一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法及装置

1.本发明属于强电磁脉冲防护技术领域，具体涉及一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法及装置。


背景技术：

2.随着数字控制技术的不断进步，及高功率电磁脉冲技术的不断发展，控制系统的强电磁脉冲干扰和损伤受到广泛的关注。装备数字控制系统存在空间布置结构复杂、终端负载多样、屏蔽接地难以评估等复杂因素，因此强电磁脉冲在数字控制系统终端会耦合复杂的干扰波形。因此在开展强电磁脉冲防护的过程中难以对终端防护电路进行成本、体积和阶数的优化，通常采用试制方法，劳动量大、效果差。因此急需提出一种新的强电才脉冲终端防护设计方法，能够快速实现干扰波型的有效抑制，提升数字控制系统终端强电磁脉冲干扰和损伤的加固。
3.数字控制系统对于强电磁脉冲防护滤波器的设计主要采用限幅和rlc滤波，限幅件的结构设计趋向于集成化和简单化，主要选用气体放电管、tvs和压敏电阻等元件。在rlc滤波器设计的过程中，由于元器件分布参数的存在，滤波器只会在谐振参数附近具有较好的滤波效果。宽频带的滤波器制造困难，并且在宽频带能量的吸收使用过程中会造成较大的过冗余，增加了滤波器的设计成本和体积，限制了滤波器在一些航空设备中的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法及装置，以提升了数字控制系统的强电磁脉冲防护能力，优化了终端防护电路的体积、降低了防护成本。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，包括：
7.获取数字控制系统的终端耦合干扰波形；
8.根据终端耦合干扰波形判断是否会对控制器终端产生损伤或滤波器终端产生损伤，确定最终的耦合干扰波形；
9.根据最终的耦合干扰波形，进行时频能量分析；
10.根据频带和能量分布结果确定多级滤波器。
11.可选的，所述确定最终的耦合干扰波形，具体包括：
12.将终端耦合干扰波形参数结合数字控制器件的允许损伤阈值，判断是否会对控制器终端或滤波器终端产生损伤，若能产生损伤，对干扰波形进行限幅，获取限幅后的耦合干扰波形为最终的耦合干扰波形；若不能产生损伤，则直接将终端耦合干扰波形作为最终的耦合干扰波形。
13.可选的，所述根据最终的耦合干扰波形，开展时频能量分析，具体包括：
14.将采集的离散测量信号转化为一个二维复时频域矩阵，其中行列分别对应频率与时间分布，通过行、列向量对应得到相应频率和时间处采样信号的幅值及相位信息，即时频域信号。
15.可选的，所述采集的离散测量信号通过以下方法得到：
[0016][0017]
式中，信号时长为t，时间采样间隔为t，则信号的采样点数为n＝t/t；令f
→
n/(nt)，τ
→
kt，当f≠0时s变换写成x(f)的函数；
[0018]
对s变换进行离散，可得：
[0019][0020]
式中，k,m＝0,1,
…
,n-1；n＝1,2,
…
,n-1；
[0021]
当n＝0时,
[0022][0023]
因此得到s变换所有元素为：
[0024][0025]
可选的，利用二维复时频域矩阵及傅里叶变化将测试得到的时域信号转换为频域信号，在频域信号中分析电磁脉冲耦合进入控制系统的敏感频带；
[0026]
通过时频域分析将耦合信号的时域特性与频域特性集成在二维图像上，重构了有界波模拟器中强电磁脉冲的时频域曲线，得出控制系统耦合信号敏感频带和各敏感频带上的能量分布。
[0027]
可选的，所述根据频带和能量分布结果确定多级滤波器，具体包括：
[0028]
根据控制系统耦合信号敏感频带和各敏感频带上的能量分布：
[0029]
当外部强电磁脉冲干扰耦合进入控制系统的信号幅值较小时，不会对控制系统产生损伤，根据敏感频带连接滤波器中对应的滤波器件；
[0030]
当耦合干扰信号幅值较大时，通过连接开关接通限幅件，对耦合电磁能量进行泄放，同时增加滤环波节，对限幅后的耦合信号进行分析，根据敏感频带的位置和能量的相对关系，连接滤波器中对应的滤波器件。
[0031]
第二方面，本发明提供了一种用于第一方面所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，包括：
[0032]
壳体，所述壳体内部设置有多级差模抑制腔体及共模抑制腔体；
[0033]
所述共模抑制腔体内部连接设置有共模干扰抑制电容及限幅件，所述多级差模抑制腔体内部连接设置有差模滤波电阻及差模滤波电容。
[0034]
可选的，所述限幅件通过连接开关选择与整体回路导通断开。
[0035]
可选的，所述壳体通过设置挡板将内部分为多级差模抑制腔体及共模抑制腔体，所述共模干扰抑制电容设置为一对位于限幅件的两侧，且贯穿至多级差模抑制腔体内部与
差模滤波电阻或差模滤波电容连接。
[0036]
可选的，所述差模滤波电阻及差模滤波电容设置为若干个，且每个差模滤波电容均串联两个差模滤波电阻后互为并联连接关系。
[0037]
可选的，所述壳体两端设置有航空接插件，且所述壳体顶部设置有用于闭合的盖板。
[0038]
可选的，所述限幅件包括mov或gdt或tvs限幅件。
[0039]
本发明的有益效果和优点：
[0040]
该数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法通过针对最终的耦合干扰波形，开展时频能量分析，根据能量分析结果确定多级滤波器，通过电磁脉冲耦合电压及耦合电流的时域波形幅值判断耦合干扰能量的大小，及判断对控制系统中产生干扰的可能性，利用时频域分析的方法将耦合信号的时域特性和频域特性集成在二维图像上，可以直观的给出控制系统耦合信号敏感频带和各敏感频带上的能量分布，从而确定滤波器中连接对应的滤波器件；
[0041]
当外部强电磁脉冲干扰耦合进入控制系统内部的信号幅值较小时，采用时频域分析方法分析小幅值耦合干扰信号的频带和不同耦合频带的能量，根据敏感频带选取与滤波器相应的滤波器件消除，当耦合干扰信号幅值较大时，连通在滤波器中设置的限幅件，对耦合电磁能量进行泄放，同样对限幅过后的耦合信号进行分析，根据敏感频带选取与滤波器相应的滤波器件消除。
附图说明
[0042]
图1为本发明的耦合干扰的滤波处理流程图；
[0043]
图2为本发明的s变换计算流程图；
[0044]
图3为本发明的耦合电压时频域图；
[0045]
图4为本发明的耦合电压频域曲线图；
[0046]
图5为本发明的耦合电压时域曲线图；
[0047]
图6为本发明的滤波电路及端接阻抗形式图；
[0048]
图7为本发明的滤波器衰减参数图；
[0049]
图8为本发明的多级滤波原理图；
[0050]
图9为本发明的滤波器俯视图剖视图；
[0051]
图10为本发明的滤波器正视图剖视图。
[0052]
图中：1-壳体，2-盖板，3-航空接插件，4-多级差模抑制腔体，5-共模抑制腔体，6-挡板，7-共模干扰抑制电容，8-限幅件，9-差模滤波电阻，10-差模滤波电容。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0054]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0055]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0056]
实施例一：
[0057]
如图1至图8所示，提供了一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，包括：
[0058]
获取数字控制系统的终端耦合干扰波形；
[0059]
根据终端耦合干扰波形判断是否会对控制器终端产生损伤或滤波器终端产生损伤，确定最终的耦合干扰波形；
[0060]
根据最终的耦合干扰波形，开展时频能量分析；
[0061]
根据频带和能量分布结果确定多级滤波器。
[0062]
参考图1所示，本实施例中，采用强电磁脉冲辐照试验模拟真实工况下的数字控制系统强电磁环境，得到耦合电压或电流波形，其中包括各种分布参数、非线性特性、及终端负载特性的影响，结合数字控制器终端器件的允许损伤阈值，判断耦合波形是否会对控制器终端产生损伤或滤波器终端产生损坏，若产生损伤，采用气体放电管、mov、gdt、tvs限幅件，对干扰波形进行限幅，获取限幅后的干扰波形为最后的耦合干扰波形，若没有产生损伤，则将终端耦合干扰波形作为最终的耦合干扰波形。
[0063]
确定最终的耦合干扰波形后开展时频能量分析，包括分析耦合干扰的频带及分析不同耦合频带的能量，根据时频能量分析即频带和能量分布确定多级滤波器的设计，具体包括选择滤波器的类型、根据敏感频带选择器件及根据能量选择器件；
[0064]
参考图1及图2所示，本实施例中，通过电磁脉冲耦合电压和电流的时域波形幅值大小可以判断耦合干扰的能量大小，以及对控制系统产生干扰的可能性大小，利用傅里叶变换可以将测试得到的时域信号转换为频域信号，在频域信号中分析电磁脉冲耦合进入控制系统的敏感频带，但是不论是时域信号还是频域信号都无法同时直观的表示出电磁脉冲耦合信号敏感频带和各个敏感频带上的能量分布；
[0065]
因此利用时频域分析的方法将耦合信号的时域特性和频域特性集成在二维图像上，可以直观的给出控制系统耦合信号敏感频带和各敏感频带上的能量分布，为电磁脉冲耦合干扰滤波器设计过程中的滤出频带选择和元器件能量值的选择提供了依据。
[0066]
参考图2所示，本实施例中，具体分析如下：
[0067]
s变换(stockwell transform,st)是在stft和morlet小波为基础提出的一种新的小波变换，它是对前面两种小波变换的组合延伸[140]。s变换由高斯函数和简谐波的乘积构成，前者进行伸缩和平移，后者在时域仅作伸缩变换。信号x(t)的s变换表达式如式(1)所
示：
[0068][0069]
式中，f为频率，t为时间，b为时间轴上的位移参数。令高斯窗函数为:
[0070][0071]
由式(1)可以看出，窗函数的宽度与频率呈反比，因此s变换在低频段时窗函数较宽，进而获得较高的频率分辨率，在高频段则正好相反。
[0072]
在实际测量过程中，我们采集到的信号通常是离散的，因此常常通过快速傅里叶变换(fast fourier transform,fft)和快速傅里叶逆变换(inverse fast fourier transform,ifft)在频域内对采样信号进行离散s变换。
[0073]
设信号时长为t，时间采样间隔为t，则信号的采样点数为n＝t/t；令f
→
n/(nt)，τ
→
kt，当f≠0时s变换可以写成x(f)的函数，即：
[0074][0075]
对得到的s变换的进行离散，得到：
[0076][0077]
式中，k,m＝0,1,
…
,n-1；n＝1,2,
…
,n-1。
[0078]
而当n＝0时
[0079][0080]
因此，可以得到s变换所有元素为：
[0081][0082]
由此可知，将采集的离散测量信号转化为一个二维复时频域矩阵，其中行列分别对应设置为频率与时间，通过选取行、列向量，就可以获取对应频率和时间处采样信号的s变换的复数结果，即该结果包含了信号的幅值和相位信息。
[0083]
参考图2、图3、图4及图5所示，本实施例中采用s变换及同步挤压的方法，所述同步挤压为现有技术中时频分析方法，利用matlab编程的时频域算法对有界波模拟器中的强电场脉冲信号进行处理，如图3所示为有界波模拟器中脉冲电场的时频域图，由该时频域图可得强电磁脉冲具有较宽的频谱分量，同时可观测到强电磁脉冲的持续时间和脉冲的功率大小，图4所示为有界波模拟器中电场的频域曲线图，证明了电磁脉冲的宽频谱特性，图5所示为d-dot探头的时域波形，利用时频域分析结果得到的诗句重构了有界波模拟器中强电磁脉冲的时域曲线，且该重构的时域曲线和测量结构具有一致性，同时证明了频域分析方法能够满足强电磁脉冲信号的分析要求，
[0084]
参考图4及图5所示，本实施例中耦合电压频域曲线图及耦合电压时域曲线图为发动机燃油调节系统中转速pcb终端耦合差模电压信号的分析图，图4及图5表明转速采集系
统在强电磁脉冲场作用下，只对一些频带具有较强的耦合能力。在这些敏感频带上，电磁脉冲能量更容易耦合进入转速采集系统，对发动机燃油调节系统造成干扰或损伤，通过发动机转速采集系统耦合电压信号的频域曲线可以得到，强电磁脉冲作用下的敏感频点主要分布在40mhz、60mhz、150mhz和300mhz，并且不同频带的持续时间不同。根据转速传感器pcb终端耦合电压信号的时频域图，可以得到强电磁脉冲作用下转速采集系统耦合干扰特性。
[0085]
参考图6、图7及图8所示，本实施例中，元器件存在的分布参数会降低滤波器的性能，使滤波器无法从宽频带上消除强电磁脉冲的干扰，单级和两级滤波器的s11衰减曲线如图7所示，耦合信号是一个多频带、变能量的干扰，单级滤波器很难消除所有频带上的干扰，宽频带的滤波器设计会造成非敏感频带上的过冗余，增加滤波器的设计成本和体积，滤波器的级数与干扰信号敏感频带的个数相对应，每级滤波器的最大衰减频率位于敏感频带中心；
[0086]
因此，当控制系统整体屏蔽性能较好时，外部强电磁脉冲干扰耦合进入控制系统内部的信号幅值较小，不会对控制系统产生损伤，但是这种小幅值耦合会干扰控制系统。采用时频域分析方法分析小幅值耦合干扰信号的频带和不同耦合频带的能量，其中敏感频带与滤波器中的滤波级别相对应，根据敏感频带选取与滤波器相应的滤波器件消除；
[0087]
当耦合干扰信号幅值较大时，通过连接开关接通限幅件，对耦合电磁能量进行泄放，但是限幅件依然不能消除电磁脉冲的干扰，应增加滤波环节，同样对限幅过后的耦合信号进行分析，得到敏感频带的位置和能量的相对关系，其中敏感频带与滤波器中的滤波级别相对应，根据敏感频带的位置和能量的相对关系，选取与滤波器相应的器件。
[0088]
实施例二：
[0089]
如图9及图10所示，本实施例一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，包括：
[0090]
壳体1，所述壳体1内部设置有多级差模抑制腔体4及共模抑制腔体5；
[0091]
参考图9及图10所示，本实施例中，壳体1内部设置有挡板6将其分割为多级差模抑制腔体4及共模抑制腔体5，壳体1两端设置有航空接插件3用于连接外部器件，其中壳体1顶部通过螺栓孔及螺栓闭合连接有盖板2。
[0092]
参考图9所示，本实施例中，共模抑制腔体5内部连接设置有共模干扰抑制电容7及限幅件8，其中限幅件8通过连接开关选择与整体回路导通与断开，本实施例中，共模干扰抑制电容7优选设置为一对分别为c4、c5，其中c4及c5对应设置在限幅件8两侧，且贯穿至多级差模抑制腔体4内部与差模滤波电阻9或差模滤波电容10连接；
[0093]
本实施例中限幅件8包括mov或gdt或tvs限幅件。
[0094]
参考图9所示，本实施例中，多级差模抑制腔体4内部连接设置有差模滤波电阻9及差模滤波电容10，本实施例中差模滤波电阻9及差模滤波电容10优选设置为三对，每对包括一个差模滤波电容10均串联两个差模滤波电阻9，且每对的差模滤波电容10互为并联关系，具体的，差模滤波电阻9包括r1、r2、r3、r4、r5及r6，差模滤波电容10包括c1、c2及c3，其中c1分别与r1、r2串联，c2分别与r3、r4串联，c3分别与r5、r6串联后c1、c2及c3互相并联，每个差模滤波电容10与其串联的差模滤波电阻9为一个级别，使用时，外部耦合干扰信号从共模抑制腔体5内部网多级差模抑制腔体4内部运行，外部耦合干扰信号幅值较大时，会对后端器件产生损伤，此时连接开关接通限幅件8，对外部耦合的较大电磁能量进行泄放，泄放完毕
通过多级差模抑制腔体4中的差模滤波电阻9及差模滤波电容10进行滤波处理，当外部耦合干扰信号幅值较小时，连接开关不接通限幅件8，外部耦合干扰信号直接进入多级差模抑制腔体4，选取滤波器多级差模抑制腔体4中的滤波器级数和器件的能量耐受值，通过差模滤波电阻9及差模滤波电容10进行滤波处理；
[0095]
最终实现高强度和小强度强电磁脉冲耦合干扰的抑制，同时最大限度的降低滤波器件的能量耐受值和体积，实现滤波器高效设计的同时，减小滤波器的体积，降低滤波器的成本。
[0096]
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，其特征在于：包括：获取数字控制系统的终端耦合干扰波形；根据终端耦合干扰波形判断是否会对控制器终端产生损伤或滤波器终端产生损伤，确定最终的耦合干扰波形；根据最终的耦合干扰波形，进行时频能量分析；根据频带和能量分布结果确定多级滤波器。2.根据权利要求1所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，其特征在于：所述确定最终的耦合干扰波形，具体包括：将终端耦合干扰波形参数结合数字控制器件的允许损伤阈值，判断是否会对控制器终端或滤波器终端产生损伤，若能产生损伤，对干扰波形进行限幅，获取限幅后的耦合干扰波形为最终的耦合干扰波形；若不能产生损伤，则直接将终端耦合干扰波形作为最终的耦合干扰波形。3.根据权利要求2所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，其特征在于：所述根据最终的耦合干扰波形，开展时频能量分析，具体包括：将采集的离散测量信号转化为一个二维复时频域矩阵，其中行列分别对应频率与时间分布，通过行、列向量对应得到相应频率和时间处采样信号的幅值及相位信息，即时频域信号。4.根据权利要求3所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，其特征在于：所述采集的离散测量信号通过以下方法得到：式中，信号时长为t，时间采样间隔为t，则信号的采样点数为n＝t/t；令f
→
n/(nt)，τ
→
kt，当f≠0时s变换写成x(f)的函数；对s变换进行离散，可得：式中，k,m＝0,1,
…
,n-1；n＝1,2,
…
,n-1；当n＝0时,因此得到s变换所有元素为：5.根据权利要求4所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，其特征在于：利用二维复时频域矩阵及傅里叶变化将测试得到的时域信号转换为频域信号，在频域信号中分析电磁脉冲耦合进入控制系统的敏感频带；通过时频域分析将耦合信号的时域特性与频域特性集成在二维图像上，重构了有界波
模拟器中强电磁脉冲的时频域曲线，得出控制系统耦合信号敏感频带和各敏感频带上的能量分布。6.根据权利要求5所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法，其特征在于：所述根据频带和能量分布结果确定多级滤波器，具体包括：根据控制系统耦合信号敏感频带和各敏感频带上的能量分布：当外部强电磁脉冲干扰耦合进入控制系统的信号幅值较小时，不会对控制系统产生损伤，根据敏感频带连接滤波器中对应的滤波器件；当耦合干扰信号幅值较大时，通过连接开关接通限幅件，对耦合电磁能量进行泄放，同时增加滤环波节，对限幅后的耦合信号进行分析，根据敏感频带的位置和能量的相对关系，连接滤波器中对应的滤波器件。7.一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，其特征在于，包括：壳体(1)，所述壳体(1)内部设置有多级差模抑制腔体(4)及共模抑制腔体(5)；所述共模抑制腔体(5)内部连接设置有共模干扰抑制电容(7)及限幅件(8)，所述多级差模抑制腔体(4)内部连接设置有差模滤波电阻(9)及差模滤波电容(10)。8.根据权利要求7所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，其特征在于：所述限幅件(8)通过连接开关选择与整体回路导通断开。9.根据权利要求8所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，其特征在于：所述壳体(1)通过设置挡板(6)将内部分为多级差模抑制腔体(4)及共模抑制腔体(5)，所述共模干扰抑制电容(7)设置为一对位于限幅件(8)的两侧，且贯穿至多级差模抑制腔体(4)内部与差模滤波电阻(9)或差模滤波电容(10)连接。10.根据权利要求9所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，其特征在于：所述差模滤波电阻(9)及差模滤波电容(10)设置为若干个，且每个差模滤波电容(10)均串联两个差模滤波电阻(9)后互为并联连接关系。11.根据权利要求7或10所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，其特征在于：所述壳体(1)两端设置有航空接插件(3)，且所述壳体(1)顶部设置有用于闭合的盖板(2)。12.根据权利要求11所述的一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护装置，其特征在于：所述限幅件(8)包括mov或gdt或tvs限幅件。

技术总结
本发明公开了一种数字控制系统强电磁脉冲时频变能量防护方法及装置，方法包括：获取数字控制系统的终端耦合干扰波形；根据终端耦合干扰波形判断是否会对控制器终端产生损伤或滤波器终端产生损伤，确定最终的耦合干扰波形；根据最终的耦合干扰波形，开展时频能量分析；根据频带和能量分布结果确定多级滤波器，本发明通过电磁脉冲耦合电压及耦合电流的时域波形幅值判断耦合干扰能量的大小，及判断对控制系统中产生干扰的可能性，利用时频域分析的方法得到数字控制器将非损伤干扰信号耦合信号的时域特性和频域特性集成在二维图像上，直观的给出控制系统耦合信号敏感频带和各敏感频带上的能量分布，解决多级滤波器敏感频带和器件能量的器件选择。和器件能量的器件选择。和器件能量的器件选择。


技术研发人员：周东 石立华 王海涛 苏正炼 申金星 王硕 高立 钱坤 张焦焦 孙征
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/14