计算机控制系统中的抗干扰技术特点、作用和应用
单片机控制系统的抗干扰技术
３ 软件 抗干扰技术
与硬件抗干扰相 比， 软件抗干扰显得 比较灵活 ， 固定模 式， 没有 并且
在不断地发展 。各种软 件抗干 扰措施能 够大大 地提 高控制 系统 的可靠
Ｍ Ｘ １Ｌ的Ｔ １６ ｗ＝ ． 秒） Ｍ Ｘ １Ｌ的输出端将由低电平变为高电 ， Ａ ８３ 性。特别是软件滤波技术， 它可以使用多个通道共用一个软件滤波器以 后（ Ａ ８３
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第 ６期
Ｎ ６ Ｏ．
宜宾学院学报
Ｊｕ ａ ｏ ｉｉ ｎｖｒｔ ｏ ｒ ｌ ｆ ｂｎＵ ｉ ｓｙ ｎ Ｙ ｅｉ
６７
单 片机 控 制 系统 的 抗 干 扰 技 术
孙 凯
（ 南京铁道职业技术学院 ， 江苏 南京 ２ ０ １ ） １０５
Ｍ Ｘ １Ｌ的输入端不再 出现脉 冲信 号 ， Ａ ８３ 则定 时器在一 个规定 的时间 Ｔ ｗ
２３１ 采用开关电源并提供足够的功率余量， ．． 主机部分使用单独的 失控的程序正好使某些操作数变形成为修改监视器时间的指令或禁止中
２３２ 防止从电源系统引入干扰， ．． 可采取交流稳压器保证供电的稳
向通道抗干扰电路如图２ 所示。
收稿 日期 ：０ ７—０ ２０ ７—２ ４
２２３ 配置去耦电容 ．．
作 者简介 ： 孙凯（ ９７一）女 ， １７ ， 安徽 宿州人 ， 讲师 ， 工程硕士 ， 从事 自动控制研 究。 主要
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６ ８
宜宾 学 院 学 报
时多个地引脚可以减少地阻抗。 ２２２ 电源线布置 ．．
２ １ 前后向通道干扰的隔离措施 ． 为了防止现场干扰进入前后向通道中， 在硬件设计中采用光电隔离
计算机控制系统抗干扰的应用及接地问题
２１ 年 ４ ００ 月第 ２ 期
供 电系 统 地 的接 地 电阻 是 否足 够 小 ， 而整 个 地 网各 个 部
形 不成 回路 ， 抑制 了干扰 的危 害。为 了防止供电线路上引入
分 的电位差 是否 很小 ， 即地 网的各部 分之 间是否阻 值很小
远 ， 能 会有 较 大 的 电位 差 ｅ 这 个 电 位差 可能 会 在 Ａ・ 可 Ｎ， Ｂ两
用屏蔽 双绞线连接 ， 且这些信号线必须单独 占用 电线管或电
缆槽 ， 不可与其它信号在 同一电缆管（ 或槽） 中走线。低电平
的开关信号 （ 一些状 态干结点信号 ） 数据通信线路 （ Ｓ ３ 、 ， Ｒ ２２
隔板将它们 隔开。还有一种隔离是将信 号源同计 算机在电 气上进行 隔离 ， 这样 ， 大大地减小共模 干扰对计算机造成 会 的危害 。如图 ２ 表示用隔离放大器将信号的输入端子与计算
机部 分完全隔离 （ 有的系统 中采用 隔离变 压器 ， 或继 电器等 方式 隔离 ， 对开关 量则可以采 用光电器件 ， 或继电器进行隔
（ Ｒ） ＜ｌ 。
共摸高频干扰信 号 ， 以在供 电线路上设 隔离 变压器进 行干 可
上 的干 扰 。
（） ３ 计算机供 电线路上 弓入的干扰。在有些工业现场（ ｌ 特 别是 电厂 冶金 企业 、 大的机械加工厂 ） 大型电气设备启动频
在计算 机控 制系统 中， 涉及列很 多各种类 型的信号线 ， 直接与计算机 Ｉ ／ 口相连 ， Ｏ接 这些信号有开关量 型 ， 有模拟类
石 河子科技
总第 １ ０ ９ 期
计算机控制 系统抗干扰的应用及接地问题
微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进展检测，并输入给计算机。
(2)实时控制决策：对采集到的表征被控参数的状态量进展分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
(3)实时控制输出：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么？(1)实时：所谓“实时〞，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进展处理，并在一定的时间内作出反响并进展控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线〞方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接及计算机连接，生产过程直承受计算机的控制，就叫做“联机〞方式或“在线〞方式。
(3)“离线〞方式：假设生产过程设备不直接及计算机相连接，其工作不直承受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进展联系并作相应操作的方式，那么叫做“脱机〞方式或“离线〞方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几局部组成？各局部的作用是什么？由四局部组成。
(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个局部发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进展实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进展各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进展监视，使之处于最优工作状态；对事故进展预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进展信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进展控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
(3)外部设备：这是实现微机和外界进展信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备(操作台)、输入输出设备(磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等)和外存贮器(磁盘)。
课件 第六章 计算机控制系统的抗干扰技术
2 常用的接地方法(2) 常用的接地方法(2)
（2） 模拟地和数字地的连接
6.3 系统供电及接地技术
2 常用的接地方法(3) 常用的接地方法(3)
（3） 主机外壳接地
6.3 系统供电及接地技术
外壳接地，机壳浮空
2 常用的接地方法(4) 常用的接地方法(4)
（4） 多机系统的接地
过程 通道 主机 打印机
1 微机控制系统中的地线
(1)数字地，或逻辑地。 (2) 模拟地。 (3) 安全地。又称为保护 地或机壳地，屏蔽地。 (4) 系统地。 (5) 直流地。 (6) 交流地。
2 常用的接地方法(1) 常用的接地方法(1)
（1） 一点接地和多点接地
6.3 系统供电及接地技术
图6.15 串联一点接地
图6.16 并联一点接地
4
采用具有高共模抑制比的仪表
采用具有高共模抑制比的仪表放大器作 为输入放大器： 为输入放大器 ： 仪表放大器具有共模抑 制能力强、输入阻抗高、漂移低、增益 可调等优点，是一种专门用来分离共模 干扰与有用信号的器件。
6.2 硬件抗干扰技术
6.2.2
串模干扰的抑制
1. 在输入回路中接入模拟滤波器 使用双积分式A/D转换器 A/D转换器 2. 使用双积分式A/D转换器 3. 采用双绞线作为信号线 4. 电流传送 5. 对信号提早处理 选择合理的逻辑器件来抑制。 6. 选择合理的逻辑器件来抑制。
6.2 硬件抗干扰技术
3. 采用双绞线作为信号线
若串模干扰和被测信号的频率相当， 则很难用滤波的方法消除。此时，必须采 用其它措施，消除干扰源。通常可在信号 源到计算机之间选用带屏蔽层的双绞线或 同轴电缆，并确保接地正确可靠。采用双 绞线作为信号引线的目的是减少电磁。双 绞线能使各个小环路的感应电势相互抵消。 一般双绞线的节距越小抗干扰能力越强。
计算机控制系统作业参考答案
《计算机控制系统》作业参考答案作业一第一章1.1什么是计算机控制系统？画出典型计算机控制系统的方框图。
答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制. 控制系统中的计算机是由硬件和软件两部分组成的.硬件部分: 计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备组成; 软件部分: 软件是各种程序的统称，通常分为系统软件和应用软件。
图1.3-2 典型的数字控制系统1.2.计算机控制系统有哪几种典型的类型？各有什么特点。
答：计算机控制系统系统一般可分为四种类型：（1）数据处理、操作指导控制系统；计算机对被控对象不起直接控制作用,计算机对传感器产生的参数巡回检测、处理、分析、记录和越限报警，由此可以预报控制对象的运行趋势。
（2）直接数字控制系统；一台计算机可以代替多台模拟调节器的功能，除了能实现PID调节规律外, 还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解藕控制，以及自适应、自学习,最优控制等复杂的控制。
（3）监督计算机控制系统；它是由两级计算机控制系统：第一级DDC计算机, 完成直接数字控制功能；第二级SCC计算机根据生产过程提供的数据和数学模型进行必要的运算，给DDC计算机提供最佳给定值和最优控制量等。
（4）分布式计算机控制系统。
以微处理机为核心的基本控制单元，经高速数据通道与上一级监督计算机和CRT操作站相连。
1.3.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？答：计算机控制系统与连续控制系统主要区别：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制。
与采用模拟调节器组成的控制系统相比较，计算机控制系统具有以下的优点：（1）)控制规律灵活，可以在线修改。
（2）可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标。
13 计算机控制系统中的抗干扰技术
干扰
内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、 内部干扰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 性质变化和漂移等原因造成的 内部干扰 主要有：分布电容、分布电感引起的耦合感应， 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， 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， 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。
6.2.5 共模干扰的抑制
共模干扰产生的原因主要是不同的地之间存在共模电压， 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。 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：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。 有三种：变压器隔离、光电隔离、浮地屏蔽。
6.2.1 接地技术
地线系统分析
在过程计算机控制系统中，一般有以下几种地线：模拟地、 数字地、安全地、系统地和交流地。 – 模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模 模拟地作为传感器、变送器、放大器、A/D和D/A转换中模 作为传感器 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。 – 数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位，应该与模 数字地作为控制系统中各种数字电路的零电位 作为控制系统中各种数字电路的零电位， 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。 – 安全地的目的是使设备机壳与大地等电位，以避免机壳带 安全地的目的是使设备机壳与大地等电位 的目的是使设备机壳与大地等电位， 电影响人身和设备的安全。 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。 – 系统地是以上几种地的最终回流点，直接与大地相连 。 系统地是以上几种地的最终回流点 是以上几种地的最终回流点， – 交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地，它的地 交流地是计算机交流供电电源地，即为动力线地， 是计算机交流供电电源地 电位很不稳定。 电位很不稳定。
于海生---微型计算机控制技术课后习题答案
第一章计算机控制系统概述习题及参考答案1.计算机控制系统的控制过程是怎样的计算机控制系统的控制过程可归纳为以下三个步骤：(1)实时数据采集：对被控量的瞬时值进行检测，并输入给计算机。
(2)实时决策：对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已定的控制规律，决定下一步的控制过程。
!(3)实时控制：根据决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。
2.实时、在线方式和离线方式的含义是什么(1)实时：所谓“实时”，是指信号的输入、计算和输出都是在一定时间范围内完成的，即计算机对输入信息以足够快的速度进行处理，并在一定的时间内作出反应并进行控制，超出了这个时间就会失去控制时机，控制也就失去了意义。
(2)“在线”方式：在计算机控制系统中，如果生产过程设备直接与计算机连接，生产过程直接受计算机的控制，就叫做“联机”方式或“在线”方式。
(3)“离线”方式：若生产过程设备不直接与计算机相连接，其工作不直接受计算机的控制，而是通过中间记录介质，靠人进行联系并作相应操作的方式，则叫做“脱机”方式或“离线”方式。
3.微型计算机控制系统的硬件由哪几部分组成各部分的作用是什么—由四部分组成。
图微机控制系统组成框图(1)主机：这是微型计算机控制系统的核心，通过接口它可以向系统的各个部分发出各种命令，同时对被控对象的被控参数进行实时检测及处理。
主机的主要功能是控制整个生产过程，按控制规律进行各种控制运算(如调节规律运算、最优化计算等)和操作，根据运算结果作出控制决策；对生产过程进行监督，使之处于最优工作状态；对事故进行预测和报警；编制生产技术报告，打印制表等等。
(2)输入输出通道：这是微机和生产对象之间进行信息交换的桥梁和纽带。
过程输入通道把生产对象的被控参数转换成微机可以接收的数字代码。
过程输出通道把微机输出的控制命令和数据，转换成可以对生产对象进行控制的信号。
过程输入输出通道包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。
第三章计算机抗干扰技术
3.3 软件抗干扰措施
（5）输入输出数字信号的抗干扰措施 a.输入的数字信号，可以通过重复检查 的方法 b.反复向这些端口定期重写控制字、输 出状态字，来维持既定的输出端口状 态。 (重复输出同一数据)
3.3 软件抗干扰措施
2 提高软件自身的可靠性 （1）采取措施，减少软件设计中的错 误。 模块化设计、进行软件评审和对软件进 行测试等； （2）采用能提高可测试性的设计
3.1 干扰信号的类型及其传输形式
1.2按干扰与信号的关系分类 （1）串模干扰信号 串模干扰信号是指串联于有用信号源回路之中的干扰， 也称横向干扰或正态干扰。 当串模干扰的幅值与有用信号相接近时，系统就无法 正常工作，数据会严重失真，甚至是错误的。 产生串模干扰的原因主要是当两个电路之间存在分布 电容或磁坏链现象时，一个回路中的信号就可能在另 一个回路中产生感应电动势，形成串模干扰信号。另 外信号回路中元件参数的变化也是一种串模干扰信号。 （2）共模干扰信号
3.2 抗干扰技术
3、隔离技术 变压器隔离 继电器隔离 光电隔离
3.2 抗干扰技术
4、串模干扰的抑制 串模干扰 主要来自于电源(多为50Hz的工频干扰及其 高次谐波)、长线传输中的分布电感和分布 电容以及传感器固有噪声等。
3.2 抗干扰技术
抗串模干扰的技术措施有 ： (1)合理选用信号线。 (2)在信号电路中加装滤波器。 (3)选择合适的A／D转换器。 (4)采用调制解调技术。 (5)用光电耦合器隔离干扰。 (6)配备高质量的稳压电源 。
3.2 抗干扰技术
（2）浮地系统和接地系统 接地系统——是指设备的整个地线系统和大 地通过导体直接连接。 优点：对人员比较安全，也有利于抗干扰 。 缺点：可能会导致器件被击穿 。
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• 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。
高压电线
雷电
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
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第9章 计算机抗干扰技术
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12
第9章 计算机抗干扰技术
产生差模干扰的原因
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，50Hz工频干扰，以及信号回路中元件参数变化等。
差模干扰示意图
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第9章 计算机抗干扰技术
共模干扰：
• 是指系统的两个信号输入端上所共有的干扰电压,共模干 扰也称为共态干扰或纵向干扰。
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第9章 计算机抗干扰技术
磁场耦合
– 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 磁场必备内部，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 应电压
第9章 计算机抗干扰技术
第9章
计算机控制系统中的抗干扰技术特点、 作用和应用
2020/3/4
1
第9章 计算机抗干扰技术
本章主要内容
• 干扰的传播途径与作用方式 • 硬件抗干扰技术 • 软件抗干扰技术
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2
第9章 计算机抗干扰技术
9.1 干扰的传播途径 与作用方式
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3
第9章 计算机抗干扰技术
干扰传播途径主要有： • 电场耦合
• 磁场耦合
电场耦合
• 公共阻抗耦合
– 电场耦合又称静电耦合，是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
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第9章 计算机抗干扰技术
Un
1
jRC12 jR(C12 C2g )
U1
当导体2对地电阻R很小时，使jωR(C12+C2g) << 1时，式(9.1)可以近似表示为
Un jRC12U1
这表明干扰电压Un与干扰频率ω和幅度U1、输入电阻R、耦合电容C12 成正比关系。
当导体2对地电阻R很大，使jωR(C12+C2g) >> 1时，式(9.1)可以近似表示为
Un
C12 C12 C2g
U1
在这种情况下，干扰电压Un由电容C12和C2g的分压关系及U1所确定， 其幅值比前两种情况大得多。
因为Zr>>Zs，则
U n1
Zs Zr
U cm
• 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。
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第9章 计算机抗干扰技术
• 图 9.8(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。
•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Vc，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。
共模干扰示意图
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第9章 计算机抗干扰技术
• 对于系统的干扰来说，共模干扰大都通过差模干扰的方式 表现出来。
两种输入方式时共模电压的引入
4
第9章 计算机抗干扰技术
9.1.1 干扰的来源
计算机控制系统中干扰的来源是多方面的:
干扰
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外部干扰
外部干扰与系统结构无关，是由使用条件和外 部环境因素决定的。
主要有：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； 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；火化 放电、弧光放电、辉光放电等产生的电磁波等。
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第9章 计算机抗干扰技术
• 图 (a)所示为信号单端输入情况，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
•
U n1
Zs Zs Zr
U cm
共模电压Ucm引起系统输入端的差模干扰电压
Un2为
Un2
Zc1 Zs1 Zc1
Zc2 Zs2 Zc2
Ucm
• 若Zs1=Zs2，Zc1=Zc2，则Un2=0，系统没有
引入共模干扰。实际上，两个输入端不可能作 到完全对称，因此，Un2≠0，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
Un jMI1
其中： • ω为感应磁场交变角频率 • M为两根导线之间的互感 • I1为导线1中的电流
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第9章 计算机抗干扰技术
•公共阻抗耦合
– 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， 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 抗，对于多回路来讲，就是公共耦合阻抗。
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第9章 计算机抗干扰技术
公共电源线的阻抗耦合 公共地线的阻抗耦合
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第9章 计算机抗干扰技术
9.1.3 干扰的作用方式
• 按干扰作用方式的不同，可分为差模干扰、共模干扰和长 线传输干扰。
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，它串 联在信号源回路中，与被测信号相加输入系统。差模干扰 与被测信号在回路中处于同样的地位，也称为常态干扰或 横向干扰。
内部干扰是由系统的结构布局、线路设计、元器件 内部干扰 性质变化和漂移等原因造成的
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。
5
第9章 计算机抗干扰技术
9.1.2 干扰的传播途径
与干扰相关的几个概念：
干扰： 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。
干扰源： 产生干扰信号的原因 干扰对象： 干扰源通过传播途径影响的器件或系统 干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。
抗干扰技术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。
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