计算机控制技术 第四章

1、 第第4 4章章 计算机控制系统抗干扰技术计算机控制系统抗干扰技术4.1 4.1 系统主要干扰分析（掌握）系统主要干扰分析（掌握）4.2 4.2 过程通道抗干扰技术（掌握）过程通道抗干扰技术（掌握）4.3 4.3 接地技术接地技术4.4 4.4 供电技术供电技术 是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。不能正常工作的破坏因素。 就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。措施来实现的。与干扰相关的几个概念：与干扰相关的几个概念：产生干扰信号的原因产生干扰信号的原因干扰源通过传播途径影响

2、的器件或系统干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰源、传播途径及干扰对象。干扰源、传播途径及干扰对象。干扰进入系统的方式干扰进入系统的方式4.14.1系统主要干扰分析系统主要干扰分析外部干扰外部干扰内部干扰内部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外部与系统结构无关，是由使用条件和外部环境因素决定的。环境因素决定的。：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起：天电干扰，如雷电或大气电离作用引起的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波；的干扰电波；天体干扰，如太阳辐射的电磁波；周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频周围电气设备发出的电磁波的干扰；电源的工频干扰；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火花干扰

3、；气象条件引起的干扰；地磁场干扰；火花放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。 是由系统的结构布局、线路设计、元器件是由系统的结构布局、线路设计、元器件性质变化和漂移等原因造成的性质变化和漂移等原因造成的：分布电容、分布电感引起的耦合感应，电：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。噪声、闪变噪声、尖峰噪声等。4.1.14.1.1干扰来源干扰来源 1.

4、电源干扰 电源干扰是指来自供电电源的干扰，主要有：浪涌、尖峰、噪声和断电。 浪涌:大功率设备感性负载设备的启动或停止造成浪涌。 尖峰:大功率开关的通断，使电网上出现尖峰脉冲。 噪声:噪声随供电电源侵入系统。 断电:断电、电网调度高压切换中的瞬间断电。 2. 空间干扰 静电和电场的干扰 系统的部分设备产生静电，或部分设备在某个电场之中。 磁场干扰 系统设备与某些能够产生磁场的电气设备构成电磁感应。 电磁辐射干扰 通信发射台；可控硅逆变电源、变频调速装置等发出的电磁波干扰。 3. 设备干扰 设备干扰是指外部设备或设备之间产生的干扰。 以上三种干扰，来自交流电源的干扰最为严重，其次为设备干扰，再其次

5、为来自空间的辐射干扰。 空间抗干扰，包括静电场、高频电磁场以及磁场引起的干扰，主要的方法解决： 空间隔离：使敏感设备或信号线远离干扰源（如大型动力设备及大变压器等）。 屏蔽：对敏感电路加屏蔽盒或对信号加屏蔽层，注意屏蔽层不能随意接地，必要时屏蔽层外还要有绝缘层。 电气布线：合理的选择信号线，并在实际施工中正确的敷设信号线来抑制干扰。 屏蔽主要用来解决电磁干扰，将电力线或磁力线的影响限定在某个范围之内或阻止他们进入某个范围。通常可分为： 低频磁场屏蔽 电磁屏蔽 双层屏蔽 电场屏蔽1）屏蔽技术 屏蔽技术实现的关键是如何保证屏蔽体的完整性，使其电磁泄漏降低到最小程度。通常采取以下措施 屏蔽壳体接缝上

6、的永久性缝隙一般采用氩弧焊密封焊接。 机壳的通风孔一般采用穿孔金属板或者金属丝网覆盖。 必须对传输线进行屏蔽，其屏蔽外皮必须伸入到外壳或链接器内部。 元件的安装孔，需要通过导电衬垫与外壳连接。 系统布线设计的关键是进行正确电缆选型、敷设、抑制干扰和降低成本。 1、常用的线缆类型 双绞线 屏蔽电缆 同轴电缆 2、电缆的选择与敷设2）电气布线技术典型计算机控制系统的干扰环境如下图所示：典型计算机控制系统的干扰环境如下图所示：4.1.24.1.2干扰传播途径干扰传播途径 干扰信号进入到计算机控制系统中的主要耦合方式分为三种： 静电耦合方式 电磁耦合方式 公共阻抗耦合方式 静电耦合又称电场耦合，是电场

7、通过电容耦合窜入其他线路的静电耦合又称电场耦合，是电场通过电容耦合窜入其他线路的。 电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统电场干扰可以通过两根导线之间构成的分布电容窜入系统12g1212nU)CC(Rj1RCjU112nURCjU12g1212nUCCCU当导体当导体2对地电阻对地电阻R很小时，使很小时，使jR(C12+C2g) 1时，可以近似表示为时，可以近似表示为在这种情况下，干扰电压在这种情况下，干扰电压Un由电容由电容C12和和C2g的分压关系及的分压关系及U1所确定。所确定。 在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，该在任何载流导体周围都会产生磁场，当

8、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。磁场必然在其周围的闭合回路中产生感应电势引起干扰。1nMIjU其中：其中： 为感应磁场交变角频率为感应磁场交变角频率 M为两根导线之间的互感为两根导线之间的互感 I1为导线为导线1中的电流中的电流 在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架在设备内部，线圈或变压器的漏磁也会引起干扰；在设备外部，平行架设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感设的两根导线也会产生干扰，由于感应电磁场引起的耦合，可以计算感应电压应电压 公共阻抗耦合干扰是由于电流流过回路间公共阻抗，使得一个回路的电

9、流所产生的电压降影响到另一回路。 在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，在计算机控制系统中，普遍存在公共耦合阻抗，例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共电例如，电源引线、印刷电路板上的地和公共电源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻源线、汇流排等。这些汇流条都具有一定的阻抗，对于多回路来讲，就是抗，对于多回路来讲，就是公共耦合阻抗公共耦合阻抗。公共电源线的阻抗耦合 公共地线的阻抗耦合公共地线的阻抗耦合 4.1.34.1.3过程通道中的干扰过程通道中的干扰 按干扰作用方式的不同，可分为串模干扰、共模干扰和长线传输干扰。 又称差模干扰，是指叠加在被测信号上的干扰噪声，它串又称差模干扰，是指叠

10、加在被测信号上的干扰噪声，它串联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。串模干扰联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。串模干扰与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干扰或与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干扰或横向干扰。横向干扰。 1.串模干扰：串模干扰：串模干扰示意图串模干扰示意图 n主要有分布电容的电场耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互主要有分布电容的电场耦合，空间的磁场耦合，长线传输的互感，感，50Hz工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。产生串模干扰的原因产生串模干扰的原因 是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压,共模干

11、扰也称为共态干扰或纵向干扰。计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，在计算机的地、信号放大器的地与现场信号源的地一般相隔一段距离，在两个接地点之间往往存在一个电位差两个接地点之间往往存在一个电位差Vc，该电位差是系统信号输入端上，该电位差是系统信号输入端上共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰。共有的干扰电压，会对系统产生共模干扰。 共模干扰示意图共模干扰示意图 2.共模干扰：共模干扰： 对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过串模干扰的方式表现出来。两种输入方式时共模电压的引入两种输入方式时共模电压的引入 （a）信号单端输入（b）信号双端输入 图 (a)所示为信号单端输入情况，

12、Zs是信号源内阻，Zr是系统输入阻抗。共模干扰电压Ucm和信号源电压Us相加共同作用于回路，此时，共模干扰全部以差模干扰形式作用于电路。由Ucm引起系统输入的差模电压Un1为 因为ZrZs，则 其中，Zs是信号源内阻(含信号引线电阻)，Zr是放大器输入阻抗。显然，Zr越大，或Zs越小，Un1越小，越有利于抑制共模干扰。1sncmsrZUUZZ1sncmrZUUZ 图 (b)所示为放大器双端输入情况，Zs1、Zs2为信号源内阻，Zc1、Zc2为系统输入阻抗。共模电压Ucm引起系统输入端的差模干扰电压Un2为 若Zs1=Zs2，Zc1=Zc2，则Un2=0，系统没有引入共模干扰。实际上，两个输入端

13、不可能作到完全对称，因此，Un20，也就是说实际上总是存在一定的共模干扰电压。当Zs1和Zs2越小，Zc1和Zc2越大，并且Zc1和Zc2越接近时，共模干扰电压就越小 1221122ccncmscscZZUUZZZZ 由上述分析可知，对于存在共模干扰的场合，不能采用单端输入，应采用双端输入方式，原因是其抗共模干扰能力强。 为了衡量一个放大器抑制共模干扰的能力，常用共模抑制比CMRR表示，即 其中，Ucm是共模干扰电压，Un是由Ucm转化成的差模干扰电压。显然，单端输入方式的CMRR较小，说明它的抗共模抑制能力较差；而双端输入方式，由Ucm引入的差模干扰电压Un较小，CMRR较大，所以抗共模干扰

14、能力很强。)DB(UUlg20CMRRncm在计算机控制系统中，现场信号到控制计算机以及控制计算机到现场执行机构，都经过一段较长的线路进行信号传输，即长线传输。 一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。一是高速变化的信号在长线中传输时，会出现波反射现象。3.长线传输干扰长线传输干扰:信号在长线中传输会遇到三个问题：信号在长线中传输会遇到三个问题：二是具有信号延时二是具有信号延时三是长线传输会受到外界干扰三是长线传输会受到外界干扰4.24.2过程通道抗干扰技术过程通道抗干扰技术过程通道是计算机控制系统的现场数据采集输入和输出通道，它包括了现场信号源、信号线、转换设备、I/O接口电路，

15、主机和执行机构等。过程通道涉及内容多，分布广，受干扰的可能性大，其抗干扰过程通道涉及内容多，分布广，受干扰的可能性大，其抗干扰问题非常重要。问题非常重要。过程通道干扰的来源是多方面的，主要有过程通道干扰的来源是多方面的，主要有共模干扰共模干扰、差模干扰差模干扰和和长线干扰长线干扰。共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压，以及共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压，以及模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制措施主要有三种：模拟信号系统对地的漏阻抗。共模干扰的抑制措施主要有三种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。变压器隔离变压器隔离变压器隔离是利用

16、隔离变压器将模拟信号电路与数字信号电路隔离开，也就是把模拟地与数字地断开，以使共模干扰电压不能构成回路，从而达到抑制共模干扰的目的。另外，隔离后的两电路应分别采用两组互相独立的电源供电，切断两部分的地线联系 .这种隔离适用于这种隔离适用于无直流分量信号的通路无直流分量信号的通路。对于直流信号，也可。对于直流信号，也可通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器再变通过调制器变换成交流信号，经隔离变压器后，用解调器再变换成直流信号。换成直流信号。光电隔离光电隔离光电耦合器是由发光二极管和光敏三极管（或达林顿管、或晶闸管等）封装在一个管壳内组成, 实现以光为媒介的电信号传输。 发光二极管动态

17、电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，发光二极管动态电阻非常小，而干扰源的内阻一般很大，能够传送到光电耦合器能够传送到光电耦合器输入端的干扰信号很小输入端的干扰信号很小。 由于光电耦合器是用光传送信号，两端电路无直接电气联系，因此，切断了两端由于光电耦合器是用光传送信号，两端电路无直接电气联系，因此，切断了两端电路之间地线的联系，电路之间地线的联系，抑制了共模干扰抑制了共模干扰。 光电耦合器的发光二极管只有在通过一定电流时才能发光，由于许多干扰信号虽光电耦合器的发光二极管只有在通过一定电流时才能发光，由于许多干扰信号虽幅值较高，但能量较小，幅值较高，但能量较小，不足以使发光二极管发光不足以使发光

18、二极管发光，从而可以有效地抑制干扰信，从而可以有效地抑制干扰信号。号。浮地屏蔽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。（2）根据差模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的）根据差模干扰频率与被测信号频率的分布特性，采用相应的滤波器滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。滤波器是一个选频电路，其功能是让指定频段的信号通过，将其余频是一个选频电路，其功能是让指定频段的信号通过，将其余频段的信号衰减，滤除。在工业控制中，段的信号衰减，滤除。在工业控制中，

19、串模信号往往比被测仪串模信号往往比被测仪器变化快器变化快。串模干扰信号串模干扰信号和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因和有效信号相串联，叠加在一起作为输入信号，因此，对串模干扰的此，对串模干扰的抑制较为困难抑制较为困难。对差模干扰应根据干扰信号的。对差模干扰应根据干扰信号的特性和来源，分别采用不同的措施来抑制。特性和来源，分别采用不同的措施来抑制。（1）对于来自空间电磁耦合所产生的差模干扰，可采用）对于来自空间电磁耦合所产生的差模干扰，可采用双绞线双绞线作作为信号线，其目的是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势为信号线，其目的是减少电磁感应，并使各个小环路的感应电势互相呈反向抵消。也

20、可采用金属屏蔽线或屏蔽双绞线。互相呈反向抵消。也可采用金属屏蔽线或屏蔽双绞线。 同轴电缆对于电场干扰有较强的抑制作用，工作频率较高。双绞线对于磁场干扰有较好的抑制作用，绞距越短，效果越好。在电场干扰较强时须采用屏蔽双绞线。采用同轴电缆或双绞线作为传输线采用同轴电缆或双绞线作为传输线 在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式在使用双绞线时，尽可能采用平衡式传输线路。所谓平衡式传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传传输线路，是双绞线的两根线不接地传输信号。因为这种传输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的输方式具有较好的抗差模干扰能力，外部干扰在双绞线中的两条

21、线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来两条线中产生对称的感应电动势，相互抵消。同时，对于来自地线的干扰信号也受到抑制。自地线的干扰信号也受到抑制。 （1）终端阻抗匹配）终端阻抗匹配为了消除长线的反射现象，可采用终端或始端阻抗匹配的方法。同轴电缆的波阻抗一般在同轴电缆的波阻抗一般在50100之间，双绞线的波阻抗约为之间，双绞线的波阻抗约为100200。进行阻抗匹配，首先，需要通过测试或由已知的技。进行阻抗匹配，首先，需要通过测试或由已知的技术数据掌握传输线的术数据掌握传输线的波阻抗波阻抗Rp的大小。的大小。终端阻抗匹配终端阻抗匹配 （2）始端阻抗匹配）始端阻抗匹配始端阻抗匹配是在长线的

22、始端串入电阻R，通过适当的选择R，以消除波反射 这种匹配方法的这种匹配方法的优点优点是波形的高电平不变，缺点是波形的是波形的高电平不变，缺点是波形的低电平会抬高。其原因是终端门低电平会抬高。其原因是终端门B的输入电流的输入电流Isr在始端匹在始端匹配电阻配电阻R上的压降所造成的上的压降所造成的 4.34.3接地技术接地技术 二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地二是为了保证控制系统稳定可靠工作，提供一个基准电位的接地，即工作接地。，即工作接地。 接地技术对计算机控制系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统产接地技术对计算机控制系统是极为重要的，不恰当的接地会对系统产生严重的干扰

23、，而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。生严重的干扰，而正确的接地却是抑制干扰的有效措施之一。计算机控制系统中接地的目的通常有两个：计算机控制系统中接地的目的通常有两个：一是为了安全，即安全接地；一是为了安全，即安全接地；1.地线系统分析地线系统分析1）传统接地分类 安全地安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带的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，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。 模拟地模拟地作为传感器、变送器、放大器、作为传感器、变送

24、器、放大器、A/D和和D/A转换中模转换中模拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，拟电路的零电位。模拟信号有精度要求，有时信号比较小，而且与生产现场相连。而且与生产现场相连。 数字地数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。拟地分开，避免模拟信号受数字脉冲的干扰。 系统地系统地是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连 。 交流地交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地电位很不稳定。电位很不稳定。

25、2）新的接地分类 安全接地安全接地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳的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，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。机壳地，机壳包括机架、外壳、屏蔽罩等。 工作接地工作接地 屏蔽接地屏蔽接地3）接地技术(1)(1)主机外壳接地但机芯浮空主机外壳接地但机芯浮空为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽罩接地。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮空。这种方法安全可靠，抗干扰能力强，但制造工艺复杂，一旦绝缘电阻降低就会引入干扰。(2)

26、(2)一点接地方式一点接地方式两种接法：即串联接地两种接法：即串联接地( (或称共同接地或称共同接地) )和并联接地和并联接地( (或称分别接或称分别接地地) ) 。各自的优缺点： 从防止噪声角度看，如图所示的串联接地方式是最不适用的，由于地电阻r1、r2和r3是串联的，所以各电路间相互发生干扰 。 并联接地方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。 (3)(3)多点多点接地接地将地线用汇流排代替，所有的地线都接至汇流排。将地线用汇流排代替，所有的地线都接至汇流排。(4)(4)

27、屏蔽屏蔽接地接地即屏蔽层接地即屏蔽层接地(5)(5)设备设备接地接地注意强电和弱电分开，防止互相产生干扰。注意强电和弱电分开，防止互相产生干扰。2.输入系统的接地输入系统的接地在输入通道中，为防止干扰，传感器、变送器、和信号放大器通常采用屏蔽罩进行屏蔽，而信号线往往采用屏蔽信号线。屏蔽层的接地也应采取单点接地方式，关键是确定接地位置。输入信号源有输入信号源有接地接地和和浮地浮地两种情况。两种情况。信号源端接地，而接收端浮地信号源端接地，而接收端浮地，则屏蔽层应在信号源端接地，则屏蔽层应在信号源端接地 信号源浮地，接收端接地，则信号源浮地，接收端接地，则屏蔽层应在接收端接地屏蔽层应在接收端接地

28、3.主机系统的接地主机系统的接地为了提高计算机的抗干扰能力，将主机外壳作为屏蔽。而把机内器件架与外壳绝缘，绝缘电阻大于50M，即机内信号地浮地。主机与外部设备地连接后，采用主机与外部设备地连接后，采用一点接地一点接地。如图所示。为避免。如图所示。为避免多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，多点接地，各机柜用绝缘板垫起来。这种接地方式安全可靠，有一定的抗干扰能力。有一定的抗干扰能力。在计算机网络系统中，对于近距离的几台计算机，可采用多机在计算机网络系统中，对于近距离的几台计算机，可采用多机的一点接地方式；对于远距离的多台计算机之间的数据通信，的一点接地方式；对于远距离的多台计算机之间的数据通信，通过地线通过地线隔离的办法隔离的办法分开，如采用分开，如采用变压器隔离技术、光电隔离变压器隔离技术、光电隔离技术和无线电通信技术技术和无线电通信技术等。等。4.44.4供电技术供电技术电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一；电源引入的干扰是计算机控制系统的主要干扰之一；对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。对计算机控制系统的干扰大部分是由电源耦合产生的。计算机控制系统的供电结构计算机控制系统的供电结