数学模型与计算机控制 第四章 计算机测控系统的抗干扰措施Word格式.docx
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经过某一瞬间之后，干扰线带有负极性时，测量线则感应出等量的正电荷。
图4-3电容耦合
4.1.3电感耦合
电感耦合也称为电磁场耦合。
两个电路之间存在互感，其中一个电路的电流变化，通过磁交连影响到另一个电路的电流变化。
例如测量信号导线与电网线平行时产生电感耦合干扰，如图4-4所示。
ab
图4-4电感耦合
a—电感耦合；
b—等效电路
干扰电压UH=jωMIn
式中j——旋转90o的算子，在相位上电压比电流越前90o（逆时针方向）；
In——干扰电流；
M——二个电路之间的互感系数；
ω——干扰电流变化的角频率。
通过电感耦合产生的互感干扰电压和原信号电压U0向量二者相叠加后输出测量信号。
两根平行导线，它们之间的互感系数M为：
式中L——二根导线平行长度，cm；
D——二根导线平行段的中心距离，Cm。
例如：
有一根信号线与一根电压为100V，负荷为10kw的输电线的距离为1M，并且在10M长的一段区间内平行架设，计算此信号线上感应的干扰电压。
热电偶测温是最常用的方法，常用的铂铑—铂偶，在1600℃时才输出16.688mV，镍铬一镍铝偶，在1300℃时才输出52.37mV，可见感应的干扰电压132mV是十分严重的。
因此，微机测控系统的抗干扰问题要引起高度的重视。
4.1.4其它干扰源
其它干扰源还有很多。
热电势、脉冲数字电路的脉冲反射，因振动而引起的导体间分布电容的变化，磁性材料触点在交流电作用下的磁致伸缩而引起的接触电阻变化，线路中各元器件的物理噪声干扰等。
4.2抗干扰措施
解决干扰的措施可以有以下几种：
4.2.1屏蔽
①电场屏蔽
消除电容耦合而产生的干扰。
如图4-5所示，一空心金属球壳内有一带正电的小球，则球壳的内表面将产生感应负电荷，外表面上产生感应正电荷。
如果把球壳接地，则外表面上正电荷将和从地上来的负电荷中和，球壳外面的电场消失。
这样，空腔内的带电体对空腔外就不会产生任何影响，同样，空腔外的带电体也不会影响空腔内。
图4-5电场屏蔽
实际中，常用编织得相当紧密的金属网。
如屏蔽导线，即在普通导线外包裹一层金属网。
屏蔽壳体或网采用铜、铝等低电阻材料。
②磁场屏蔽
消除电感耦合而产生的干扰。
将个空心金属球壳放在磁场中，当磁力线从磁导率较小的空气进入磁导率较大的金属时，磁力线强烈地偏离法线，使球壳内磁力线很少。
屏蔽壳体常用软磁材料，例如波莫合金、铁铝合金、钢。
磁场屏蔽一般不要求接地。
如果接地，同时起到电场和磁场屏蔽作用。
4.2.2接地
在工业控制系统中，系统的直流信号的地线有浮地和共地两种接法。
浮地则直流地自行浮置，与大地可靠绝缘，接地电阻1MΩ以上。
共地则直流地接大地，与大地可靠导通。
在含有A／D转换器和高增益放大器的系统中宜采用共地接法。
在共地接法上又分一点接地和多点接地。
工作频率高于10MHz的一般用多点接地，小于1MHz时应采用一点接地。
在计算机的测控系统中宜采用一点接地。
一点接地又分串联和并联两种，如图4-6所示。
图4-6一点接地
a—串联一点接地；
b—并联一点接地
并联一点接地最为理想，但因工艺上难实现所以较少采用。
实际上主要采用串联一点接地。
串联一点接地的接地线应尽可能缩短和尽可能粗，电平较低的电路应距接地点近，以减少电位差的影响。
系统地线接地中，实际上可采用串联、并联相结合一点接地方案，即分类并联一点接地，各类内串联一点接地。
如图4-7所示。
图4-7分类并联一点接地
良好的接地方案是消除公共地线的阻抗耦会的关键。
接地需要根据接地技术的一要求设置，一般要求接地电阻小于4Ω。
打地桩的深度和直径取决于当地地质情况，接地电阻粗略估计公式：
式中R——接地电阻，Ω；
ψ-—大地电阻率，Ω.m；
L——地桩长度，m；
d——地桩直径，m。
具体接地电阻是多少可用ZC－8型接地电阻测量仪测量。
4.2.3光电隔离
在计算机控制系统中，生产过程经常存在高电压，若高电压深入计算机，可能烧毁计算机，采用光电隔离可解决这问题，另外光电隔离还可以抑制各种干扰信号。
因此，在计算机测控系统中常采用光电隔离元件，把生产过程和主机隔开，使它们之间没有电的联系。
常用光电隔离元件有：
①二极管——二极管型光电耦合器
二极管——二极管型光电耦合器如图4-8所示，当左边的发光二极管通过一定的电流时（IF），便发光，发光的强度随电流的增大而增加。
光照到右边的光敏二极管，便使光敏二极管反向偏置的电阻减少，随光强度的增加电阻减少，在外加电压作用下，电流增加（IC）。
发光电流与光敏电流呈良好的线性关系，如图4-9所示。
图4-8二极管——二极管型光电耦合器
图4-9二极管——二极管型光电耦合器输入输出特性
②二极管——三极管型光电耦合器
二极管——三极管型光电耦合器如图4-10所示，用左边发光二极管作为发光元件，用右边光敏三极管作为光接收元件。
其比二极管——二极管型光电耦合器，增加输出电流，它是目前生产数量最多，应用最广的一种光光耦合器。
其输入输出特性如图4-11所示。
图4-10二极管——三极管型光电耦合器
图4-11二极管——三极管型光电耦合器输入输出特性
光电耦合能强有力地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，其主要原因是：
1）光电耦合器输入阻抗小（100～1000Ω），而干扰源内阻大（105～106Ω），按分压比原理计算，能够送到光电耦合器输入端的干扰信号很小。
2）由于干扰信号源的内阻很大，虽然其能提供大的干扰电压，但只能形成很弱的电流。
而光电耦合器的发光二极管只有通过一定的电流才能发光，因此即使干扰信号的电压很高，但没有足够大的电流使二极管发光，从而被抑制掉。
4.2.4布线
在复杂的控制系统中，有各种各样的电源线、信号线、控制线和接地线。
如果随意布线会带来干扰，布线时要遵守下列原则：
①线路按图4-7所示分类，各类之间要远离或垂直交叉，否则会产生“电感耦合”干扰，尽可能采用屏蔽线。
②线路尽可能短，不宜用捆扎成束或胶排成排，而宜采用编辫子的方法编成辫子。
③屏蔽线应在接收端设一个接地点。
避免多点接地，伸出头要短。
④使用双绞线时，不要在离接线端较长处分开。
4.2.5电网干扰的抑制
对于从交流电网侵入计算机系统的干扰可采用下方法抑制：
①低通滤波器
低通滤波器使低于截止频率的低频信号通过，而将高于截止频率的高频信号滤掉。
它可抑制由电网侵入的高频干扰信号。
常用π型LC低通滤波器，如图4-12所示。
图4-12π型LC低通滤波器
②隔离变压器
隔离变压器是变压比为1：
1的变压器，在电源变压器之前设置一隔离变压器，可以对从电网侵入的干扰信号进行抑制。
③交流稳压器
一般的直流稳压器允许电网电压波动为±
10％，但有的工厂电压波动超出±
10％，因此，要采用交流稳压器克服电网电压的波动，防止直流供电电压偏离允许范围。
④不间断电源
重要的计算机测控系统，电网的临时断电会造成很大的破坏，这时，采用合适功率的不间断电源，其可以在电网断电后，连续供应一定时间的电，使计算机测控系统有时间处理断电应急处理程序。
4.2.6硬件滤波
滤波方法有硬件滤波和数字滤波二种。
硬件滤波即由电阻—电容（RC）或电感—电容（LC）组成滤波器。
RC低通滤波器如图4-13所示。
图4-13RC低通滤波器
对于低于截止频率（）的低频信号经滤波器电阻（R）而通过。
对
于高于截止频率的高频信号，由于电容（C）的导通，使高频信号极大衰减，如图4-14所示。
4-14低通滤波器信号衰减示意图
②高通滤波器
RC高通滤波器如图4-15所示。
图4-15RC高通滤波器
对于低于截止频率（ ）的低频信号，由于电容（C）不导通，使低
频信号极大衰减。
而高频信号则顺利通过滤波器的电容，如图4-16所示。
图4-16高通滤波器信号衰减示意图
③带通滤波器
RC带通滤波器如图4-17所示。
RC带通滤波器由前面一个RC高通滤波器和后面一个RC低通滤波器组成，信号的频
率大于 和小于 才能顺利通过，其它频率的信号则极大地衰减，如图4-18所示。
图4-17RC带通滤波器
图4-18带通滤波器信号衰减示意图
4.3数字滤波
阻容滤波器能很好地抑制高频干扰，但对于低频干扰和随机干扰，其滤波效果很差。
在计算机测控系统中，为了提高信号的信噪比，通常采用数字滤波。
数字滤波不需要增加硬件设备，稳定性高，各回路之间不存在阻抗匹配问题，易于多路使用。
较常用数字滤波方法：
①限幅滤波
若︱Y（k）-Y（k-1）︱≤△Ymax，则YLB（k）＝Y（k）
若︱Y（k）-Y（k-1）︱＞△Ymax，则YLB（k）＝Y（k-1）
式中Y（k）——本次采样值；
Y（k-1）——上次采样值；
YLB（k）——数字滤波器的输出；
△Ymax——二次采样的间隔内被测参数的最大可能变化量。
这种滤波、可以过滤幅值较大的随机干扰，如图4-19所示。
图4-19限幅滤波效果示意图
a一输入信号；
b一输出信号
△Ymax要根据被测参数的变化速度和采样周期来确定。
△Ymax规定太大了，则滤波效果差，规定太小了，则将正常的参数变化视为干扰而滤掉。
②递推平均滤波
采用取往前递推n次（含本次）的采样值的平均值。
式中——依次往前递推i次的采样值；
——递推平均项数；
——数字滤波器的输出
n的值是根据生产过程的实际情况和参数变化速度来合理选用。
这种滤波器适用于有规律的脉冲干扰和随机起伏的干扰，如图4-20所示。
图4-20递推平均滤波效果示意图
③加权速推平均滤波
采用取往前递推n次（含本次）的采样值的加权平均值。
式中 ——第k次采样时滤波器的输出；
y（k－i）——依次往前递推n次的采样值；
Ai ——第i项加权系数；
n——取n项加权递推平均。
其中
这种滤波适用于被控对象有较大的纯滞后。
④中位值滤波
连续采样5或7次，选择其中大小居中的采样值为该时刻的采样值。
中位值法对脉冲干扰和因机器不稳定而造成的跳码现象相当有效，但对参数变化迅速的过程不宜采用。
⑤五点三次波波
取五个采样数，用三次多项式曲线来拟合采样数，将拟会曲线上的相对应值作为滤波器的输出值。
五点三次滤波公式为：
——滤波器的输出值；
——采样值。
必须大于或等于5个值。
如果需要滤波的采样值大于5个值，中间的采样值都用中间公式计算。
五点三次滤波程序如下：
1）BASIC程序
rem五点三次滤波
input"
输入需要滤波的个数（≥5）"
;
n
dimb（n）,a（n）
print"
输入需要滤波的数值"
fori=1ton
输入第"
i;
"
个需要滤波的数值"
inputb（i）
nexti
a
（1）=（69*b
（1）+4*（b
（2）+b（4））-6*b（3）-b（5））/70
a
（2）=（2*（b
（1）+b（5））+27*b
（2）+12*b（3）-8*b（4））/35
fori=3ton-2
a（i）=（-3*（b（i-2）+b（i+2））+12*（b（i-1）+b（i+1））+17*b（i））/35
a（n-1）=（2*（b（n-4）+b（n））-8*b（n-3）+12*b（n-2）+27*b（n-1））/35
a（n）=（-b（n-4）+4*（b（n-3）+b（n-1））-6*b（n-2）+69*b（n））/70
序号"
"
原数值"
新数值"
printi,b（i）,a（i）
end
2）Ｃ程序
/*五点三次滤波*/
#include"
stdio.h"
/*标准I/O库*/
conio.h"
/*字符屏幕*/
dos.h"
/*DOS接口*/
main（）
{intn,i;
floatb[100],a[100];
/*变量数组说明*/
clrscr（）;
gotoxy（28,8）;
/*清屏及定位*/
printf（"
输入需要滤波的个数（≥5）="
）;
scanf（"
%d"
&
n）;
/*输入滤波数*/
for（i=0;
i<
n;
i++）{gotoxy（28,10）;
clreol（）;
printf（"
输入第%d需要滤波的数值="
i+1）;
%f"
b[i]）;
}
a[0]=（69*b[0]+4*（b[1]+b[3]）-6*b[2]-b[4]）/70;
/*滤波计算*/
a[1]=（2*（b[0]+b[4]）+27*b[1]+12*b[2]-8*b[3]）/35;
for（i=2;
n-2;
i++）
a[i]=（-3*（b[i-2]+b[i+2]）+12*（b[i-1]+b[i+1]）+17*b[i]）/35;
a[n-2]=（2*（b[n-5]+b[n-1]）-8*b[n-4]+12*b[n-3]+27*b[n-2]）/35;
a[n-1]=（-1*b[n-5]+4*（b[n-4]+b[n-2]）-6*b[n-3]+69*b[n-1]）/70;
gotoxy（28,12）;
五点三次滤波结果:
\n"
序号原始值新数值\n"
%d%8.4f%8.4f\n"
i+1,b[i],a[i]）;
getch（）;
此外还有多种形式的数字滤波方法，例如，一阶惯性滤波法，这是一种动态滤波法，适用于偶然性脉冲干扰或缓慢变化的信号。
卡尔曼滤波法，是一种最优线性递推滤波方法。
适用于自适应控制和跟踪。
数字滤波应根据系统的具体情况，经过分析，然后试验选用。
在实际应用中，往往先对采样值进行程序限幅滤波，然后再用递推平均等滤波方法处理，以保证采样值的真实性。
如果数字滤波应用不恰当，会把有用信号也滤去了，反而会降低所测参数的精度。
自己可以创造一些滤波方法。
习题和思考题
①干扰源的有那几种？
材料加工生产中主要产生干扰的物体是什么？
②抗干扰措施的方法是什么？
材料加工生产中主要采取抗干扰措施的方法是什么？
③硬件和数字滤波的优缺点是什么？
④用汇编语言、BASIC语言或C语言编写限幅滤波程序。
⑤有几种常见的滤波方法？
各适合于材料加工生产中的什么场合？
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