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电气自动化控制技术研究

第二节 基于现场总线的伺服系统及其应用探究

一、基础理论分析

（一）现场总线的发展及现状
20 世纪 50 年代以前，过程控制系统普遍使用气动信号，形成了第一代控制系统

（Pneumatic Control System，PCS）；随后控制信号发展为 4 ～ 20mA 的电流模拟信号，形
成了第二代控制系统（Analog Control System，ACS）；70 年代计算机技术飞速发展，在测

量、模拟和逻辑控制领域率先使用，形成了第三代控制系统（Computer Control System，
CCS）；而后随着控制系统中的出现了多台计算机和智能仪表，呈现分散控制的趋势，发

展出了第四代控制系统（Distributed Control System，DCS）；到 80 年代以后，随着嵌入式
处理器的应用，数字化的智能仪表、开关、执行机构不断出现，为现场控制的数字化控制
提供了可能，各控制系统厂商纷纷提出了各种现场总线标准，控制系统发展到了现场总线

控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。现场总线是综合了计算机技术、网络通信技术、
集成电路技术、智能传感器技术和自动控制技术的产物，是一种开放的、数字化、双向、

多节点通信系统。与传统控制系统相比，现场总线具有以下几个方面优势：第一，系统开
放性，相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识和遵从。第二，互操作和互用性，

设备间可实现互联通信，不同厂家性能类似设备可进行互换。第三，信号数字化，数字信
号比传统的4～20mA模拟信号具有更高的分辨率，可传递多种数据，同时抗干扰能力更强。
第四，系统结构的高度分散性，构成了一种新型分布式控制系统结构，系统结构简单。第

五，现场设备智能化和自治性，各节点具有更高的数据检测、数据处理、控制运算功能。
第六，低成本，节省硬件数量与投资，节省安装与维护费用。

（二）伺服系统的发展及应用
伺服是英语单词 Servo 的音译，起源于希腊词语“奴隶”，意指像奴隶一样听从命令。
伺服系统是指被控制对象可以跟随外部指令自动地进行连续、准确地运动，而其中的运动

要素一般包括位置、速度和力矩等物理量，使用负反馈的闭环控制，可以精确的实现位置
控制、速度控制以及运动轨迹跟踪。最初的伺服控制应用于液压系统，然后随着气动元件

和电机技术的发展逐渐进入了气动控制、电机控制领域。在 20 世纪初，机械液压伺服系
统已经出现在海军舰艇的操舵装置和飞机上的液压助力器中。1934 年 Hertz 提出了一种可

以精确跟踪变化的输入信号的伺服机构，形成了用于位置控制的伺服系统概念。在二战期
间，出现了使用滑阀的电液伺服系统。随后产生了各种电液伺服阀，使得液压伺服系统的

响应性和控制精度大幅提升，在武器自动化和工业自动化中得到广泛应用。电液伺服系统
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