抗干扰设计论文范文1
关键词：数字电路 抗干扰设计 研究
中图分类号：tn973.3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0116-01
1 前言
随着计算机技术及集成电路的飞速发展，数字电路已被广泛应用于各个电子科技领域。但在实际应用中，数字电路的正常运转容易受到器件之间过于紧密，或器件屏蔽、布局不合理而产生的电磁干扰影响。为有效抑制电磁干扰，人们普遍将重点转向了电磁兼容技术的研究。因此，可以说电磁干扰及电磁兼容是实现数字电路抗干扰设计的突破点。
2 数字电路的干扰形成因素
（1）干扰源；干扰源是指电压突变du/dt及电流突变di/dt较大的设备、元件或信号。常见的有：继电器、雷电、电机、高频时钟、可控硅等。（2）传播路径；所谓传播路径，是指干扰由干扰源传播至各敏感器件的媒介或通路。其中，导线传导及空间辐射是最为典型的两种传播干扰路径。（3）敏感器件；敏感器件，顾名思义，即为容易受干扰影响的对象。如：A/D或D/A变换器、数字IC、单片机、弱信号放大器等。
3 数字电路抗干扰设计常用措施分析
由以上干扰因素可知，若想有效降低数字电路中的电磁干扰，在设计时应从抑止干扰源、阻断传播路径及增强敏感器件抗干扰能力等方面来加强遏止干扰形成。
3.1 抑制干扰源
干扰源的有效抑制通常是抗干扰设计的优先考虑因素，其抑制原理是将干扰源的电压及电流突变尽量降低。在实际操作中，可通过分别在干扰源的两端并联合适的电容，来使干扰源的电压突变有所降低。而电流突变的降低则恰恰相反，一般是在干扰源回路中串联电阻或电感以及增加续流二极管的方法来实现。例如，在继电器的线圈中添加续流二极管，可以抑制线圈断开造成的反电动势干扰；而将火花抑制电路并接于继电器接点两端，能够有效降低电火花对系统的干扰。
3.2 切断干扰途径
由于干扰的传播路径有传导与辐射之分，因而在抗干扰设计上要两者兼顾。传导干扰中，可根据有用信号及高频噪声的不同频带，在导线上安装合适的滤波器来过滤掉容易造成干扰的频率，从而将高频噪声的传播路径彻底阻断。辐射干扰由于是通过空间传播，因此阻断原理是尽可能拉开敏感器件与干扰源之间的距离。常用的方法是在敏感器件上添加蔽罩或用地线将二者隔离。
3.3 提高敏感器件的抗干扰性能
在数字电路的抗干扰设计中，若能对敏感器件进行正确处理，确保其尽快从失常状态中恢复，或尽量减少其对干扰信号的拾取，则可在一定程度上增强敏感器件自身的抗干扰能力。例如，布线时，为减少感应噪音，需尽可能缩小回路环面积；而尽量增粗电源线及地线，不仅减小压降，还能有效抑制耦合噪声的干扰。此外，使用看门狗及电源监控对单片机进行改良，可使整个电路系统的抗干扰能力大幅提高。
3.4 印制电路板（PCB）的合理布线
PCB作为数字电子产品的重要基础部件，其电磁兼容好坏直接影响整个数字电路设计的抗干扰效果。在对PCB进行布线设计时，务必遵循PCB设计的相关原则，以尽可能满足抗干扰要求。具体操作时应先确定好各元、器件在电路板上的确切位置，其次布置电源线和地线，接着是高速信号线的安置，最后才是低速信号线的连接。这其实也是PCB设计的一般原则，虽然线路板上的电路种类较多，但有些原理也是共通的，因此，需综合起来分析、考虑，才不至于顾此失彼。此外，线路布置好后要仔细检查，确保做到：（1）PCB上的电路基本不受外部的传导或辐射干扰影响；（2）PCB内部各电路之间无相互干扰现象；（3）PCB对外的辐射发射及传导发射明显降低，且在标准允许范围之内。
3.5 软件抗干扰方法
软件抗干扰技术具有操作方便、灵活简单且耗费低等特点，已被广泛应用于数字电路的抗干扰设计。目前已有大量实用的软件抗干扰技术被开发和采用，下面仅就数字滤波技术、软件“看门狗”技术及软件拦截技术做简单介绍：
（1）数字滤波技术；数字滤波技术在软件中的抗干扰功能是通过电磁兼容的方法对相关数据进行干扰消除来实现的。通常在采取硬件措施不能完全抑制干扰的情况下，可以通过对软件进行数字滤波处理，来进一步消除数据中的各种干扰，从而确保所采集的数据真实可靠。（2）软件“看门狗”技术；计算机控制系统中的看门狗可以防止干扰信号进入程序而造成死循环，其功能在硬、软件中均可实现。看门狗实际上是利用定时器来对主程序运行过程进行计时监控，如果到规定时间仍不复位定时器，则容易出现PC指针回不来的情况，或者说造成死循环，而到定时时间之后，看门狗就会自动使单片机恢复原位。（3）软件拦截技术；干扰作用在微控制器的CPU部位时，往往造成的破坏是最致命的，严重时会使系统完全失灵。其中典型故障是直接破坏程序中的计数器PC状态，造成程序出现“死循环”、“乱飞”、“乱跳”等情况。而在电路设计时，灵活应用软件拦截技术，可以有效克服以上问题，从而确保运行程序恢复正常。
4 结语
总之，对数字电路进行抗干扰设计是一项极其重要而又相对复杂的工作，除了上述措施之外，还有很多其它经济可行的抗干扰途径。在今后的研究实践中，还需深入挖掘、不断总结和创新，才能为电气电力设备设计工作提供更高效节能抗干扰的办法。
参考文献
抗干扰设计论文范文2
关键词：无线物联；电磁环境；干扰成因；抗干扰技术；干扰评估
中图分类号：TN972 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）01-0046-03
0 引 言
依据物联网的定义，从信息传输的角度而言，物联网可以理解为“利用一切通信手段构成智能信息传输的网络”。而从大规模应用技术层面去考量，则多种通信手段的融合就带来了电磁兼容性问题，特别是在无线环境下，通信干扰问题将更加突出。
所谓电磁兼容性（EMC），是指电子系统或通信设备工作在指定的环境中，不至于由于无意的电磁辐射而引起性能下降或发生故障的能力；同样，这一系统或设备的工作也不影响其他系统或设备的正常运行。电磁兼容性的反面即电磁干扰（EMI），两者相互依存。
无线物联网作为一个复杂的通信网络，在通信抗干扰方面，虽然通信技术体制已给出规范并采取相应措施，但是，由于物联网的广泛性和基于无线环境，特别是目前尚无统一的协调机制，迫切需要进行研究并提出具体的综合解决方案。
对于任何一个电子系统或者是信息网络，最佳的EMC应该是从其设计开始就注意EMI问题；如果在原始的设计中没有对EMC引起足够的重视，则必须在投入使用以后采取更多的抗干扰措施，才能使多个系统和设备共存。
1 无线物联频谱特征概述
从通信层面去理解，物联网实质是要利用多种通信手段来构成“网”。从这个意义上讲，无论是有线或者是无线，甚至是光网络都存在兼容性问题。而对于无线网络，抗干扰将是永恒的课题。以目前物联网应用最多的短距离无线通信技术为例，如蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、无线USB （WirelessUSB）、无线局域网Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）等，其频谱的拥挤情况就可见一斑。由于这些技术均选择了2.4 GHz（2.4～2.483 GHz）ISM 频段，再加上无绳电话和微波炉等干扰源，就使得该频段日益拥挤。图1所示是该频段的信号带宽和频谱分布。
由图1可以看出，在开放的工业频段，其频带的隔离度已非常窄，仅仅由于功率的远近效应和带外辐射及谐波干扰，就足以影响目前基于无线技术的物联网性能。因此，必须认真分析干扰因素和特征，并有针对性地采用抗干扰技术和措施[1]。
2 无线物联干扰因素和特征分析
物联网提出的时间并不长，同时需要利用多种通信手段，具有相当的复杂性。因此，本课题立足物联网中目前应用较多的无线技术，研究其相互依存和相互影响，借助像IEEE 802.15.4 标准中的抗干扰协调机制，对完善物联网的开发与应用具有非常重要的意义。就国内而言，物联网的研究与应用已成为业界的热门话题，但这些应用研究仅仅是局部的，或者是单一的，如桥梁健康监测与远程监控、人类健康监测、环境卫生监测、智能交通系统等。目前，无线方式用到的仅仅有RFID、Wi-Fi、蓝牙、无线传感网等，但未来大规模物联网应用，必然带来电磁兼容和抗干扰协调问题。
无线环境下，干扰和噪声主要分两类：一类是周期性干扰，如电台干扰；另一类是非周期性干扰，如脉冲干扰和平滑干扰。按噪声和干扰来源分，又有接收机内部噪声、天电噪声、宇宙噪声、人为噪声、无线电干扰等。一般而言，将天电噪声、宇宙噪声、人为噪声称为外部噪声，而将无线电干扰称为干扰[2]。
物联网中RFID、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等遇到的电磁干扰除了自身同频相互干扰以外，还来源于广播、电视、雷达、导航、工业等及无线通信系统，如微波中继通信、移动通信、各种无线网络等。总体来说，具体干扰成因有同信道干扰、邻道干扰、多径干扰、发信机的带外杂散干扰、接收机的寄生响应、阻塞干扰（含固定和动态）、互调干扰、工业干扰和自然干扰等。
3 抗干扰方法与措施
3.1 通信抗干扰技术与体制
现代通信抗干扰技术主要从时间域、频率域、功率域、空间域等几个方面着手，大多独立使用，但更多的时候为了提高抗干扰效果而综合运用。抗干扰技术的选择当然必须和通信系统的体制紧密结合起来，这样才能取得更好的效果。通信抗干扰技术是指实现某种抗干扰技术体制所采用的具体途径和技巧。从抗干扰技术层面而言，主要分成两大类，即扩谱通信抗干扰技术和非扩谱通信抗干扰技术。抗干扰的效能与通信干扰技术体制、通信设备用途、通信频率、数据速率和器件水平等密切相关[3]。
针对不同的通信体制，特别是无线技术，电磁兼容问题都有过相应研究和规范，并提供一些技术方案。以IEEE 802.15.4 标准为例，其内部就提供了三种机制来保证ZigBee在2.4 GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。一是空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）技术。IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制（CSMACA）中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。二是动态信道选择技术。ZigBee 个人区域网（PAN）中的协调器首先要扫描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN，而不是自己去创建一个新的PAN，这样就减少了同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上， 协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。三是选择信道算法技术。对比IEEE 802.11b 和IEEE 802.15.4 信道算法，有4 个IEEE 802.15.4 信道（n=15，16，21，22）落在3 个IEEE 802.11b 信道的频带间距上，这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的能量低，将这些信道作为IEEE 802.15.4网络的工作信道可以将系统间干扰降至最小。
以上描述的只是通信链路层次抗干扰所涉及的基础技术和技术体制，即通信信道抗干扰问题。显然，未来的无线物联网不可能仅仅停留在通信链路上面，必然上升到通信网络层面，即通信网络的抗干扰。所谓通信网络，是指在一定范围内，通过某种协议，将同类通信设备或通信系统、通信链路、接口设备等互连而成的网络。相应的，通信网络抗干扰将更加趋于复杂。
3.2 通信干扰强度的评价
通信干扰总是有强有弱的。对于一个通信系统而言，最强的干扰发生在干扰信号的体积大于通信信号的体积。所谓信号的体积，即信号的功率、频率和存在时间之积。所以，要保证通信不中断，通信信号体积必须大于干扰信号体积[4]。
4 几种通信抗干扰技术性能分析
为对抗干扰信号，降低误码率，跳频技术在目前的无线物联网络中广泛使用。经过大量的试验和实测，现以无线环境下经常遇到的主要干扰，即固定阻塞干扰、动态阻塞干扰、多径干扰、白噪声干扰、网间电磁兼容为目标进行比较。表1所列是其常用的技术和效能对比[5]。
由表1可见，不同的抗干扰技术对于不同的干扰成因，其效果大不一样。其中，高效的调制方式可以对抗多种通信干扰，从通信链路抗干扰角度而言，这种方法应当是最有效的一种技术。
同样，采用直扩通信抗干扰体制，其抗干扰技术也有多种方式，其中最有效的是多进制直扩和交织与纠错技术，这里不再赘述。
通信抗干扰一直是通信领域的研究课题，特别是在军事领域，干扰和抗干扰往往是决定“制通信权”的法宝。但是，随着现代社会的信息化程度越来越高，特别是物联网概念的提出，未来无线网络将无处不在。因此，通信网络抗干扰是非常值得研究的内容。显然，通信网络抗干扰应以通信链路为研究对象，并进一步上升到网络层面，除了比较成熟的技术应用以外，更涉及到系统论、信息论，其复杂程度也越来越高。
5 通信抗干扰评估方法
为了应对干扰，一个通信网络必然要采取相应技术措施。其综合抗干扰方法产生的效果更需要有一个评估方法。通信抗干扰评估通常从三个方面进行，其一是根据评估对象的特点和评估用途，选择合理的综合评估方法；其二是根据一定的规则，确定所需要的指标体系；第三是根据相应的算法，进行多项指标的综合评估，得出最终的结果[6]。评估方法通常有解析法、统计法、计算机仿真法等。主要技术指标通常有工作频段、业务种类、工作方式、信息速率、发射功率、信号处理时延、天线性能、组网方式等。图2所示是基于层次分析法的抗干扰评估指标体系[7]。
6 结 语
从本文的研究可以看出，基于无线环境下的物联网应用，特别是大规模应用，其总体EMC和协调是非常复杂的。通信设备和链路组网以后，其抗干扰性能除了进行大量的实际测试以外，通常需要进行系统性能仿真，这样才能得到比较真实的数据，但是，首先要建立可靠性模型。例如，可以类似正五边形设定模型，其中每边为一条通信链路的可靠度，顶点为节点。显然，通信网络的可靠度建立在链路和节点可靠度之上，此外还与网络的拓扑结构有关[8]。概括来说，通信网络抗干扰仿真主要应当从以下几个方面入手：
（1） 明确通信网络的地理布局和应用场景，掌握链路采用的抗干扰技术；
（2） 提取电波传播、抗干扰技术参数以及干扰信号参数；
（3） 由误码率到可靠度的映射得到各条通信链路的可靠度；
（4） 建立可靠性数学模型，画出加权图。
本课题研究的是一个较具体且烦杂的内容，需要进行大量的测试和仿真以及后期数据处理，本文只进行了初步研究，后续可通过子课题进行专项研究和总结，以便为将来物联网大规模应用提供抗干扰解决方案。
参 考 文 献
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抗干扰设计论文范文3
【关键词】单脉冲雷达；干扰；雷达对抗；仿真
1.引言
在未来的军事作战中，电子对抗能力的强弱直接关系到舰载电子系统的综合作战能力的发挥，面对现代雷达采用频率捷变、旁瓣对消和匿影、脉冲压缩，以及多普勒滤波等多种抗干扰措施（ECCM），使作战飞机的自卫干扰或远距离支援干扰效果大为降低，甚至完全失去作用。现代雷达多采用单脉冲测角体制以实现高精度跟踪，因此研究对抗单脉冲雷达的技术成为军事迫切需求[1]。
针对单脉冲雷达通用的角度欺骗干扰样式[2][3]，一般有三种，交叉极化干扰、交叉眼干扰和非相干干扰，它们可以有效干扰单脉冲测角雷达的正常工作，本文主要研究交叉眼干扰对单脉冲雷达的干扰技术。
2.交叉眼干扰模型
3.对交叉眼干扰的计算机仿真
仿真条件：设飞机位于雷达的正北方，初始距离为60km，飞机往正南方向进行突防，速度为，飞机进行自卫式干扰，干扰机转载机两翼上，两干扰机之间的距离，其中一台干扰机对信号进行移向，两干扰机的转发增益分别为，（b～1）。我们只考虑角度的偏移，忽略转发延时造成的距离迁移。飞机的真实航迹和飞机发射干扰信号时雷达测得的航迹如图4所示。
4.结论
根据仿真结果，可以得到交叉眼角度欺骗干扰策略：
1）干扰机数：一部携带两个相干干扰源的干扰机，或两部相干干扰机；
2）干扰样式：交叉眼干扰；
3）干扰机位置，干扰功率的确定：此时干扰机位置即干扰距离、干扰角度（两干扰源对雷达的角度）。两个干扰源须分布在单干扰源能使雷达偏离的最大角度范围内；
4）两干扰信号相位的确定：两干扰信号在雷达天线口面处须稳定的反相；
5）干扰频率的确定：对准雷达频率；
6）干扰天线方向图：在雷达位置先验已知的情况下，干扰天线波束指向雷达位置。
5.结束语
本文从对抗单脉冲雷达的交叉眼干扰数学模型入手，研究了交叉眼干扰基本原理。并结合具体电子对抗仿真条件，对干扰机针对单脉冲雷达实施交叉眼干扰进行了仿真，得出了干扰机实施交叉眼干扰的干扰策略，对实际研究对抗单脉冲雷达使用提供了理论依据。
参考文献
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[2]王慧萍，张友益.一种交叉眼干扰技术实现的新方法[J].舰船电子对抗，2007（6）.
抗干扰设计论文范文4
关键词：综合自动化；变电站；微机保护；抗干扰系统
中图分类号TM63 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）66-0164-02
随着国民经济的快速发展，社会电力需求的日益增加，各行各业对电能质量要求的不断提高，各种智能设施的普遍应用，使得电力稳定供应的要求不断增加。综合自动化变电站的微机保护抗干扰系统运用现代先进的计算机科学技术、现代电子通信通讯技术和信息处理技术等达到对变电站二次设备（包括微机保护、测量、信号、控制、故障录波、远动装置及自动装置等等）的功能进行优化设计的目的，对自动化变电站的运转情况执行监视、测量、协调和控制的一种综合系统。其主要特征是将保护、监控、协调、通信等功能通过互联网联系起来，分功能模块进行结构化设计组装，通过各种可是设备将抗干扰能力全方位提高，使变电站的管理更加先进，工作更加稳定可靠。在电力系统的运转过程中，不可避免的会产生大量的电磁场，而这一电磁场反作用于电力设备特别是二次设备。因此，必须展开对自动化变电站微机保护抗干扰系统的研究，以便早日找到最优化的变电站抗干扰的办法，供广大同仁互相借鉴。
1微机保护的原理
微机保护装置应该具有一定的抗干扰能力，同时这些装置本身不可以对周围的电子装置产生电磁干扰。微机保护装置不仅要求自身有较高的性能，同时要求可以抑制电子线路之间的相互干扰，尤其是高频数字、模拟混合电路，即应有良好的电磁兼容性。
2 综合自动化变电站内电磁干扰产生的原因
由于发电厂和变电站本身就是一个强大的电磁干扰源，在正常工作和出现故障时，都会产生各种电磁干扰。同一个电力系统内的各种电力设备，无论是改变运行方式，出现故障或进行开、关等操作时，都会引发电磁振荡，这些电磁场的波会对很多电力设备的工作性能产生影响。电磁干扰主要表现在一次设备与一次设备、一次设备与二次设备、二次设备与二次设备之间，包括工作频率、谐波、冲击和高频振荡。
1）开、关操作引起电磁干扰；
2）二次回路的操作引起电磁干扰；
3）短路产生的大电流对二次设备产生干扰；
4）大型变压器、发动机和电动机、高压导线等都会产生射频干扰；
5）雷雨天气时会产生雷电干扰，雷电流最高可达200KA，经避雷器导入地面，使得地面上的电网电位分布极不均匀；
6）电力系统一次设备和二次设备之间不断发生电磁的耦合，会产生耦合干扰。
3 综合自动化变电站微机保护抗干扰的原理
抵御电磁干扰的一个基本理念，就是设计一个合理的能够最大程度抵消电磁场量的方案。要想实现自动化变电站微机保护系统抗干扰的要求，应该找到干扰源抑制、削弱干扰源，切断电磁耦合的所有路径，降低电力设备对电磁干扰的敏感性。外部干扰源产生于不受控制的自动化变电站的外部，基本上是无法将其消除的，但是可以对其进行抑制。
3.1 屏蔽
1）电机设备与自动化系统的输入输出的连接电缆的两端有屏蔽部分，也可以对电磁干扰有一定的削弱作用；
2）电机设备内部，某些自动化系统中的某些互感器中有可起到相当明显的削弱干扰作用的屏蔽部分；
3）电机的机箱或机柜的电力输入端对地接一个耐受高压的小电容，可有效抑制外部的高频干扰，在有效遏制电流变化是对微机保护的干扰上取得了显著效果；
4）变电站系统所使用的金属材料也可以对干扰起到一定程度的屏蔽作用。
3.2 与地面连接
1）虽然将电气设备与地面连接是以防雷击为主要的目的，但是也可以在减弱电磁干扰方面起到一定作用。
2）二次系统接地可从工作和保护两大方面出发。工作接地可以有效保证电机设备电流的稳定性，从而减少干扰的发生。而保护接地是采取的辅助手段。
3.3 隔离
采取合理的隔离措施，可以减小传到系统的电磁干扰。
1）由于在电力企业中各个仪器如应用自动化所用到的各种计算机系统所采集到的数据，大部分来自于最初系统的各个电气设备经过一定变化产生的，并经由强电回路输出，并不能直接流入自动化系统，必须经过隔离变压器的有效隔离，并且隔离变压器一次、二次之间的屏蔽层必须配合接地措施，才能有效起到屏蔽效果；
2）自动化系统开关量的输入和输出，主要是受断路器、隔离开关的辅触点和主变压器分接头位置等的控制。并且这些开关都处于强电回路中，如果将这些开关都与自动化系统直接连接，就会引入强电磁干扰。因此，要对光电耦合装置或继电器触点进行隔离；
3）其他隔离的手段主要有：在二次回路中在布置线路时应采取隔离措施；信号线的传输应进行分类使用；并且传输信号的电缆应与其他用途的电缆分开使用；给电气设备中的二次设备配导线时，需注意避免各回路的相互感应所引起的干扰。
3.4 雷电天气加强保护的措施
加装雷电过电压保护装置是消除系统内模拟量输入通道干扰的主要手段之一。
3.5 计算机导线抗干扰
由于绝大多数的微机保护抗干扰系统和其他一些电气设备其供电电源线通常采用民用电流,任何因素对电网造成的冲击、电压和频率的大幅波动都可直接或间接影响微机系统的正常运行，甚至会造成计算机死机，其中计算机的电源导线是计算机受到干扰的主要途径。所以，对计算机交流供电系统的抗干扰措施的大力实施至关重要。
4 提高自动化变电站微机保护抗干扰能力的措施
1）加强设备管理，不断钻研新的合理化的组装方法，找出更多解决问题的解决方法，不断对设备进行同步升级，使其适用于新的发展方向；2）加强工作人员工作能力，不断学习新的科学文化知识，并将理论与实际相结合，改善以往的不足之处，不断的改革创新；3）多与同行业的优秀代表切磋交流，学习新的经验与技术，使自动化变电站微机保护抗干扰系统的技术水平不断提高。
5结论
随着综合变电站自动化的水平不断提高，大量的计算机和互联网通信技术的使用使变电站自动化系统的抗干扰能力也有了很大的进步。但是，对于抗干扰工作的进一步加强和改进，我们要做的工作还有很多，可以说是任重而道远。我们既要保护现有的仪器设备和电气自动化装置，又要继续加大力度去争取更加先进的技术，学习更加先进的理论知识。在对现有知识结构的不断深化的前提下，也要继续吸取更多领域的精华，将其融会贯通，应用到变电站自动化微机保护抗干扰系统中来。本文较全面的阐述了自动化装置抗干扰的原理，也揭示了各种干扰源产生的原因，并给出了如何继续加强抗干扰工作的几点建议，希望以此作为业界各个工作岗位有意义的参考指导。
参考文献
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抗干扰设计论文范文5
关键词： 四旋翼飞行器；自抗扰控制；扩张状态观测器； PID控制
中图分类号：TP29 文献标识码：A
Abstract：【目的】To test whether the ADRC can be applied in quadrotor flight control system。【方法和过程】This paper introduces the principle of ADRC and basic components.In view of the quadrotor flying at low speed or hover state，the writer puts forward a method of control system based on ADRC and on the simulation platform for stability control experiments，height control experiments，and analysis of the experiment compared with the PID control system .【Y果】The simulation results show that： the control system based on ADRC has good dynamic quality ，steady precision and strong robustness.【结论】The adrc designed in this paper can be used in quadrotor flight control system.
Key words：quadrotor；ADRC；ESO；PID
1引言
四旋翼飞行器是一种比较热门的新型旋翼无人机，由于其具有机械结构简单、可垂直起降、成本较低等特点，因此被大量应用于侦查，巡线，喷洒农药等领域。飞行控制系统设计是整个四旋翼飞行器控制系统的核心，常用的方法有PID[1]，反步法[2]、自适应法、滑模法、LQ[3]等。传统的PID控制器采用控制目标与实际输出之间的误差产生控制策略，但其调整时间较长，抗干扰能力较弱等缺点不能很好的满足四旋翼飞控系统动态指标的实现。而后面这些基于现代控制理论的方法一般需要精确的数学模型且算法复杂，不利于实际控制应用。
我国学者韩京清[4]提出的自抗扰控制方法是一种新型的控制技术，具有抗干扰能力强、响应速度快及算法简单的特点，在大量理论研究和工程实际中均得到应用。它通过状态观测器实时估计系统在工作时受到的外界干扰及系统本身的内扰，并对其进行补偿，从而得到优良的控制品质。本文设计了一种自抗扰控制器，并进行了仿真实验，检验了该自抗扰控制器的控制性能。
2四旋翼飞行器动力学模型
四旋翼飞行器如图1所示，具有四个对称分布的独立螺旋桨，由四个独立的电机驱动绕三个机体轴和沿三轴线进行六自由度[5][6]运动。根据牛顿-欧拉法，对四旋翼飞行器进行动力学建模。四旋翼飞行器坐标系如图2所示。
考虑到室内或室外无风条件下，四旋翼无人飞行器慢速飞行或悬停，对飞行器作以下假设：四旋翼飞行器为均匀对称的刚体，忽略旋翼中心至飞行器几何中心的垂直距离，忽略其它外界干扰。基于上述假设条件的四旋翼飞行器动力学模型为：
其中Φ、θ、ψ分别为俯仰角、滚转角、偏航角，IX、IY 、IZ分别为飞行器绕三个机体坐标轴的转动惯量，Jr为旋翼绕电机轴的转动惯量，Ωi为第i个旋翼的转速，U1=b（Ω12+Ω22+Ω32+Ω42）、U2=b（Ω42-Ω22）、U3=b（Ω32-Ω12）、U4=d（Ω12+Ω32-Ω22-Ω42），Ωr=Ω2+Ω4-Ω1-Ω3，b为推力系数，d为阻力系数。
3自抗扰控制器设计
3.1自抗扰控制器原理
自抗扰控制器的基本组成包含扩张状态观测器和扰动估计的补偿两部分，其中实时估计扰动及补偿的功能是自抗扰控制器最本质的功能。因此只要具有这个功能，该控制器即可称为自抗扰控制器[7]。如图3所示为一个典型的二阶自抗扰控制器。
3.2控制器设计方案
由式（1）可以看出四旋翼飞行器系统三个姿态通道存在耦合关系。但在姿态角速率变化较小时，相互间的耦合影响可以忽略，因此能够按单通道控制系统分别设计。本文所采用的PID-ADRC控制器由PID控制器和扩张状态观测器（ESO）组成，对俯仰、横滚、偏航、高度四个通道[8][9]独立控制，整个系统的结构如图4所示。
在姿态控制过程中，不希望角度响应存在超调，因为角度会影响位置的运动，角度偏大或者振动会导致多旋翼飞行器在飞行的过程中姿态不稳定，甚至有坠机的危险，所以不采用欠阻尼系统（0
由式（3）知道性扩张状态观测器的特征方程[11]为s3+β01s2+β02s+β03，需选取合适的参数β01，β02，β03才能较为准确的估计被测对象的状态以及总扰动。通常较稳定的特征方程形式为（s+ω0）3，于是把参数β01，β02，β03配置成3ω0，3ω02，ω03形式。通常ω0=3～5ωc。
4仿真实验与结果分析
4.1姿态稳定控制实验
首先在SIMULINK中对四旋翼飞行器姿态稳定控制进行仿真实验。多旋翼飞行器的参数采用EPFL的OS4[12][13]飞行器（“十”字形四旋翼飞行器），其固有参数包括：质量m=0.65kg，机架臂长l=0.23m，Ix=0.0075kg・m2，Iy=0.0075kg・m2，Iz=0.013kg・m2。经过微调，控制器参数选取为：β01=120、β02=4800、β03=64000。设定初始横滚角为20?，俯仰角15?，偏航角10?，仿真指令是让飞行器从高度0m至2m将姿态角稳定在0?。仿真曲线如图9所示。
从图9可以看出， 三个姿态角在0.8s内，高度在1.5s左右达到设定值， 没有超调，振荡极小，体现了该控制器的姿态稳定控制能力。
4.2与PID控制器对比实验
在四旋翼飞行器的实际飞行过程中，会因为外界干扰出现轻微的抖动，该仿真实验模拟四旋翼飞行器在悬停时受外界干扰后姿态的调整过程。因四旋翼飞行器为对称结构，滚转角和俯仰角仿真曲线类似，限于篇幅，该实验只分析滚转通道与偏航通道。为了比较本文所设计控制器和PID控制器的抗扰动能力，在横滚通道加入正弦干扰信号0.05sin（t），在偏航通道加入正弦干扰信号0.1sin（2t）。初始的滚转角、偏航角分别为10?、6?。仿真指令是将姿态角恢复到0?。两个通道的仿真曲线如图10所示，仿真测试时间为20S，在干扰力矩作用下，PID-ADRC控制器跟踪效果依然理想，满足预期的设计要求。而PID控制器的响应曲线虽然能够跟踪设定值，但会产生振荡。由实验数据可知，本文所设计控制器很好地跟踪并补偿了所加扰动。
5 结束语
（1）针对四旋翼飞行器动力学模型，设计了一种PID-ADRC自抗扰控制器。
（2）在SIMULINK中搭建了系统仿真图，并通过进行姿态稳定控制、干扰力矩作用下与PID控制器对比等仿真实验来验证所设计控制器的抗扰性和鲁棒性，仿真结果证明该控制器能够稳定运行，具有较好的鲁棒性与控制精度。
（3）由于扩张状态观测器将未建模动态、耦合影响及外部干扰影响作为总和干扰进行估计并动态反馈补偿，使得自抗扰控制器的设计无需精确的四旋翼飞行器被控模型，克服了实际中难以建立精确被控模型并获取外界干扰的困难，具有工程应用价值。
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抗干扰设计论文范文6
[论文摘要]研究分析电磁干扰产生的原因、特点及干扰对电力远动系统的影响,从设计的角度对铁路电力远动监控系统进行抗干扰分析研究。
抗干扰设计是电力远动监控系统安全运行的一个重要组成部分,在研制综合自动化系统的过程中,如果不充分考虑可靠性问题,在强电场干扰下,很容易出现差错,使整个电力远动监控系统无法正常运行或出错误(误跳闸事故等),无法向站场和区间供电,影响铁路行车安全。
一、电磁干扰产生的原因及特点
(一)传导瞬变和高频干扰
1.由于雷击、断路器操作和短路故障等引起的浪涌和高频瞬变电压或电流通过变(配)电所二次侧进入远动终端设备,对设备正常运行产生干扰,严重还可损坏电路。2.由电磁继电器的通断引起的瞬变干扰,电压幅值高,时间短、重复率高,相当于一连串脉冲群。3.铁路电力供电中,特别是现代高速铁路对电力要求都比较高,一般都是几路电源供电,母线投切转换比较频繁,振荡波出现的次数较多。
(二)场的干扰
1.正常情况下的稳态磁场和短路事故时的暂态磁场两种,特别是短路事故时的磁场对显示器等影响比较大。2.由于断路器的操作或短路事故、雷击等引起的脉冲磁场。3.变电所中的隔离开关和高压柜手车在操作时产生的阻尼振荡瞬变过程,也产生一定的磁场。4.无线通信、对讲机等辐射电磁场对远动终端会产生一定的干扰,铁路中继站通常会和通信站在一处,通信发射塔对中继站电力远动终端设备的干扰比较大。
(三)对通信线路的干扰
1.铁路变电所远动终端的数据由串口通信经双绞线进入车站通信站,再经过转换成光信号沿铁通专用通信光缆送至电力远动调度中心,遥信和遥控数据在变电所到通信站的过程走的是电信号,由于变电所高低压进出线缆很多,远动终端受的干扰比较大。2.中继站一般距铁路都比较近,列车通过时的振动对远动终端设备有一定的干扰。
(四)继电器本身原因
继电器本身可能由于某种原因一次性未合到位而产生干扰的振动信号,或负荷开关、断路器、隔离开关等二次侧产生振动信号。
二、干扰对电力远动系统的影响
无论交流电源供电还是直流供电,电源与干扰源之间耦合通道都相对较多,很容易影响到远动终端设备,包括要害的CPU;模拟量输入受干扰,可能会造成采样数据的错误,影响精度和计量的准确性,还可能会引起微机保护误动、损坏远动终端设备和微机保护部分元器件;开关量输入、输出通道受干扰,可能会导致微机和远动终端判断错误,远动调试终端数据错误远动终端CPU受干扰会导致CPU工作不正常,无法正常工作,还可能会导致远动终端程序受到破坏。
三、抗干扰设计分析
(一)屏蔽措施
1.高压设备与远动终端输入、输出采用有铠装(屏蔽层)的电缆,电缆钢铠两端接地,这样可以在很大程度上减小耦合感应电压。2.在选择变电所和中继站电力设备时尽量选设有专门屏蔽层的互感器,也有利于防止高频干扰进入远动终端设备内部。3.在远动终端设备的输入端子上对地接一耐高压的小电容,可以有效抑制外部高频干扰。
(二)系统接地设计
1.一次系统接地主要是为了防雷、中性点接地、保护设备,合适的接地系统可以有效的保障设备安全运行,对于断路器柜接地处要增加接地扁铁和接地极的数量,设备接地处增加增加接地网络互接线,降低接地网中瞬变电位差,提高对二次设备的电磁兼容,减少对远动终端的干扰。2. 二次系统接地分为安全接地和工作接地,安全接地主要是为了避免工作人员因设备绝缘损坏或绝缘降低时,遭受触电危险和保证设备安全,将设备外壳接地,接地线采用多股铜软线,导电性好、接地牢固可靠,安全接地网可以和一次设备的接地网相连;工作接地是为了给电子设备、微机控制系统和保护装置一个电位基准,保证其可靠运行,防止地环流干扰。
3.由于高低压柜本身都是多都是采用镀锌薄钢板材料,本身也有屏蔽作用,将高低高柜都可靠接地。4.远动终端微机电源地和数字地不与机壳外壳相连,这样可以减小电源线同机壳之间的分布电容,提高抗共模干扰的能力,可明显提高电力远动监控系统的安全性、可靠性。
(三)采取良好的隔离措施
1.为避免远动终端自身电源干扰采取隔离变压器,电源高频噪声主要是通过变压器初、次级寄生电容耦合,隔离变压器初级和次级之间由屏蔽层隔离,分布电容小,可提高抗共模干扰的能力。2.电力远动监控系统开关量的输入主要断路器、隔离开关、负荷开关的辅助触点和电力调压器分接头位置等,开关量的输出主要是对断路器、负荷开关和电力调压器分接头的控制。3.信号电缆尽量避开电力电缆,在印刷远动终端的电路板布线时注意避免互感。4.采用光电耦合隔离,光电耦合器的输入阻抗很小,而干扰源内阻大,且输入/输出回路之间分布电容极小,绝缘电阻很大,因此回路一侧的干扰很难通过光耦送到另一侧去,能有效地防止干扰从过程通道进入主CPU。
(四)滤波器的设计
1.采用低通滤波去高次谐波。2.采用双端对称输入来抑制共模干扰,软件采用离散的采集方式,并选用相应的数字滤波技术。
(五)分散独立功能块供电,每个功能块均设单独的电压过载保护,不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏,也减少了公共阻抗的相互耦合及公共电源的耦合,大大提高供电的可靠性。
(六)数据采集抗干扰设计
1.在信息量采集时,取消专门的变送器屏柜,将变送器部分封装在RTU内,减少中间环节,这样可以减少变送器部分输出的弱电流电路的长度。2.遥信由于合闸一次不到位或由于二次侧振动而产生的误遥信干扰信号,并且还会产生尖脉冲信号,也可能对遥信回路产生干扰误遥信号。
(七)过程通道抗干扰设计
(八)印刷电路板设计。在印刷电路板设计中尽量将数字电路地和模拟地电路地分开;电源输入端跨接10~100μF的电解电容。
(九)控制状态位的干扰设计
(十)程序运行失常的抗干扰设计
(十一)单片机软件的抗干扰设计
(十二)对于终端至通信站的数字通信电缆加穿钢管,特别是穿越其他电力电缆时,避免和其他电力电缆等同沟敷设并保持一定的交叉距离。
