第六章 计算机控制系统的抗干扰技术

其差分方程形式为 整理得： 其中：
Tf
y(n) y(n 1) y(n) x(n) Ts
y(n) Ts x(n) Tf y(n 1) (1)x(n) y(n 1)
Tf Ts
Tf Ts
Tf
Tf Ts
r(t)
e*(t)
u*(t)
Gc(z) E(z)
U(z) Gh(s)
1
1Tf s
H(s)
特点:中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的干扰有良好的滤波效果。如
对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、 速度等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法
中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期， 先用中位值滤波法得到m个滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用的 被测参数。也称为去脉冲干扰平均值滤波法.
6.3 软件抗干扰技术
(3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方 便、功能强的特点。
常用数字滤波算法
算术平均值法
针对随机干扰信号和周期性干扰，对连续N个采样数据求算术平均。
1 N
y N i1 xi
84
83
滤波后
82
81
80
79
0
100
200
300
400
500
单点接地与多点接地
主机系统接地
6.2 硬件抗干扰技术
主机抗干扰技术
一般用微处理器监控电路MAX1232实现 Watchdog（看门狗、监控定时器） 应用于因干扰引起的系统飞程序等出错的检测和自动恢复 电源监控（掉电检测及保护） 瞬间断电时进行现场保护，把重要参数、专用寄存器的结果转移到有后备电源的
始端阻抗匹配
6.2 硬件抗干扰技术
总结
干扰 作用 方式
抑制差模干扰 双绞线传输，滤波等
抑制共模干扰 长线传输干扰
变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽等。
同轴电缆或双绞线传输；始端阻抗匹 配及终端阻抗匹配等。
始端阻抗匹配
6.2 硬件抗干扰技术
接地技术
计算机 控制系 统地线
模拟地
传感器、变送器、放大器、A/D和D/A 转换中模拟电路的零电位。
6.1 概述
干扰 分类
外部干扰 与系统结构无关，由使用条件和外部环境因素决定。
主要有：雷电或大气电离作用引起的干扰电波；太阳辐射的电磁 波；周围电气设备发出的电磁波；电源的工频干扰；气象条件引 起的干扰；地磁场干扰；火化放电、弧光放电、辉光放电等产生 的电磁波等。
内部干扰 由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因 造成 主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电磁场辐射感应， 长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引入的干扰，寄生振 荡引起的干扰以及热噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。
6.1 概述
(1)电场耦合
(2)磁场耦合
（3）公共地线的阻抗耦合
6.1 概述
干扰作用方式
差模干扰 又称串模干扰，是指叠加在被测信号上的干扰噪声。
干扰 作用 方式
共模干扰 系统的信号输入端上对接地端干扰电压。
长线传输 现场信号到控制计算机之间存在较长的线路，即长线传输，
干扰
在长线传输中产生的干扰称为长线传输干扰。波反射现象；
6.2 硬件抗干扰技术
对于主要由元器件内部的热扰动产生的随机噪声所形成的串模干扰，或在数字信号的 传送过程中夹带的低噪声或窄脉冲干扰时，可采用高抗扰度逻辑器件；
采用双绞线作信号引线减少电磁感应，并且使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。
共模干扰抑制措施
这种干扰可能是 直流电压，也可 能是交流电压， 其幅值可达几伏 甚至更高，取决 于现场产生干扰 的环境条件和计 算机等设备的接 地情况。
例：某压力仪表采样数据如下：
对1、2、3次采样中位值滤波后值：24
123 456 789
对4、5、6次采样中位值滤波后值：27
24 25 20 27 24 60 24 25 26
对7、8、9次采样中位值滤波后值：25
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。
采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采 样值为：25
为了提高计算机控制系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰技术是不够的，需要进一步借助于 软件措施来克服某些干扰. 经常采用的软件抗干扰技术 数字滤波技术：消除各种噪声影响 软件陷阱技术：软件容错，消除意外程序混乱 开关量软件抗干扰技术：多次采样、重复输出
数字滤波技术 数字滤波：通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。 与硬件滤波相比，数字滤波有以下几个优点: (1)数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，成本低。 (2)数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。
采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 24 25 20 27 24 60 24 25 26 23 采用算术平均值滤波后，其采样值为：
Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=28
干扰被平均到采样值中去了
6.3 软件抗干扰技术
中位值滤波法
中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次(m≥3)且是奇数，并按大小顺序排 列；再取中间值作为本次采样的有效数据。
6.2 硬件抗干扰技术
信号源端接地，而接收端浮地，则 屏蔽层应在信号源端接地
信号源浮地，接收端接地，则屏蔽 层应在接收端接地
6.2 硬件抗干扰技术
长线传输干扰抑制措施 长线传输一般选用同轴电缆或双绞线，在电场干扰较强时可采用屏蔽双绞线。 采用终端阻抗匹配或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或者把它抑制到 最低限度。
被测信号源 Us
计算机
A/D 转换器
U cm
共模干扰：系统的信号输 入端上对接地端干扰电压。
6.2 硬件抗干扰技术
6.2 硬件抗干扰技术
变压器隔离 利用隔离变压器将把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不能构成回路。
光电隔离
6.2 硬件抗干扰技术
浮地屏蔽
浮地屏蔽是指信号放大器采用双层屏蔽，输入为浮地双端输入，如图示。这种 屏蔽方法使输入信号浮空，达到了抑制共模干扰的目的。
6.3 软件抗干扰技术
限幅滤波法
由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，为此采用上 、下限限幅，即
当y(n)≥yH时，则取y(n)=yH(上限值)； 当y(n)≤yL时，则取y(n)=yL(下限值)； 当yL＜y(n)＜yH时，则取y(n)。
限速(亦称限制变化率)滤波，即 当|y(n)-y(n-1)|≤Δy0时，则取y(n); 当|y(n)-y(n-1)|＞Δy0时，则取y(n)=y(n-1)。
采用二级阻容
滤波网络可使 50Hz的串模干 扰信号衰减600 倍左右。
输入信号
屏蔽层
75 75 500 500 75 75
A/D 转换器
当尖峰型串模干扰成为主要干扰源时，用双积分式A／D转换器可以削弱串模干扰的影 响。
对于串模干扰主要来自电磁感应的情况下，对被测信号应尽可能早地进行前置放大， 或者尽可能早的完成模/数转换或采取隔离和屏蔽等措施。
第六章 计算机控制系统的抗干扰技术
中国石油大学信息与控制工程 学院自动化系
6.1 概述 6三.2 硬件抗干扰技术 6五.3 软件电
过程控制系统
雷达、电台等 天线发射装置
引 入 噪 声
地电位波动
交流动力线
电机、电焊机等 大用电设备
在计算机控制系统的现场，往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程中将产生 干扰电磁场，另外还有来自空间传播的电磁波和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变 磁场的影响等。
数字地 控制系统中各种数字电路的零电位。
安全地 交流地 系统地
目的是使设备机壳与大地等电位，以避免 机壳带电影响人身和设备的安全。通常安 全地又称为保护地或机壳地。
计算机交流供电电源地，即为动力线地， 地电位很不稳定。
以上几种地的最终回流点，直接与大地相 连。
6.2 硬件抗干扰技术
分别回流法接地示意图
y(t) Gp(s)
6.3 软件抗干扰技术
总结：实际应用中,究竟采用不采用、以及采用哪一种数字滤波,应视具体情况而定.
惯性滤波适用于消除高频噪声。 平均值滤波适用于消除随机噪声和周期性干扰。 中值、限幅滤波适用于消除偶然的脉冲干扰。 几种滤波算法可以复合使用.如:中值+算术平均 不适当的滤波也可能影响有用信号。
84
83
82
81
80
79
0
100
200
300
400
500
适用于随机干扰信号的滤波
6.3 软件抗干扰技术
特点： N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大，平滑度提高，灵敏度降低。应该视具
体情况选择N，以便得到满意的滤波效果。 对每次采样值给出相同的加权系数，即1/N。在不同采样时刻采集数据受到同样重视。
6.1 概述
干扰传播途径
电场耦合 通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统
干扰 传播 途径
磁场耦合 任何载流导体周围都会产生磁场，当电流变化时会引起交变磁场， 该磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。
公共阻抗 由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电流所产生的电
耦合
压降影响到另一回路。
6.3 软件抗干扰技术
指令冗余与软件陷阱技术 当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。应多采用
单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令（NOP），即指令冗余。 为防止“程序失控”现象，在软件中设立陷阱。在ROM或RAM中，每隔一些指令，