計算機(jī)控制系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)

1、.第9章計算機(jī)控制系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)l 本章的教學(xué)目的與要求掌握各種干擾的傳播途徑與作用方式以及軟硬件抗干擾技術(shù)。l 授課主要內(nèi)容l 干擾的傳播途徑與作用方式l 軟硬件抗干擾技術(shù)l 主要外語詞匯l 重點、難點及對學(xué)生的要求說明：帶“*”表示要掌握的重點內(nèi)容，帶“*”表示要求理解的內(nèi)容，帶“*”表示要求了解的內(nèi)容，帶“”表示難點內(nèi)容，無任何符號的表示要求自學(xué)的內(nèi)容l 干擾的類型*l 干擾的傳播途徑*l 各類干擾的抑制方法*l 輔助教學(xué)情況多媒體教學(xué)課件（POWERPOINT）l 復(fù)習(xí)思考題l 干擾的類型l 干擾的傳播途徑l 各類干擾的抑制方法l 參考資料劉川來，胡乃平，計算機(jī)控制技術(shù)，青島科技大

2、學(xué)講義. v.干擾是客觀存在的，研究抗干擾技術(shù)就是要分清干擾的來源，探索抑制或消除干擾的措施，以提高計算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。9.1 干擾的傳播途徑與作用方式干擾是指有用信號以外的噪聲或造成計算機(jī)設(shè)備不能正常工作的破壞因素。產(chǎn)生干擾信號的原因稱為信號源。干擾源通過傳播途徑影響的器件或系統(tǒng)稱為干擾對象。干擾源、傳播途徑及干擾對象構(gòu)成了干擾系統(tǒng)的三個要素。9.1.1 干擾的來源1外部干擾2內(nèi)部干擾9.1.2 干擾傳播途徑干擾傳播途徑主要有：靜電耦合、磁場耦合、公共阻抗耦合。1. 靜電耦合靜電耦合是通過電容耦合竄入其他線路的。2. 磁場耦合在任何載流導(dǎo)體周圍都會產(chǎn)生磁場，當(dāng)電流變化時會引起交變

3、磁場，該磁場必然在其周圍的閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電勢引起干擾，它是通過導(dǎo)體間互感耦合進(jìn)來的。3公共阻抗耦合公共阻抗耦合干擾是由于電流流過回路間公共阻抗，使得一個回路的電流所產(chǎn)生的電壓降影響到另一回路。9.1.3 干擾的作用方式按干擾作用方式的不同，可分為串模干擾、共模干擾和長線傳輸干擾。1. 串模干擾 串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾噪聲，它串聯(lián)在信號源回路中，與被測信號相加輸入系統(tǒng).圖9.6 串模干擾示意圖 圖9.7 共模干擾示意圖產(chǎn)生串模干擾的原因主要有分布電容的靜電耦合，空間的磁場耦合，長線傳輸?shù)幕ジ校?0Hz工頻干擾，以及信號回路中元件參數(shù)變化等。2. 共模干擾共模干擾是指系統(tǒng)的兩個信號

4、輸入端上所共有的干擾電壓，可以是直流電壓，也可以是交流電壓，其幅值達(dá)幾伏甚至更高，取決于現(xiàn)場產(chǎn)生干擾的環(huán)境條件和計算機(jī)等設(shè)備的接地情況。共模干擾也稱為共態(tài)干擾或縱向干擾。圖9.8 兩種輸入方式時共模電壓的引入(a) 單端對地輸入方式 (b) 雙端不對地輸入方式3. 長線傳輸干擾在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場信號到控制計算機(jī)以及控制計算機(jī)到現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)，都經(jīng)過一段較長的線路進(jìn)行信號傳輸，即長線傳輸。對于高速信號傳輸?shù)木€路，即在高頻信號電路中，多長的導(dǎo)線可作為長線，取決于電路信號頻率的大小，在有些情況下，可能1米左右的線就應(yīng)作為長線看待。9.2 硬件抗干擾技術(shù)9.2.1電源系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)1. 供電方式

5、為了防止產(chǎn)生電源干擾，計算機(jī)控制系統(tǒng)的供電一般由圖9.9所示結(jié)構(gòu)。圖9.9 計算機(jī)控制系統(tǒng)的供電方式2. 尖峰脈沖干擾的抑制抑制尖峰干擾最常用的方法主要有三種：在交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻；采用鐵磁共振原理(如采用超級隔離變壓器)；在交流電源輸入端串入均衡器，即干擾抑制器。另外，使系統(tǒng)遠(yuǎn)離干擾源，對大功率用電設(shè)備采取專門措施抑制尖峰干擾的產(chǎn)生等都是可行的方法。3. 掉電保護(hù)過程控制計算機(jī)供電不允許中斷，一旦中斷電源，將影響生產(chǎn)。為此，計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)加裝UPS（不間斷電源），或增加電源電壓監(jiān)視電路，及早監(jiān)測到掉電狀態(tài)，從而進(jìn)行應(yīng)急處理。對于沒有使用UPS的計算機(jī)控制系統(tǒng)，為了防止掉電后RAM中的

6、信息丟失，經(jīng)常采用鎳電池對RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)。圖9.12所示為一種掉電保護(hù)電路。系統(tǒng)電源正常時，VD1導(dǎo)通，VD2截止，RAM由主電源（5V）供電。系統(tǒng)掉電后，A點電位低于電池電壓，VD2導(dǎo)通，VD1截止，RAM由備用電池供電。圖9.12 掉電保護(hù)電路4. 直流側(cè)的抗干擾措施電網(wǎng)的高頻干擾，由于頻帶較寬，僅在交流側(cè)采取抗干擾措施，很難保證干擾絕對不進(jìn)入直流系統(tǒng)，因此須在直流側(cè)采取必要的抗干擾措施。（1）去耦法（2）增設(shè)穩(wěn)壓塊法 9.2.2接地系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)計算機(jī)控制系統(tǒng)中接地的目的通常有兩個：一是為了安全，即安全接地；二是為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作，提供一個基準(zhǔn)電位的接地，即工作接地。1.

7、 地線系統(tǒng)分析在過程計算機(jī)控制系統(tǒng)中，一般有以下幾種地線：模擬地、數(shù)字地、安全地、系統(tǒng)地和交流地。模擬地作為傳感器、變送器、放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換中模擬電路的零電位。模擬信號有精度要求，有時信號比較小，而且與生產(chǎn)現(xiàn)場相連。因此，必須認(rèn)真對待模擬地。數(shù)字地作為控制系統(tǒng)中各種數(shù)字電路的零電位，應(yīng)該與模擬地分開，避免模擬信號受數(shù)字脈沖的干擾。安全地的目的是使設(shè)備機(jī)殼與大地等電位，以避免機(jī)殼帶電影響人身和設(shè)備的安全。通常安全地又稱為保護(hù)地或機(jī)殼地，機(jī)殼包括機(jī)架、外殼、屏蔽罩等。系統(tǒng)地是以上幾種地的最終回流點，直接與大地相連，如圖9.14所示。圖9.14 分別回流法接地示意圖圖9.15 單點接地與多

8、點接地交流地是計算機(jī)交流供電電源地，即為動力線地，它的地電位很不穩(wěn)定。在交流地上任意兩點之間，往往很容易有幾伏甚至幾十伏的電位差存在。另外，交流地也很容易帶來各種干擾。因此，交流地絕對不允許與上述幾種地相連，而且，交流電源變壓器的絕緣性要好，要避免漏電現(xiàn)象。2. 輸入系統(tǒng)的接地在輸入通道中，為防止干擾，傳感器、變送器、和信號放大器通常采用屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，而信號線往往采用屏蔽信號線。屏蔽層的接地也應(yīng)采取單點接地方式，關(guān)鍵是確定接地位置。輸入信號源有接地和浮地兩種情況。圖9.16（a）中，信號源端接地，而接收端浮地，則屏蔽層應(yīng)在信號源端接地。圖9.16（b）中，信號源浮地，接收端接地，則屏蔽層應(yīng)在

9、接收端接地。這種接地方式是為了避免流過屏蔽層的電流通過屏蔽層與信號線間的電容產(chǎn)生對信號線的干擾。一般輸入信號比較小，而模擬信號又容易受到干擾。因此，對輸入系統(tǒng)的接地和屏蔽應(yīng)格外重視。圖9.16 輸入接地方式3. 主機(jī)系統(tǒng)的接地為了提高計算機(jī)的抗干擾能力，將主機(jī)外殼作為屏蔽。而把機(jī)內(nèi)器件架與外殼絕緣，絕緣電阻大于50M，即機(jī)內(nèi)信號地浮地。圖9.17 主機(jī)與外部設(shè)備的一點接地方式9.2.3過程通道的抗干擾技術(shù)1. 共模干擾的抑制共模干擾產(chǎn)生的原因主要是不同的地之間存在共模電壓，以及模擬信號系統(tǒng)對地的漏阻抗。共模干擾的抑制措施主要有三種：變壓器隔離、光電隔離、浮地屏蔽。2. 串模干擾的抑制串模干擾信

10、號和有效信號相串聯(lián)，疊加在一起作為輸入信號，因此，對串模干擾的抑制較為困難。對串模干擾應(yīng)根據(jù)干擾信號的特性和來源，分別采用不同的措施來抑制。（1）對于來自空間電磁耦合所產(chǎn)生的串模干擾，可采用雙絞線作為信號線，其目的是減少電磁感應(yīng)，并使各個小環(huán)路的感應(yīng)電勢互相呈反向抵消。也可采用金屬屏蔽線或屏蔽雙絞線。（2）根據(jù)串模干擾頻率與被測信號頻率的分布特性，采用相應(yīng)的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器等。濾波器是一個選頻電路，其功能是讓指定頻段的信號通過，將其余頻段的信號衰減，濾除。在工業(yè)控制中，串模信號往往比被測儀器變化快。故在A/D轉(zhuǎn)換器前采用低通濾波器，如選用無源RC濾波電路，或采用有源

11、低通濾波器，都可以較好的對其濾除。（3）當(dāng)對稱性交變的串模干擾電壓或尖峰型串模干擾成為主要干擾時，選用積分式或雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器可以消弱串模干擾的影響。因為這種轉(zhuǎn)換器是對輸入信號的平均值而不是瞬時值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所以，對于尖峰型串模干擾具有抑制作用；對稱性交變的串模干擾，可在積分過程中相互抵消。（4）當(dāng)被測信號與干擾信號的頻譜相互交錯時，通常的濾波電路很難將其分開，可采用調(diào)制解調(diào)器技術(shù)。選用遠(yuǎn)離干擾頻譜的某一特定頻率對信號進(jìn)行調(diào)制，然后再進(jìn)行傳輸，傳輸途中混入的各種干擾很容易被濾波環(huán)節(jié)濾除，被調(diào)制的被測信號經(jīng)硬件解調(diào)后，可恢復(fù)原來的有用信號頻譜。3. 長線傳輸干擾的抑制長線傳輸干擾主要是空間電磁

12、耦合干擾和傳輸線上的波反射干擾。（1）采用同軸電纜或雙絞線作為傳輸線（2）終端阻抗匹配（3）始端阻抗匹配9.3 軟件抗干擾技術(shù)9.3.1數(shù)字濾波數(shù)字濾波是一種軟件算法，它實現(xiàn)從采樣信號中提取出有效信號數(shù)值，濾除干擾信號的功能。9.3.2數(shù)字信號的軟件抗干擾措施1. 輸入數(shù)字信號的抗干擾在滿足實時性要求的前提下，應(yīng)根據(jù)信號的特點，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置各次采集數(shù)字信號之間的延時，以適應(yīng)不同寬度的干擾信號。對于每次采集的最高次數(shù)限額和連續(xù)相同次數(shù)均可按實際情況適當(dāng)調(diào)整。如果數(shù)字信號超過8個，可按8個一組進(jìn)行分組處理。2. 輸出數(shù)字信號的抗干擾在軟件上可以采取以下一些方法提高抗干擾能力：（1）重復(fù)輸出同一數(shù)據(jù)。在滿足實時控制的要求前提下，重復(fù)周期盡可能短些。外部設(shè)備接受到一個被干擾的錯誤信號后，還來不及作出有效的反應(yīng)，一個正確的輸出信息又來到，就可及時防止錯誤動作的產(chǎn)生。（2）對于不能重復(fù)輸出同一信號的輸出裝置，例如帶自環(huán)型分配器和功率驅(qū)動器的步進(jìn)電機(jī)，可在軟硬件上采取一些措施。（3）計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號輸出時，應(yīng)將有關(guān)可編程