《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、4 mA輸入——0000 0000 0000,20mA輸入——1111 1111 1111,計(jì)算機(jī)控制,典型單回路控制系統(tǒng)方塊圖,第六章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),6.1 概述,,工作過(guò)程,工作過(guò)程：①數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)自于測(cè)量變送裝置的被控變量瞬時(shí)值； ②控制決策：根據(jù)采集到的被控變量按一定的控制規(guī)律進(jìn)行分析和處理，決定控制行為，產(chǎn)生控制信號(hào)；如PID運(yùn)算 ③控制輸出：根據(jù)控制決策實(shí)時(shí)地向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，完成控制任務(wù)。,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成,硬件組成,? ? ? 系統(tǒng)軟件 支持軟件 應(yīng)用軟件,系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序等，它是支持軟件及各種應(yīng)用軟件

2、的最基礎(chǔ)的運(yùn)行平臺(tái)。 如：Windows操作系統(tǒng)、Unix操作系統(tǒng)等都屬于系統(tǒng)軟件。,它運(yùn)行在系統(tǒng)軟件的平臺(tái)上，是用于開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件的軟件。例如：匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、通信網(wǎng)絡(luò)軟件、組態(tài)軟件等。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，需要了解并學(xué)會(huì)使用相應(yīng)的支持軟件，能夠根據(jù)系統(tǒng)要求編制開(kāi)發(fā)所需要應(yīng)用軟件。不同系統(tǒng)的支持軟件會(huì)有所不同,應(yīng)用軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員針對(duì)特定要求而編制的控制和管理程序。不同控制設(shè)備的應(yīng)用軟件所具備的功能是不同的。,軟件組成,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想,1. 可靠性,2. 可維護(hù)性,3. 實(shí)時(shí)性,4. 性能價(jià)格比,定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它通常用概率來(lái)表示,可維

3、護(hù)性是指故障發(fā)生后通過(guò)維修使系統(tǒng)恢復(fù)的能力。 它主要體現(xiàn)在易于查找故障，易于排除故障。,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是指被控信號(hào)的輸入、運(yùn)算和輸出都要在一定的時(shí)間內(nèi)完成，并能根據(jù)生產(chǎn)工況的變化進(jìn)行及時(shí)的處理，亦即系統(tǒng)對(duì)被控信號(hào)的變化具有足夠快的響應(yīng)速度，不丟失信息，不延誤操作。,一個(gè)良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在充分考慮系統(tǒng)性能的同時(shí)，也需要分析系統(tǒng)應(yīng)該帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，即系統(tǒng)性能和投入之間的關(guān)系以及系統(tǒng)投入與產(chǎn)出之間的關(guān)系。 一般我們要掌握以下兩個(gè)原則： 一是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能價(jià)格比要盡可能高； 二是投入產(chǎn)出比要盡可能低。,數(shù)字PID的主要組成,下面來(lái)看看各個(gè)組成部分,6.2信號(hào)采集與處理,信號(hào)采集

4、—— 采樣速率,幾乎沒(méi)有信號(hào)丟失,連續(xù)信號(hào),發(fā)生了什么？,快速采樣,慢速采樣,,,信號(hào)采集 —— 采樣速率,連續(xù)信號(hào),發(fā)生了什么？失真,慢速采樣,,失真：當(dāng)采樣速率與信號(hào)的 變化相比太慢會(huì)造成失真。 Shannon定理：采樣頻率必須 大于等于信號(hào)最高頻率的兩倍。,信號(hào)采集 —— 信號(hào)保持,保持會(huì)改變動(dòng)態(tài)嗎？,連續(xù)信號(hào),,零階保持后的信號(hào),,在執(zhí)行控制期間信號(hào)保持為上次采樣的值,信號(hào)采集 —— 信號(hào)保持,連續(xù)信號(hào),,保持后的近似連續(xù)信號(hào),,與原始信號(hào)有約半個(gè)采樣周期的純滯后,A/D轉(zhuǎn)換,,硬件實(shí)現(xiàn),0～2N－1,測(cè)量值,,軟件實(shí)現(xiàn),,A/D轉(zhuǎn)換,溫度變送器的量程為50～150℃，輸出為4～20m

5、A。 假設(shè)采用12位的A/D，當(dāng)采樣值為100000000000b時(shí)， 實(shí)際的測(cè)量值是多少？,℃,數(shù)據(jù)處理與濾波,什么是噪聲？ 如何去除噪聲？,數(shù)據(jù)有效性檢查 信號(hào)補(bǔ)償 線性化處理,濾波,信號(hào)？,噪聲？,信號(hào)＋噪聲,噪聲：測(cè)量中不可再現(xiàn)的部分稱(chēng)為噪聲。,很難得到如此明確地區(qū)分！,濾波,模擬濾波電路(RC),,程序判斷濾波 中值濾波 遞推平均濾波 加權(quán)遞推平均濾波 一階滯后濾波,,如何實(shí)現(xiàn)？,數(shù)字濾波,程序判斷濾波 中值濾波 遞推平均濾波 加權(quán)遞推平均濾波 一階滯后濾波,連續(xù)三次采樣的中間值作為有效信號(hào),,,,,,數(shù)字PID,微分,比例,積分,數(shù)字PID中對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)應(yīng)為怎樣呢？,6.3數(shù)字PID

6、控制算法,數(shù)字PID —— 比例作用,微分,比例,積分,,控制器每執(zhí)行一次就計(jì)算一次,數(shù)字PID —— 積分作用,微分,比例,積分,,控制器每執(zhí)行一次就計(jì)算一次 Ts是控制周期，一個(gè)常量,數(shù)字PID —— 微分作用,微分,比例,積分,,控制器每執(zhí)行一次就計(jì)算一次,Ts是控制周期，一個(gè)常量,數(shù)字PID —— 位置式,數(shù)字PID，位置式計(jì)算到終端執(zhí)行器的輸出,將三種作用匯集起來(lái),數(shù)字PID —— 增量式,數(shù)字PID，增量式計(jì)算到達(dá)終端執(zhí)行器的變化量,位置式和增量式的比較,位置式需由外部引入初始閥位值，增量式不需要 位置式需防積分飽和，增量式不會(huì)產(chǎn)生積分飽和 只有存在偏差時(shí)，增量式才會(huì)有輸出 增量式

7、容易實(shí)現(xiàn)從手動(dòng)到自動(dòng)的切換,PID基本算法有兩路：理想PID和實(shí)際PID，這兩種PID算法的比例積分運(yùn)算相同，區(qū)別主要是微分項(xiàng)不同。,,,增量式PID的優(yōu)點(diǎn)： a位置式PID算法中的積分項(xiàng)包含了過(guò)去誤差的累積值 ，容易產(chǎn)生累積誤差，當(dāng)該項(xiàng)累積值很大時(shí)，使輸出控制量難以減小，調(diào)節(jié)緩慢，發(fā)生積分飽和，對(duì)控制調(diào)節(jié)不利。由于計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)的限制，當(dāng)該項(xiàng)值超過(guò)字長(zhǎng)時(shí)，又引起積分丟失現(xiàn)象，增式PID則沒(méi)有這種缺點(diǎn)。 b系統(tǒng)進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)切換時(shí)，增量式PID由于執(zhí)行元件保存了過(guò)去的位置，因此沖擊較小。即使發(fā)生故障時(shí)，也由于執(zhí)行元件的寄存作用。,（2）DDC的實(shí)際PID算法,理想PID難以得到滿意控制效果的主

8、要原因：一是由于理想PID算法本身存在不足，如位置式PID積分飽和現(xiàn)象嚴(yán)重，增量式PID算法在給定值發(fā)生躍變時(shí)，可能出現(xiàn)比例和微分的飽和，且動(dòng)態(tài)過(guò)程慢等；另一個(gè)原因是由于具體工業(yè)過(guò)程控制的特殊性，理想PID算法無(wú)法滿足。而有的過(guò)程希望控制動(dòng)作不要過(guò)于頻率，有的過(guò)程對(duì)象具有很大的純滯后特性，理想PID算法難于勝任。 由于實(shí)際DDC的采樣回路可能存在高頻干擾，因此幾乎在所有數(shù)字控制回路都設(shè)置了一級(jí)低通濾波器來(lái)限制高頻干擾的影響。 其體做法是：將理想PID算式與一階慣性濾波串聯(lián)，這樣即構(gòu)成實(shí)際的PID算式。,PID改進(jìn)方法 —— 不完全微分,,,,,PID改進(jìn)方法 —— 其它,微分先行,積分分離,不

9、靈敏區(qū),,,,為何采用數(shù)字控制,可實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制算法 可對(duì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視 可實(shí)現(xiàn)過(guò)程優(yōu)化 可實(shí)現(xiàn)診斷,6.4計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程,1. 直接數(shù)字量控制（Direct Digital Control－DDC）,2. 集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),3. 集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System－DCS）,4. 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System－FCS）,直接數(shù)字量控制,本質(zhì)—— 用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代一組模擬調(diào)節(jié)器，構(gòu)成閉環(huán)控制回路，用數(shù)字控制技術(shù)簡(jiǎn)單地取代模擬控制技術(shù)。,起始于50年代末期，開(kāi)辟了一個(gè)轟 轟烈烈的計(jì)算機(jī)工業(yè)應(yīng)用時(shí)代,優(yōu)點(diǎn) —— 計(jì)算靈活

10、，精度高，它不僅能實(shí)現(xiàn)典型的PID控制規(guī)律，還可以分時(shí)處理多個(gè)控制回路。此外，此DDC也很快發(fā)展到PID以外的多種復(fù)雜控制。,問(wèn)題 —— 當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不能滿足快速過(guò)程實(shí)時(shí)控制的需求。,拓展一、 集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),出發(fā)點(diǎn)：由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的體積龐大，價(jià)格非常昂貴，為了使計(jì)算機(jī)控制能與常規(guī)儀表控制相競(jìng)爭(zhēng)，企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來(lái)控制盡可能多的控制回路。,優(yōu)越性： 從表面上看——信息集中，集中型計(jì)算機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制、聯(lián)鎖控制等各種更復(fù)雜控制功能；便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)。,問(wèn) 題：由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)總體性能低，運(yùn)算速度慢，容量小，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制成很多個(gè)回路容易

11、出現(xiàn)負(fù)荷過(guò)載，而且控制的集中也直接導(dǎo)致危險(xiǎn)的集中，高度的集中使系統(tǒng)變得十分“脆弱”。,在當(dāng)時(shí)，集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不僅沒(méi)有給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)明顯的好處，反而可能?chē)?yán)重影響正常生產(chǎn)，因此這種危險(xiǎn)集中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很難為生產(chǎn)過(guò)程所接受，曾一度陷入困境。,拓展二、 集散控制系統(tǒng),出發(fā)點(diǎn)（2個(gè)方面）： (1)不能采取控制回路高度集中的設(shè)計(jì)思想，需要把控制功能分散到若干個(gè)控制站實(shí)現(xiàn)，以提高系統(tǒng)的可靠性； (2)考慮到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的整體性，各個(gè)控制系統(tǒng)（回路）的運(yùn)行應(yīng)當(dāng)服從工業(yè)生產(chǎn)管理的總體目標(biāo)。,拓展三、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)示意圖,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖,樸素意義上的 FCS結(jié)構(gòu)示意圖,?,?,計(jì)算機(jī)控

12、制系統(tǒng)的發(fā)展特征,隨著局域網(wǎng)、Internet、IT技術(shù)迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化發(fā)展成為一種趨勢(shì),概述,集散控制系統(tǒng)DCS是隨著現(xiàn)代大型工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷興起和過(guò)程控制要求的日益復(fù)雜應(yīng)運(yùn)而生的綜合控制系統(tǒng)。 Distributed Control System——DCS DCS可直譯為“分布式控制系統(tǒng)” “集散控制系統(tǒng)”是按中國(guó)人習(xí)慣理解而稱(chēng)謂的。 DCS的主要特征是它的集中管理和分散控制 它采用危險(xiǎn)分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式 DCS在電力、冶金、石油、化工、制藥等各種領(lǐng)域都得到了極其廣泛的應(yīng)用。,集散控制系統(tǒng)

13、,DCS的特點(diǎn),經(jīng)營(yíng)管理級(jí),生產(chǎn)管理級(jí),控制管理級(jí),過(guò)程控制級(jí),,,,根本：管理集中和控制分散,具體表現(xiàn)在： 分級(jí)遞階結(jié)構(gòu),,現(xiàn)場(chǎng)儀表，各種檢測(cè)儀表、執(zhí)行器……,,DCS必不可少的兩級(jí),(集散控制系統(tǒng) DCS）：分散過(guò)程控制級(jí),(集散控制系統(tǒng) DCS）集中操作監(jiān)控級(jí),向開(kāi)放式系統(tǒng)發(fā)展 智能變送器、遠(yuǎn)程I/O和現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，進(jìn)一步使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控功能下移分散 DCS、PLC、PCCS相互滲透融合，形成數(shù)字化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化的分布式控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線集成于DCS系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì) ① 現(xiàn)場(chǎng)總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成 ② 現(xiàn)場(chǎng)總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成 ③ 現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)

14、網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成,DCS的發(fā)展趨勢(shì),未來(lái)的DCS將采用智能化儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，從而徹底實(shí)現(xiàn)分散控制，并可節(jié)約大量的布線費(fèi)用，提高系統(tǒng)的易展性。OPC標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)從根本上解決了控制系統(tǒng)的共享問(wèn)題，使系統(tǒng)的集成更加方便，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)價(jià)格的下降。 基于PC機(jī)的解決方案將使控制系統(tǒng)更具有開(kāi)放性。Internet技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，將使操作界面更加友好、數(shù)據(jù)訪問(wèn)更加方便，并且Window NT將成為控制系統(tǒng)的優(yōu)秀平臺(tái)?？傊珼CS通過(guò)不斷采用新技術(shù)將向標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化、通用化的方向發(fā)展。,DCS的層次結(jié)構(gòu)中，最低級(jí)是與生產(chǎn)過(guò)程直接相連的過(guò)程控制級(jí)。 在不同的DCS中，過(guò)程控制級(jí)所采用的裝置

15、結(jié)構(gòu)形式大致相同，但名稱(chēng)各異，如過(guò)程控制單元、現(xiàn)場(chǎng)控制站、過(guò)程監(jiān)測(cè)站、基本控制器、過(guò)程接口單元等，在這里，我們統(tǒng)稱(chēng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元FCU(或控制站）。 FCU實(shí)現(xiàn)了DCS的分散控制功能，是DCS的核心部分。生產(chǎn)過(guò)程的各種參量由傳感器接受并轉(zhuǎn)換送給現(xiàn)場(chǎng)控制單元作為控制和監(jiān)測(cè)的依據(jù)，而各種操作通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制單元送到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。有關(guān)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、各類(lèi)基本控制算法都在現(xiàn)場(chǎng)控制單元中完成。 過(guò)程管理級(jí)由工程師站、操作員站、管理計(jì)算機(jī)和顯示裝置組成直接完成對(duì)過(guò)程控制級(jí)的集中監(jiān)視和管理，通常稱(chēng)為操作站。 DCS的生產(chǎn)管理級(jí)、經(jīng)營(yíng)管理級(jí)是由功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有更多的硬件構(gòu)成，這里不作闡述。,DCS的硬件體系結(jié)

16、構(gòu),以典型的中小型DCS－CENTUM-μXL為例論述FCU和操作站的硬件構(gòu)成,DCS的軟件系統(tǒng),6.5 提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的措施,6.5.1 提高元器件的可靠性 6.5.2 冗余技術(shù) 6.5.3 采取抗干擾措施,6.5 提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的措施,隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，對(duì)系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求?？煽啃缘母拍钣袃蓚€(gè)含義：一是系統(tǒng)的無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間盡可能長(zhǎng)；二是系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能迅速檢修和排除。 一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，影響其可靠性的主要因素有：元器件，物理設(shè)備的可靠性；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性及制作工藝水平；電源系統(tǒng)與接地技術(shù)的質(zhì)量；系統(tǒng)掏和隨外界干擾的能力。 因此，為

17、了提高計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，常采用提高元器件的可靠性、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的冗余技術(shù)、采取搞干擾措施、采用故障診斷和系統(tǒng)恢復(fù)技術(shù)以及軟件可靠性技術(shù)等。 6.5.1 提高元器件的可靠性 這主要是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)及元器件生產(chǎn)廠家的責(zé)任，屬于“先天性”問(wèn)題。產(chǎn)品在出廠前已經(jīng)決定了質(zhì)量的優(yōu)劣。對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，所能做的只能是一些事后的補(bǔ)救措施，包括認(rèn)真選型、老化、篩選、考核等。對(duì)元件采用篩選、老化的簡(jiǎn)便方法,是高溫貯存和功率電老煉。高溫貯存是在高溫（如半導(dǎo)體的最高結(jié)溫）下貯存24~168h；功率電老煉是在額定功率或略高于額定功率的條件下老煉一定時(shí)間（最長(zhǎng)可達(dá)168h）。 6.5

18、.2 冗余技術(shù) 所謂冗余，是指在系統(tǒng)中增設(shè)額外的附加成分，來(lái)保證整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。常用的冗余系統(tǒng)，按其結(jié)構(gòu)形式可分為并聯(lián)系統(tǒng)、備用系統(tǒng)和表決系統(tǒng)三種。 （1）并聯(lián)系統(tǒng) 在并聯(lián)系統(tǒng)中，冗余的方法是使若干同樣裝置并聯(lián)運(yùn)行。只要其中一個(gè)裝置正常工作，系統(tǒng)就能維持正常運(yùn)行。只有當(dāng)并聯(lián)裝置的每個(gè)單元都失效時(shí)，系統(tǒng)才不能工作。其結(jié)構(gòu)如圖23所示。,（2） 備用系統(tǒng) 其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖24所示。圖中A1和A2是工作單元，B為備用單元，S1、S2為轉(zhuǎn)換器。一旦檢測(cè)到工作單元出現(xiàn)故障，即通過(guò)轉(zhuǎn)換器S1和S2把備用單元投入運(yùn)行。 （3） 表決系統(tǒng) 其邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖25所示。圖中A1，

19、A2，…，An為n個(gè)工作單元，m為表決器。每,個(gè)單元的信息輸入表決器中，與其余信號(hào)比較。只有當(dāng)有效單元數(shù)超過(guò)失效單元數(shù)時(shí)，才能作出輸入為正確的判斷。 一般而言，并聯(lián)系統(tǒng)和備用系統(tǒng)的可靠程度高于單個(gè)設(shè)備。備用系統(tǒng)的可靠程度高于并聯(lián)系統(tǒng)。表決系統(tǒng)僅在一定時(shí)間范圍內(nèi)，可靠程度優(yōu)于單個(gè)設(shè)備。選擇冗余結(jié)構(gòu)時(shí)，除了考慮可靠程度以外，還要考慮性能價(jià)格比、可維護(hù)性、應(yīng)用場(chǎng)合、擴(kuò)展性能以及冗余結(jié)構(gòu)本身的控制性能等綜合作出決定。,無(wú)論采用何種冗余結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須采取措施，如更換或切離故障裝置、重新組合系統(tǒng)等。實(shí)施這種故障排除措施，稱(chēng)為冗余結(jié)構(gòu)控制。 結(jié)構(gòu)控制有邏輯結(jié)構(gòu)控制與物理結(jié)構(gòu)控制兩種。所

20、謂邏輯結(jié)構(gòu)控制就是當(dāng)二重化路徑的一路出現(xiàn)故障時(shí)，由另一種取代。這種結(jié)構(gòu)控制并不變更系統(tǒng)的物理連接關(guān)系；而物理結(jié)構(gòu)控制則是變更系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)連接關(guān)系，如變更輸入輸出設(shè)備的連接關(guān)系等。冗余結(jié)構(gòu)控制有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式。 6. 5.3 采取搞干擾措施 在影響系統(tǒng)可靠性的諸多因素中，除了系統(tǒng)自身的內(nèi)在因素外，另一類(lèi)因素則來(lái)自外界對(duì)系統(tǒng)的干擾，包括空間電磁效應(yīng)干擾、電網(wǎng)沖擊波從電源系統(tǒng)空間感應(yīng)進(jìn)入控制系統(tǒng)帶來(lái)的干擾等。對(duì)這一類(lèi)因素的干擾必須采取措施抑制。外界干擾進(jìn)入系統(tǒng)的途徑示意如圖26所示。圖中Ⅰ類(lèi)干擾是空間感應(yīng)干擾，它以電磁感應(yīng)形式進(jìn)入系統(tǒng)的任何部件和線路。Ⅱ類(lèi)干擾是通過(guò)對(duì)通道的感應(yīng)、

21、傳輸耦合、地線聯(lián)系進(jìn)入通道部分的干擾。Ⅲ類(lèi)干擾是電網(wǎng)的沖擊波通過(guò)變壓器耦合系統(tǒng)進(jìn)入電源系統(tǒng)而傳到各個(gè)部分的。,針對(duì)不同的干擾有多種不同的抑制干擾措施，主要有屏蔽、濾波、隔離和吸收等。 （1） 電磁干擾的屏蔽 主要是利用金屬網(wǎng)、板、盒等物體把電磁場(chǎng)限制在一定空間內(nèi)，或阻止電磁場(chǎng)進(jìn)入一定空間。屏蔽的效果主要取決于屏蔽體結(jié)構(gòu)的接縫和接觸電阻。接縫和接觸電阻會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)或電場(chǎng)的泄漏。屏蔽可以直接利用設(shè)備的機(jī)殼實(shí)現(xiàn)。機(jī)殼可采用鋁材料制成。 （2） 隔離技術(shù) 常用的有隔離變壓器和光電耦合器，如圖27所示。光電耦合器的利用光傳遞信息，它由輸入端的發(fā)光元件與,輸出端的受光元件組成。由于輸入與

22、輸出的電氣上是完全隔離的，避免了地環(huán)路的形成。因而在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。,（3）共模輸入法 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，由于對(duì)象、通道裝置比較分散，通道與被測(cè)信號(hào)之間往往要長(zhǎng)線連接，由此造成了被測(cè)信號(hào)地線和主機(jī)地線之間存在一定的電位差，它作為干擾，同時(shí)施加在通道的兩個(gè)輸入端上，稱(chēng)為共模干擾。共模干擾的影響如圖28所示。 共模干擾的抑制措施，常用的方法是：采用高共模抑制比的差動(dòng)放大器；采用浮地輸入雙層屏蔽放大器；光電隔離；使用,隔離放大器等。 例如，將輸入信號(hào)的屏蔽層和芯線分別接到差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端，構(gòu)成共模輸入。這時(shí)因地線間的干擾電壓不能進(jìn)入差動(dòng)輸入端，因而有效地抑制了干擾

23、。圖29是其等效電路圖，其中Vs是信號(hào)源，Vg是干擾源。,（4） 電源系統(tǒng)的干擾抑制 由電源引入的干擾是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾源。干擾有從交流側(cè)來(lái)的，也有從直流側(cè)來(lái)的。例如，由交流電網(wǎng)我的負(fù)荷變化引入的50Hz正弦波的畸變；由交流輸入電線接收的空間高頻信號(hào)；交流電網(wǎng)的電壓波動(dòng)；由于數(shù)字電路的脈沖信號(hào)通過(guò)電源傳輸引起的交叉干擾等。對(duì)于不同的干擾需要采取相應(yīng)的措施抑制。 ① 交流側(cè)干擾的抑制 對(duì)于交流側(cè)的干擾主要采取以下一些方法抑制之。 濾波 交流電源用的濾波器是一低通濾波器，一般采用集中參數(shù)的π型濾波器。濾波器的電容耐壓應(yīng)兩倍于電源電壓的峰值。有時(shí)敢將數(shù)個(gè)具有不同截止頻率的低

24、通濾波器串聯(lián)，以獲得好的效果。對(duì)于這類(lèi)濾波器，必須加裝屏蔽盒，且濾波器的輸入和輸出端要嚴(yán)格隔離，防止耦合。 屏蔽 變壓器繞組加屏蔽后，初次級(jí)間的耦合電容可以大大減速少。變壓器屏蔽層要接地，初級(jí)繞組的屏蔽層接地是與交流“地”相接。而次級(jí)繞組的屏蔽層和中間隔離層都與直流側(cè)的工作,數(shù)小的電源外，還要克服因脈沖電路運(yùn)行時(shí)引起的交叉干擾。主要使用去耦法，即在各主要的集成電路芯片的電源輸入端，或在印刷電路板電源布線的一些關(guān)鍵點(diǎn)與地之間接入一個(gè)1~10F的電容。同時(shí)為了濾除高頻干擾，可再并聯(lián)一個(gè)0.01F左右的小電容。 （5） 布線的防干擾原則 在控制設(shè)備的布線中要注意以下幾點(diǎn)基本原則。

25、強(qiáng)、弱信號(hào)線要分開(kāi)；交流、直流線要分開(kāi)；輸入、輸出線要,“地”相連，如圖30所示。 穩(wěn)壓 對(duì)于交流電壓的波動(dòng)，可采用交流穩(wěn)壓器。對(duì)于大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)布景方都應(yīng)有交流穩(wěn)壓器。另外，為了吸收高頻的短暫過(guò)電壓，可用壓變電阻并接在交流進(jìn)線處。 ② 直流側(cè)干擾的抑制 抑制直流側(cè)的電源干擾，除了選擇穩(wěn)壓性能好、紋波系,分開(kāi)。 電路間的連線要短，弱電的信號(hào)線不宜平等，應(yīng)變成辮子線或雙絞線。 信號(hào)線應(yīng)盡量覆蓋印刷板。在雙面印刷板上，正反面的走線要垂直，走線應(yīng)短，盡量少設(shè)對(duì)穿孔。對(duì)容易串?dāng)_的兩條線要盡量不使它們相鄰和平行敷設(shè)。 （6） 接地設(shè)計(jì) 接地問(wèn)題在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)搞干擾中

26、占有重要地位?？梢哉f(shuō)，如果把接地與屏蔽問(wèn)題處理品行好，就可以解決實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中大部分干擾問(wèn)題。當(dāng)接地不當(dāng)時(shí)，將引入干擾。 接地的含義可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面。它是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。保護(hù)地線必須在大地電位上；信號(hào)地線依據(jù)設(shè)計(jì)可以是大地電位，也可以不是大地電位。 接地設(shè)計(jì)目的在于消除各電路電流流經(jīng)一個(gè)公共地線陰搞時(shí)所產(chǎn)生的噪聲電壓；避免受磁場(chǎng)和地電位差的影響，即不使其形,形成地環(huán)路；使屏蔽和濾波有環(huán)路；確保系統(tǒng)安全。 不同的地線有不同的處理技術(shù)。下面介紹一些實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中應(yīng)該遵循的接地處理原則與技術(shù)，供實(shí)際應(yīng)用時(shí)參考。 ① 消除地環(huán)路 在低頻電

27、子線路（小于1MHz）中，為了避免地線造成地環(huán)路，應(yīng)采用一點(diǎn)接地原則，如圖31所示。將信號(hào)源的地和接收設(shè)備的地接在一點(diǎn)，消除兩個(gè)地之間的電位差及其所引起的地環(huán)路。,在一點(diǎn)接地法中，共地點(diǎn)選在信號(hào)側(cè)還是接收側(cè)，要依實(shí)際情況而定。 對(duì)于高頻電子線路來(lái)說(shuō)，電感的影響將顯得突出，因而增加了地線的陰搞并導(dǎo)致各電線間的電感耦合。因此在高于10MHz時(shí)應(yīng)采用多點(diǎn)接地。當(dāng)頻率處于1~10MHz之間時(shí)，若采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超出波長(zhǎng)的1/20，否則應(yīng)考慮多點(diǎn)接地。 對(duì)于使用屏蔽線的輸入回路，當(dāng)信號(hào)頻率低于1MHz時(shí)，屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地。屏蔽層的接地點(diǎn)與電路的接地點(diǎn)一致。 ② 避免交流地與信

28、號(hào)地公用 由于在電源地線的兩點(diǎn)間可形成毫伏量級(jí)，甚至數(shù)伏的電壓，這對(duì)于小信號(hào)電路而言，是一個(gè)很?chē)?yán)重的干擾。因此，必須把交流地與信號(hào)地隔離開(kāi)來(lái)，絕不能混用。 ③ 浮動(dòng)接地與真正接地的比較 浮動(dòng)接地是指系統(tǒng)的各個(gè)接地端與大地不相連接，這種接地方法簡(jiǎn)單。但是對(duì)于與地的絕緣電阻要求較高，一般要求大于50MΩ，否則由于絕緣的下降，會(huì)導(dǎo)致干擾。此外，浮動(dòng)容易引起靜電干擾。目前多數(shù)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用浮動(dòng)接地方式。,真正接地是指系統(tǒng)的接地端與大地直接相連。只要接地良好，這種方式的搞干擾能力就比較強(qiáng)，但接地工藝比較復(fù)雜。而且，一旦接地不良，反而會(huì)引起不必要的干擾。 ④ 數(shù)字地 即邏輯地，主要是指TTL或CM

29、OS印刷電路板的地端，作為數(shù)字邏輯的零位。在印刷電路板中，地線應(yīng)呈網(wǎng)狀，而線要避免形成環(huán)路，以減少干擾。此外，地線也應(yīng)考慮具有一定寬度，一般不要小于3mm。 ⑤ 模擬地 作為A/D轉(zhuǎn)換、前置放大器、比較器等模擬信號(hào)傳遞電路的零電位。當(dāng)模擬測(cè)量信號(hào)在毫伏級(jí)（0~50mV ）時(shí)，模擬地的接法是相當(dāng)重要的。主要考慮搞共模干擾的能力。 ⑥ 功率地 作為大電流網(wǎng)絡(luò)部件的零電位，如打印機(jī)電磁鐵驅(qū)動(dòng)電流、存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)電流等。功率地因流經(jīng)電流較大，故線徑比較粗。功率地應(yīng)該與小信號(hào)地線分開(kāi)，且與直流地相接。 ⑦ 信號(hào)地 即傳感器的低電位端。一般應(yīng)以小于5Ω接地電阻一點(diǎn)接地，是不浮動(dòng)的地。 ⑧ 小信號(hào)地

30、即小信號(hào)放大器（如前置放大器、功放線路等）的地端。由于輸入信號(hào)一般是毫伏級(jí)甚至是微伏量級(jí)，所以,接地應(yīng)仔細(xì)。放大器本身的地端應(yīng)采用一點(diǎn)入地方式，否則由于地線中的電位差，會(huì)引起干擾出現(xiàn)。 ⑨ 屏蔽地（機(jī)殼地） 它是為防止靜電感應(yīng)和磁感應(yīng)而設(shè)置的，也起安全保護(hù)作用。 對(duì)于電場(chǎng)屏蔽而言，主要解決分布電容的問(wèn)題，通常接大地。對(duì)于高頻對(duì)射電臺(tái)所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾，應(yīng)采用低陰金屬材料制成屏蔽體，屏蔽層最好接大地。如果主要是對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，則應(yīng)采用高導(dǎo)磁材料使磁路閉合，且應(yīng)以接大地為好。 當(dāng)系統(tǒng)中有一個(gè)不接地的信號(hào)源和一個(gè)接地（不管是否真正接大地）放大器相連時(shí)，輸入端的屏蔽應(yīng)接到放大器的公共端。反之，當(dāng)

31、接地的信號(hào)源與不接地的放大器相連時(shí)，應(yīng)把放大器的輸入端接到信號(hào)源的公共端。 一個(gè)系統(tǒng)的正確接地，也就是要處理好上述幾種地線的連線，以及相互的關(guān)系。 （7） 軟件的抗干擾措施 在前面講座的在控制算法中如何搞干擾的方法就是軟件搞干擾的一種方法。軟件設(shè)計(jì)的搞干擾措施包括數(shù)字濾波、軟件固化、,選擇性控制、指令復(fù)執(zhí)、自診斷、建立RAM數(shù)據(jù)保護(hù)區(qū)等。下面分別作一些說(shuō)明。 ① 數(shù)字濾波 就是利用程序?qū)Σ蓸訑?shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，去除或削弱干擾的影響，提高信號(hào)的真實(shí)度。數(shù)字濾波是最常見(jiàn)的搞干擾措施，對(duì)提高信號(hào)的可信度和精確性很有效果。 數(shù)字濾波有很多方法，如中值濾波、平均性的濾波、一階滯后濾波、判斷性濾波

32、等等。這些方法針對(duì)不同的干擾可以收到明顯的搞干擾效果。需要的時(shí)候，可以查閱有關(guān)文獻(xiàn)。 ② 軟件固化 即把控制系統(tǒng)的軟件，一次寫(xiě)入EPROM固化。這樣，即使受到干擾沖亂程序時(shí)，配合重啟動(dòng)措施仍可恢復(fù)程序正常運(yùn)行。而且，固化程序本身的內(nèi)部也不怕受外界因素的破壞。 ③ 選擇性控制 在一個(gè)控制程序中研制兩種不同的控制方法，一種用于正常運(yùn)行的控制，另一種用于應(yīng)付導(dǎo)演事故的處理，由此可以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 ④ 指令復(fù)執(zhí) 當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，把當(dāng)前執(zhí)行的指令重復(fù)執(zhí)行若干次，稱(chēng)為指令復(fù)執(zhí)。如果故障是瞬時(shí)性的，在指令復(fù),執(zhí)幾次后，便不會(huì)再出現(xiàn)故障，程序仍可以繼續(xù)正常運(yùn)行。指令復(fù)執(zhí)的思想可以擴(kuò)展到程序段的復(fù)執(zhí)，效果較好。 ⑤ 自診斷功能 有“在線”自診斷和“離線”自診斷兩種方式?！半x線”自診斷可以使用專(zhuān)門(mén)的診斷程序，對(duì)系統(tǒng)的各種功能進(jìn)行全面的檢查?！霸诰€”自診斷，不能占用太多的計(jì)算機(jī)時(shí)間，診斷程序也不能占用太多的內(nèi)存。因此“在線”自診斷可以是簡(jiǎn)易的、特征性的檢查。,