自动控制系统抗干扰技术之硬件抗干扰技术.doc

控制系统抗干扰技术论文

姓名 朱磊
学号 20090671
学院 机械与汽车工程学院

控制系统抗干扰技术之硬件抗干扰技术
Control system hardware anti-interference technology of anti-jamming technology
【摘要】控制系统在应用中会受到各种类型的干扰，其中硬件抗干扰技术是抗干扰系统中的重要组成部分。本文则针对控制系统干扰源，硬件抗干扰技术的各种方式的进行总结。

【ABSTRACT】Control system will be affected by various kinds of interference in the application,The hardware anti-interference technology is an important part of anti-interference system.This article is based on interference of source control system, summarizes the ways of the hardware anti-interference technology.

【关键字】控制系统 干扰源 硬件抗干扰
【KEYWORD】Control system Interference sources Hardware anti-interference

引言

自动控制系统已被广泛应用于人类社会生产的各个领域，而自动控制系统的稳定性是控制系统的重要特性。控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。控制系统依靠电磁作用进行控制，又要受到生活中电磁环境的干扰，严重影响系统的可靠性和稳定性。大量实践说明，抗干扰性能是社会生产过程中所面临的重要问题，因此，要提高控制系统的稳定性和可靠性，一方面要求生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

1，干扰源的介绍与分类

对于自动控制系统，电磁的干扰才是最主要的干扰源，而在工业设备中干扰源大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，即电荷剧烈移动的部位就是干扰源。电磁干扰产生的主要原因是磁电效应，然而工业生产却离不开电源，所以控制系统的抗干扰技术主要在于减弱干扰，而无法避免干扰。
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，可分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。
电磁干扰EMI(Electromagnetic Interference)，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。在高速PCB及系统设计中，高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源，能发射电磁波并影响其他系统或本系统内其他子系统的正常工作。

1． 来自空间的辐射干扰。空间辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若控制系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对控制系统内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对系统通信网络的辐射，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和局部屏蔽及进行保护

2． 来自系统外引线的干扰。主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较为严重，主要有下面三类：
　　第一类是来自电源的干扰。实践证明，因电源引入的干扰造成控制系统故障的情况很多，需要更换隔离性能更高的系统电源问题才得到解决。
　　控制系统的正常供电电源均由电网供电，由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流，尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。控制系统的电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。
　　第二类是来自信号线引入的干扰。与控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这种往往非常严重。
　　由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。
　　第三类是来自接地系统混乱的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一，正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地反而会引入严重的干扰信号，使控制系统无法正常工作。控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，接地系统混乱对控制系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。此外，屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响控制系统内逻辑电路和模拟电路的正常工作。

3． 来自控制系统内部的干扰。主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如系统内部电路相互辐射、相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于制造厂家对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。
然而在实际工程中遇到电磁干扰问题时，应该以逻辑性的分析来探讨这一问题。不言而喻，只要存在干扰，就必然有干扰源、耦合路径和受扰对象这3个要素。
理论和实践的研究表明，不管复杂系统还是简单装置，任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：首先应该具有干扰源；其次有传播干扰能量的途径和通道；第三还必须有被干扰对象的响应。在电磁兼容性理论中把被干扰对象统称为敏感设备（或敏感器）。
因此干扰源、干扰传播途径（或传输通道）和敏感设备称为电磁干扰三要素，所以要解决干扰问题则应该从这三个方向着手。
抗干扰设计为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。

2，硬件抗干扰

硬件抗干扰的方法概括起来主要有三种：滤波，屏蔽隔离和接地。
1） 滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施，滤波分经典滤波和现代滤波两种。经典滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。根据频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波叠加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。
而如今市场上一般用滤波器进行滤波，其中有：有源滤波器，无源滤波器，数字滤波器。
滤波器最重要的特性是其频率特性，一般用对数幅频特性20lgA来表示，又称为衰减系数。

而对于无源滤波器：根据阻带和通带的频谱，又可将滤波器分为：
当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。
当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。
当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做带通滤波器。
滤波主要通过R-C电路或L-C电路来实现。

R

C
R

然而无源滤波器亦有其不足之处：1）带负载能力差，2）无放大作用,3)特性不理想，边沿不陡。对于有源滤波器来说则可以有效避免这些缺点。

例如上图a和b是用运算放大器设计的两种一阶低通有源滤波器，只允许低于截止频率的信号通过。
由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的，此处暂且不提。

2) 屏蔽就是利用屏蔽体阻止或减少电磁能量传播的一种措施，而屏蔽体是为了阻止或减少电磁能量传输而对装置进行封闭或遮蔽的一种阻挡层，它可以是导电的，导磁的，介质的或带有非金属吸收填料的。屏蔽按其屏蔽原理可分为电场屏蔽，磁场屏蔽和电磁场屏蔽。
静电场屏蔽：用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内，也不会对外界产生干扰。由此可见完整的电场屏蔽应包括两个方面即完整的屏蔽导体（用于屏蔽外部干扰静电场）和良好的接地（用于屏蔽内部工作设备产生的静电场）。

交变电场屏蔽：为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度为主要考虑因素。
交变磁场屏蔽：磁场屏蔽有高频和低频之分。低频磁场屏蔽是利用高磁导率的材料构成低磁阻通路，使大部分磁场被集中在屏蔽体内。屏蔽体的磁导率越高，厚度越大，磁阻越小，磁场屏蔽的效果越好。当然要与设备的重量相协调。高频磁场的屏蔽是利用高电导率的材料产生的涡流的反向磁场来抵消干扰磁场而实现的。
电磁场屏蔽：电磁场在导电介质中传播时，其场量（E和H）的振幅随距离的增加而按指数规律衰减。从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有能量损耗，因此，表现为场量振幅的减小。导体表面的场量最大，愈深入导体内部，场量愈小。这种现象也称为趋肤效应。利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而作成电磁屏蔽装置。它比静电、静磁屏蔽更具有普遍意义。一般屏蔽体材料为铁磁材料，使用在低频情况下，电磁屏蔽就转化为静磁屏蔽。电磁屏蔽和静电屏蔽有相同点也有不同点。相同点是都应用高电导率的金属材料来制作；不同点是静电屏蔽只能消除电容耦合，防止静电感应，屏蔽必须接地。而电磁屏蔽是使电磁场只能透入屏蔽体一薄层，借涡流消除电磁场的干扰，这种屏蔽体可不接地。但因用作电磁屏蔽的导体增加了静电耦合，因此即使只进行电磁屏蔽，也还是接地为好，这样电磁屏蔽也同时起静电屏蔽作用。
屏蔽通常通过屏蔽体起作用如屏蔽线，屏蔽箱等。

屏蔽线 屏蔽箱
接地：按其作用可分为保护性接地和功能性接地两种。
保护性接地
1)防雷接地 受到雷电袭击（直击、感应或线路引入）时，将雷电导入大地，防止造成损害的接地系统。
2）防电击接地 为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电流时，使平时不带电的外露导电部分带电而导致电击，将设备的外露导电部分接地，称为防电击接地。
3）防静电接地 将静电荷引入大地，防止由于静电积聚对人体和设备造成危害。
4）防电蚀接地 地下埋入金属体作为牺牲阳极或阴极，防止电缆，金属管道等受到电蚀。

功能性接地
1）工作按地 为了保证电力系统运行，防止系统振荡．保证继电保护的可靠性，在交直流电力系统的适当地方进行接地，交流一般为中性点，直流一般为中点，在电子设备系统中，则称除电子设备系统以外的交直流接地为功率地。
2）逻辑接地 为了确保稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属件作为“逻辑地”，一般采用金属底板作逻辑地。常将逻辑接地及其它模拟信号系统的接地统称为直流地。
3）屏蔽接地 将电气干扰源引入大地，抑制外来电磁干扰对电子设备的影响，也可减少电子设备产生的干扰影响其它电子设备。
4）信号接地 为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，例如检测漏电流的接地，阻抗测量电桥和电晕放电损耗测量等电气参数测量的接地。
滤波，屏蔽和接地三者之间并不是单独起作用的，在控制系统抗干扰系统中滤波，屏蔽和接地的应用是根据实际情况综合性应用共同组成硬件抗干扰系统。

结论
控制系统的硬件抗干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，综合性的充分利用滤波，屏蔽和接地的优势，才能够使控制系统正常工作,保证工业设备安全高效运行。

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