工作原理
檢測輸出量（被控制量）的實際值；将輸出量的實際值與給定值（輸入量）進行比較得出偏差；
用偏差值産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号的響應來滿足的。例如，用單位階躍信号的過渡過程及穩态的一些特征值來表示。在确保穩定性的前提下，要求系統的動态性能和穩态性能好，即：
動态過程平穩（穩定性）；
響應動作要快（快速性）；
跟蹤值要準确（準确性）。
應用領域
工業方面
在工業方面，對于冶金、化工、機械制造等生産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。在此基礎上通過采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。随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、生态、經濟、社會等所有領域。
集散控制
發展曆程
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、基于PC的控制系統等，将簡要介紹各種常見的控制系統，并分析控制系統的演進過程和發展方向。
70年代中期，由于設備大型化、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，業内廠商經過市場調查，确定開發的DCS産品應以模拟量反饋控制為主，輔以開關量的順序控制和模拟量開關量混合型的批量控制，它們可以複蓋煉油、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，在原來采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、分散控制為特征的集散控制系統（DCS）。由于當時計算機并不普及，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兩類産品，使其性能價格比更具有競争力。DCS産品雖然在原理上并沒有多少突破，但由于技術的進步、外界環境變化和需求的改變，共出現了三代DCS産品。1975年至80年代前期為第一代産品，80年代中期至90年代前期為第二代産品，90年代中期至21世紀初為第三代産品。
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），包括信号變換與信号調理，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、抗幹擾、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。
關于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，隻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态及在線修改控制策略。為了完成控制策略，對于順序控制和批量控制組态編程，各種DCS控制站采用不同的方法。
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态、系統維護、系統通用（Utility）功能，還有系統配置、操作标記、趨勢記錄、曆史數據管理、總貌畫面組态、控制站組态、工藝單元或區域組态等。
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并采用鼠标，組态時制作流程圖和控制回路圖等采用菜單、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系統組态、操作站組态、控制站組态均有相應軟件，為DCS用戶的工程設計人員提供人機界面。有的DCS的采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
因為數據通信标準牽涉到網絡結構、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的通訊标準，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産品進行改造，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确立了第一個可編程控制器的标準，他們的目的是消除既複雜又昂貴的繼電器控制系統。該設計規格需要固态系統和電腦技術，并要求能夠在工業環境中生存，也能夠方便地編程，并且可以重複使用。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。由于第一代PLC是為了取代繼電器的，因此，采用了梯形圖語言作為編程方式，形成了工廠的編程标準。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并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、制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。各種規模分類标準如附表所示。
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闆上。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。盡管有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适用于離散過程控制，如開關、順序動作執行等場所，但随着PLC的功能越來越強大，PLC也開始進入過程自動化領域。
PLC的硬件進展
以下列出了PLC的硬件進展：
采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；
高密度的I/O系統，以低成本提供了節省空間的接口；
基于微處理器的智能I/O接口擴展了分布式控制能力，典型的接口如PID、網絡、CAN總線、現場總線、ASCII通信、定位，主機通訊模塊和語言模塊（如BASIC，PASCALC）等；
包括輸入輸出模塊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、快速響應脈沖等；
外部設備改進了操作員界面技術，系統文檔功能成為了PLC的标準功能。
以上這些硬件的改進，導緻了PLC的産品系列的豐富和發展，使PLC從最小的隻有10個I/O點的微型PLC，到可以達到8000點的大型PLC，應有盡有。這些産品系列，用普通的I/O系統和編程外部設備，可以組成局域網，并與辦公網絡相連。整個PLC的産品系列概念對于用戶來說，是一個非常節約成本的控制系統概念。
PLC的軟件進展
與硬件的發展相似，PLC的軟件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，并且根據國際電工委員會的IEC61131-3的标準形成了多種語言；
小型PLC也提供了強大的編程指令，并且因此延伸了應用領域；
高級語言，如BASIC，C在某些控制器模塊中已經可以實現，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件功能；
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應用中計量、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采集和處理功能。
盡管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一樣那麼容易操作，甚至更為簡單。
PLC的未來發展
PLC的未來發展不僅取決與産品本身的發展，還取決于PLC與其它控制系統和工廠管理設備的集成情況。PLC通過網絡，被集成到計算機集成制造（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件系統結合起來，在工廠的未來發展中，将占據重要的地位。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、硬件和軟件的接口，并支持人工智能比如邏輯I/O系統等。軟件進展将采用廣泛使用的通訊标準提供不同設備的連接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知識的學習型的指令也将逐步被引入，以增加系統的能力。可以肯定的是，未來的工廠自動化中，PLC将肯定占據重要的地位，控制策略将被智能地分布開來，而不是集中，超級PLC将在需要複雜運算、網絡通信和對小型PLC和機器控制器的監控的應用中獲得使用。
各個系統
現場總線控制系統
控制系統
1、現場總線的特點
現場總線的突出特點在于它把集中與分散相結合的DCS集散控制結構，變成新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能設備本身實現基本控制功能。現場總線的特點主要表現以下幾個方面:
（1）以數字信号完全取代傳統的模拟信号
以數字信号完全取代傳統DCS的4～20mA模拟信号，且雙向傳輸信号。一對雙絞線或一條電纜上通常可挂接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大為減少。同時，通信總線延伸到現場傳感器、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在線監視、診斷、校驗和參數整定，節省了硬件數量與投資。
（2）現場總線實現了結構上的徹底分散
現場總線在結構上隻有現場設備和操作管理站2個層次，将傳統DCS的I/O控制站并入現場智能設備，取消了I/O模件，現場儀表都是内裝微處理器的，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）總線網絡系統是開放的
将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産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、當前的現場總線标準
現場總線技術是從80年代後期誕生的網絡通信技術，經曆十幾年左右的發展，國際上出現了幾個有代表性的現場總線标準和幾個系列産品，較流行的有:
（1）基金會現場總線（Foundation Fieldbus）
在現場總線标準的研究制訂過程中，出現過多種企業集團或組織，通過不斷的競争，到1994年在國際上基本上形成了兩大陣營，ISP協議為首，聯合歐洲150家公司制訂的World FIP協議。這兩大集團于1994年合并，成立現場總線基金會（Fieldbus Foundation,FF），緻力于開發國際上統一的現場總線協議。FF的協議符合IEC1158-2标準，也稱為SP50标準。
（2）Profibus現場總線
它是作為德國國家标準和歐洲國家标準的現場總線标準。研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理層、數據鍊路層。現場總線信息規範（FMS）型則隻隐去了OSI标準的第三至第六層，采用了應用層。
（3）LonWork（Local Operating Network局部操作網）現場總線
于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7層協議，采用了面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，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）控制局域網（Control Area Network，CAN）控制網絡
用于汽車内部測量與執行部件之間的數據通信。CAN結構模型取ISO/OSI模型的第1、2、7層協議，即物理層、數據鍊路層和應用層。
此外還值得一提的是，可尋址遠程傳感器數據公路（Highway Addressable Remote Transducer，HART）協議，最早推出的一種兼容4~20mA模拟信号和調制數字信号的現場總線協議。其數字通信由于采用調制/解調方式，屬于模拟系統向數字系統轉變過程中的過渡産品，因而在當前的過渡時期具有較強的競争力，得到了較快的發展。
3、現場總線的未來
現場總路線将成為工業控制發展的革命性飛躍，有關現場總線的報道層出不窮，其中令人關注的焦點集中在能否出現全世界統一的現場總線标準。
不同的現場總線有不同的功能，各有其适用的場合，靠一種現場總線打天下的想法看來不太現實。當然，從另一方面來講，相當一部分現場總線是大同小異的，技術上非常接近，在優勝劣汰的環境下同類總線終将趨于統一。但商業利益上的激烈競争是這個問題的主要原因，對于現場總線形成巨大影響的自動化廠商，因為要盡可能維護自身的地位和利益而不願放棄其已擁有的現場總線;因此，在未來較長的一段時間内，現場總線标準之争會越演越烈。
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，制造與生産企業所采用控制系統大多是專用的、封閉的體系結構，其構成系統的硬件是按照各自的标準度身定制的。無論是DCS，PLC還是FCS，雖然它們具有結構簡單、技術成熟、産品批量大等優點，但相對日新月異的生産要求，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，都必須求助于系統的提供商，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制造企業的成本，也成為控制系統升級換代的“瓶頸”。
由于市場競争越來越劇烈，從而要求制造商具有較強的市場适應能力，這一趨勢促成了一個新概念的産生，即模塊化、可重構、可擴充的軟硬件系統，這就是開放式控制系統。這一系統為制造廠提供了将其技術與任何第三方的技術或産品進行集成的可能性。
2、國際控制系統制造商的開放路線
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，基于PC的控制系統、以太網的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于傳統的控制系統。
幾乎所有的制造商都已認識到了開放系統必将是自動化系統的未來。在任何一家控制系統制造商的新産品樣本中，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，并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着重重困難。這種狀況的産生并不是由于他們無法開發出全開放的系統，而是出于其産品戰略考慮不願也不能這樣做。盡管開放式控制系統的市場增長率較高，但由于絕對值還不大，制造商不願放棄已經現成的數十倍的市場。
但這些公司對于開放式系統市場并非采取坐視不理、惟我獨尊的态度。各個公司均在考慮用現有的産品組合出形式上的“開放式”系統。如西門子的PCS7和WinAC，實際上就是用工控機下挂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于他人，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，都是将原有的專用系統加上“開放”的标簽。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，又可以将原有的系統盡量多地銷售出去。全力緻力于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，所開發的産品的市場目标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。由于他們的産品是充分考慮了開放性的，今後将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
首先，開放式控制系統的概念不清晰，沒有解決開放控制系統的平台問題。各系統所采用的體系結構并不一緻，相互之間缺乏兼容性和互換性，因而各系統軟硬件不具備可移植性和互操作性。
其次，沒有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系統。軟件開發思想與技術落後，始終處于甚至低于結構化程序設計的水平。沒有充分利用面向對象、軟件重用等軟件工程中的新理論、新技術，而這些正是實現開放性控制系統的關鍵所在。
此外，産品的升級、更新、修改和維修仍然依賴于生産廠家，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産品融入到系統中去。
PC-BASED控制系統
曆史上，VME總線工業控制機一直是許多嵌入式應用的首選機型。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司發明了VME總線，1996年的新标準VME64（ANSI/VITA1-1994）将總線數據寬度提升到64位，最大數據傳輸速度為80Mbps。由Force Computers制定的VME64x總線規範将總線速度提高到了320Mbps。VME總線工控機是實時控制平台，大多數運行的是實時操作系統，并由OS制造商提供專用的軟件開發工具開發應用程序。VME總線最新産品已經采用了500MHz的Pentium Ⅲ處理器。
由于用戶希望使用與所熟悉的桌面PC機相同的操作系統和開發工具，導緻了開放式桌面PC在工業環境中的直接應用。除了VME總線工控機外，産生了一系列基于PC的、與ISA/PCI總線标準兼容的嵌入式工控機，其中比較有代表性的是CompactPCI/PXI總線、AT96總線、STD總線、STD32總線、 PC/104和PC/104-Plus總線嵌入式工業控制機。
随着Intel CPU和Microsoft DOS/WINDOWS架構演變成事實上的标準（Wintel），ISA/PCI總線加固型工業PC（IPC）開始向工業領域滲透。然而，雖然加固型工控機對基于大母闆的桌面機進行了工業化改造，但其背闆技術仍然存在許多缺點：不良的熱設計、不良的連接方式、不标準的模闆尺寸和有限的PCI插槽數（最大4個）等。因此。
1995年6月PCI SIG正式公布了PCI局部總線規範2.1版，同時PICMG推出了第一個标準PCI/ISA無源背闆總線标準。為了将PCI SIG的PCI總線規範用在工業控制計算機系統，1995年11月PCI工業計算機制造者聯合會（PICMG）頒布了CompactPCI規範1.0版。由于CPCI總線工控機良好地解決了可靠性和可維護性問題，而且基于Microsoft的軟件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産品市場。但相對于PCI/ISA加固型工控機而言，由于總體成本高、技術開發難度大、無源背闆定義并不完全統一導緻模闆配套性差、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并未得到實際應用，反而在電信市場獲得廣泛應用。
電氣控制系統
電氣控制系統一般稱為電氣設備二次控制回路，不同的設備有着不同的控制回路，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、可編程控制
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、适用等特點，以保證控制方式與控制需要相适應，與通用化程度相适應，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?更能靈活的嵌入硬件切割機内。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序必須要單片機結合PC來共同完成,也就是說對于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,原因是基于PC為處理平台的控制器可以有着豐富和大家都很熟悉的軟硬件資源,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軟硬件資源,設計靈活和複雜的控制程序顯得輕而易舉。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
基于電磁傳感器路徑識别的智能車控制系統。
