微處理器的，輸出的結果直接送到鄰近的調節閥上，完全不需要經過控制室主控系統，實現了結構上的徹底分散。
（3） 匯流排網路系統是開放的
將系統集成的權力交給用戶，用戶可以按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產品組成規模各異的系統。可以用不同廠家的現場儀表去替換出現故障的另一廠家的現場儀表。
2、當前的現場匯流排標準
現場匯流排技術是從80年代後期誕生的網路通信技術，經歷十幾年左右的發展，國際上出現了幾個有代表性的現場匯流排標準和幾個系列產品，較流行的有:
（1）基金會現場匯流排（Foundation Fieldbus）
在現場匯流排標準的研究制訂過程中，出現過多種企業集團或組織，通過不斷的競爭，到1994年在國際上基本上形成了兩大陣營，ISP協定為首，聯合歐洲150家公司制訂的World FIP協定。這兩大集團於1994年合併，成立現場匯流排基金會（Fieldbus Foundation,FF），致力於開發國際上統一的現場匯流排協定。FF的協定符合IEC1158-2標準，也稱為SP50標準。
（2） Profibus現場匯流排
（3） LonWork（Local Operating Network局部操作網）現場匯流排
於1990年正式推出的。它採用ISO/OSI模型的全部7層協定，採用了面向對象的設計方法，通過網路變數把網路通信設計簡化為參數設定，其最大傳輸速率為1.5Mbps,傳輸距離為2700m，傳輸介質可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等。
（4）控制區域網路（Control Area Network，CAN）控制網路
3、現場匯流排的未來
現場總路線將成為工業控制發展的革命性飛躍，有關現場匯流排的報導層出不窮，其中令人關注的焦點集中在能否出現全世界統一的現場匯流排標準。
不同的現場匯流排有不同的功能，各有其適用的場合，靠一種現場匯流排打天下的想法看來不太現實。當然，從另一方面來講，相當一部分現場匯流排是大同小異的，技術上非常接近，在優勝劣汰的環境下同類匯流排終將趨於統一。但商業利益上的激烈競爭是這個問題的主要原因，對於現場匯流排形成巨大影響的自動化廠商，因為要儘可能維護自身的地位和利益而不願放棄其已擁有的現場匯流排;因此，在未來較長的一段時間內，現場匯流排標準之爭會越演越烈。
開放式控制系統
控制系統
1、開放性控制系統的概念
長期以來，製造與生產企業所採用控制系統大多是專用的、封閉的體系結構，其構成系統的硬體是按照各自的標準度身定製的。無論是DCS，PLC還是FCS，雖然它們具有結構簡單、技術成熟、產品批量大等優點，但相對日新月異的生產要求，也越來越暴露出其固有的缺點。在許多情況下,當用戶要想進行功能上的擴展或變化時，都必須求助於系統的提供商，如想把特殊要求融入到控制系統中去時，都是比較困難的。這無形中不僅提高了製造企業的成本，也成為控制系統升級換代的“瓶頸”。
由於市場競爭越來越劇烈，從而要求製造商具有較強的市場適應能力，這一趨勢促成了一個新概念的產生，即模組化、可重構、可擴充的軟硬體系統，這就是開放式控制系統。這一系統為製造廠提供了將其技術與任何第三方的技術或產品進行集成的可能性。
2、國際控制系統製造商的開放路線
據國際權威機構美國自動化市場研究公司ARC（Automation Research Corp.）調查預計，在亞洲，基於PC的控制系統、乙太網的I/O模件等開放式系統的銷售額預計近兩年的增幅達到145%，所以，可見在控制系統市場中，開放系統的增長率遠遠高於傳統的控制系統。
幾乎所有的製造商都已認識到了開放系統必將是自動化系統的未來。在任何一家控制系統製造商的新產品樣本中，都可以看到“開放性”的字樣。但是，他們的開放性通常都是在原有的系統上層加上一些接口實現局部的互連和通信，並非真正意義上的開放。不要說控制器的底層，就是在操作站這一層，他們在實現與外界通信方面存在著重重困難。這種狀況的產生並不是由於他們無法開發出全開放的系統，而是出於其產品戰略考慮不願也不能這樣做。儘管開放式控制系統的市場增長率較高，但由於絕對值還不大，製造商不願放棄已經現成的數十倍的市場。
但這些公司對於開放式系統市場並非採取坐視不理、惟我獨尊的態度。各個公司均在考慮用現有的產品組合出形式上的“開放式”系統。如西門子的PCS7和 WinAC，實際上就是用工控機下掛S7的PLC而組成的概念性的系統，典型地表示了其一方面不想在開放式系統領域落後於他人，同時又不想失去老用戶的複雜情結。類似的還有Rockwell-AB的ControlLogic，Fisher-rosemount的Delta-V等等，都是將原有的專用系統加上“開放”的標籤。他們的目的都是相同的，那就是既不錯過開放式系統這班航船，又可以將原有的系統儘量多地銷售出去。全力致力於真正開放式系統開發的反而是一些新興的相對較小的公司如美國的Opto22，SoftPLC，Controlsoft以及英國的Transmitton等等。這些公司沒有過去的包袱，所開發的產品的市場目標也不存在搶自己飯碗的問題，所以他們可以沒有後顧之憂地宣傳。由於他們的產品是充分考慮了開放性的，今後將成為開放性控制系統的新的生力軍。
3、國際開放式系統研究存在的問題
其次，沒有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型作業系統。軟體開發思想與技術落後，始終處於甚至低於結構化程式設計的水平。沒有充分利用面向對象、軟體重用等軟體工程中的新理論、新技術，而這些正是實現開放性控制系統的關鍵所在。
此外，產品的升級、更新、修改和維修仍然依賴於生產廠家，沒有提供相應的開發工具和環境，用戶無法把自己的或任何第三方的思想或產品融入到系統中去。
PC-BASED控制系統
歷史上，VME匯流排工業控制機一直是許多嵌入式套用的首選機型[6]。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司發明了VME匯流排，1996年的新標準VME64（ANSI/VITA1-1994）將匯流排數據寬度提升到64位，最大數據傳輸速度為80Mbps。由Force Computers制定的VME64x匯流排規範將匯流排速度提高到了320Mbps。VME匯流排工控機是實時控制平台，大多數運行的是實時作業系統，並由OS製造商提供專用的軟體開發工具開發應用程式。VME匯流排最新產品已經採用了500MHz的Pentium Ⅲ處理器。
由於用戶希望使用與所熟悉的桌面PC機相同的作業系統和開發工具，導致了開放式桌面PC在工業環境中的直接套用。除了VME匯流排工控機外，產生了一系列基於PC的、與ISA/PCI匯流排標準兼容的嵌入式工控機，其中比較有代表性的是CompactPCI/PXI匯流排、AT96匯流排、STD匯流排、STD32匯流排、 PC/104和PC/104-Plus匯流排嵌入式工業控制機。
隨著Intel CPU和Microsoft DOS/WINDOWS架構演變成事實上的標準（Wintel），ISA/PCI匯流排加固型工業PC（IPC）開始向工業領域滲透。然而，雖然加固型工控機對基於大母板的桌面機進行了工業化改造，但其背板技術仍然存在許多缺點：不良的熱設計、不良的連線方式、不標準的模板尺寸和有限的PCI插槽數（最大4個）等。因此。
1995年6月PCI SIG正式公布了PCI局部匯流排規範2.1版，同時PICMG推出了第一個標準PCI/ISA無源背板匯流排標準。為了將PCI SIG的PCI匯流排規範用在工業控制計算機系統，1995年11月PCI工業計算機製造者聯合會（PICMG）頒布了CompactPCI規範1.0版。由於CPCI匯流排工控機良好地解決了可靠性和可維護性問題，而且基於Microsoft的軟體和開發工具的價位比較低，所以，CPCI工控機得以迅速打入嵌入式產品市場。但相對於PCI/ISA加固型工控機而言，由於總體成本高、技術開發難度大、無源背板定義並不完全統一導致模板配套性差、電磁兼容性設計要求高等因素，CompactPCI工控機在工業過程控制領域並未得到實際套用，反而在電信市場獲得廣泛套用。
電氣控制系統
電氣控制系統一般稱為電氣設備二次控制迴路，不同的設備有著不同的控制迴路，主要分高壓電氣設備與低壓電氣設備的控制方式。
控制方法
根據設備不同的要求，電氣控制方法很多，包括以下幾個方面的控制：
1、由繼電器接觸器控制
2、觸點控制
3、無觸點邏輯控制
4、可程式控制
5、控制器控制
電氣控制系統設計方案
控制要求：電氣控制系統設計出要充分能滿足現場對控制設備的需求，主要設計需考慮到實現簡便、可靠、經濟、適用等特點，以保證控制方式與控制需要相適應，與通用化程度相適應，以及充分滿足工藝要求，具有良好的通用性和靈活性。
第一種控制系統
單片機+PC聯合作用的控制系統。單片機的成本更低?但更輕便?更能靈活的嵌入硬體切割機內。但單片機的最大缺點是處理能力不夠強大,所以很多很複雜的控制程式必須要單片機結合PC來共同完成,也就是說對於那些負責的運算或者很複雜的切割式樣,單獨依靠單片機還有一定的設計難度。
第二種控制系統
以PC作為處理平台的控制系統。這種控制系統是最容易設計也是最容易實現的,靈活性高,原因是基於PC為處理平台的控制器可以有著豐富和大家都很熟悉的軟硬體資源,所以這樣的控制平台設計性很強大,運作性能也很強大?如果能充分的利用PC軟硬體資源,設計靈活和複雜的控制程式顯得輕而易舉。但缺點是這種控制系統不能脫離PC獨立運行,所以相對來說成本會顯得比其他方式更貴點
控制系統拓展
基於電磁感測器路徑識別的智慧型車控制系統
