[科普中国]-控制系统硬件

基本概念控制系统

控制系统，是指在没有人直接参与的情况下，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数按照预定规律运行的系统。控制系统是由软件和硬件共同构成的1。

控制系统硬件控制系统硬件，即在控制系统中的硬件元件或设备。在小型控制系统中，主要是指控制芯片、外围电路、小型电机、传感器等；在中大型工业控制系统中，主要指检测仪表、控制仪表、执行机构等。

基本类别分类按照使用场合，可以分为小型控制系统硬件，如在小型机器人、小型飞行器、小型智能设备中；以及中大型控制系统硬件，主要是在工业生产中使用。

按照硬件作用，可以分为检测传感器、控制器、执行器等。

小型控制系统小型控制系统中，硬件结构主要是“传感器-控制器-执行器”，其中传感器用来收集环境信息或自身工作状态信息，将这些信息传递到控制器中，控制器根据事先编写好的控制规律，对传感器传入的信息进行处理，生成控制量，控制量再传递给执行器，最终得以执行。

随着传感器种类和功能的丰富以及性能的提高，传感器能够给控制器反馈的信息越来越全面且精准，这也直接提高了整个控制系统的工作能力和效率；控制器主要是围绕微型控制单元搭建的控制电路，比如单片机最小系统、FPGA数字电路等；执行器主要是各种声光元件、电机舵机等。

中大型控制系统中大型控制系统主要指工业控制系统，在工业控制系统中，小型控制系统的硬件元件和设备难以满足复杂的工业作业环境，因此在工业控制系统中，虽然控制系统的结构基本相同，但是硬件上会有相应的改变2，如图为基本过程控制系统结构示意图。

不同于小型的传感器，工业中用于收集信息的多是较大的检测仪表，检测仪表用于检测生产过程中的种种物理量，如温度、压力、流量、物位、成分等；控制仪表通常分为模拟和数字两种，模拟控制仪表有如DDZ-Ⅱ和DDZ-Ⅲ型，数字控制仪表主要是数字PID控制器，此外还有一种常用的工业控制器——可编程逻辑控制器（PLC）；执行器主要是阀门和转换器，传统的阀门是气动调节阀，新型阀门主要是电动调节阀和智能调节阀，其中转换器用于将气动信号和电信号进行转换。

除了几个基本部分，为了保证生产安全，工业控制系统中还会引入安全栅等安全设备。

计算机控制系统随着计算机技术的发展和数字元器件的丰富，在很多场合，不仅是一些工业领域，在各个领域如楼宇自动化、智能家居、智能城市、航空航天等，计算机控制系统占有越来越大的比重。在计算机控制系统中，计算机是整个系统硬件上的核心控制部分。

常见控制系统硬件控制系统的核心硬件是主控板或控制器，用以收集信息的硬件是传感器或检测仪表，以来实现控制结果的是执行器。

主控板主控板是指在一个嵌入式设备中，用来处理信息和数据并控制系统运作的核心板件。主控板一般由处理芯片和外设构成，处理芯片有微型处理器MPU、微型控制器MCU（单片机）、数字信号处理器DSP等，负责处理信息和数据；外设有存储单元、外部接口、外部晶振、开关元件、电阻电容、数模/模数转换器等，用来将处理结果和外部设备相交换。

除了传统的主控板结构，现在有很多系统级处理器设计或先进智能处理器技术等，如片上系统SoC、片上多核处理器CMP、流处理器SP等。

以主控板为核心控制硬件的场合多是在嵌入式设备中，目前最主要的几种嵌入式处理器为：

ARM处理器

ARM处理器由全球领先的32位RISC微处理器知识产权（IP）供应商ARM公司研发，其主要特点为：体积小、低功耗、成本低、性能高、16/32位双指令集、市场份额大。

MIPS处理器

MIPS处理器由设计和制造高性能、高档32/64位处理器的MIPS技术公司研发，其主要研发重心在嵌入式系统上。其主要特点是高性能、定位广、64位指令集。

PowerPC处理器

PowerPC是摩托罗拉公司和IBM公司联合为苹果公司开发的处理器芯片，其特点是可伸缩性好、灵活度高、应用广泛。

Intel Atom处理器

由英特尔公司研发，特点是低功耗、体积小、处理能力强，详见（Atom处理器）3。

工业控制器工业控制器主要有模拟式控制器、数字式控制器和可编程控制器2。

DDZ-Ⅲ型模拟式控制器是一种主流的模拟式控制器，采用了集成电路和安全火花型防爆结构，和前两代（基于电子管和晶体管）相比，精度、可靠性和安全性都更高。该仪表的规格为：现场传输信号DC4~20mA，控制室联络信号DC1~5V，信号电流与电压的转换电阻为250Ω。

整个控制器主要由以下及部分构成：输入电路、PID运算电路、输出电路、内给定电路、指示电路、软/硬手操电路等。

数字式控制器有几种常用品种，以单回路可编程调节器SLPC为例。该机型是YS-80系列代表机型，由CPU、ROM、RAM、D/A转换器以及输入输出接口、通信接口、人机接口等几部分组成。

可编程逻辑控制器PLC是基于微机技术解决生产中大量开关顺序控制问题，在电气控制中，和传统继电器控制系统相比，PLC最大的优点为可编程，使其灵活性更高、可读可修改性更强、更可靠4。其主要结构为CPU、存储器、输入输出接口等，内部用总线进行数据传输。

传感器和检测仪表同功能的小型传感器和工业检测仪表的原理基本相同，都是基于物理规律或化学反应的。无论是小型嵌入式控制系统还是中大型工业控制系统，主要的检测内容都是温度、压力、流量、物位、成分等环境或系统状态信息。以下将对几种常用的检测硬件进行罗列。

温度检测：热电偶、热电阻、集成传感器等；

压力检测：弹性压力计、电气压力计等；

流量检测：差压式、转子式、靶式、椭圆齿轮式（精度在几种中是最高的）、涡流式等；

物位检测：差压式、电容式、超声波式等；

成分检测：可燃气体传感器、氧化锆氧量计、气相色谱分析仪、红外气体分析仪、工业酸度计等；

其他检测：光敏电阻（光强检测）、各种摄像头（图像检测）、声敏元件（声音检测）。

执行器在嵌入式控制系统中，充当执行环节的硬件主要是声光装置（如LED灯、扬声器、显示屏灯）、各种小型电机和舵机等；而在工业控制系统中，充当执行环节的硬件主要是控制阀、大型电机等。