技术详细介绍
控制系统的防火墙
（专利技术）
1、引言
在互联网里经常用到防火墙这一概念，是为了防止一些非法的信息进入互联网，起到一种过滤的作用。而本文所引用的防火墙概念是为防止干扰信号，杂波、噪声进入控制系统，其次是防止任何不符合冲量概念（惯性环节）控制过程在系统内形成，以免在启动、停止过程中造成系统驱动功率部件的损坏。它有很好的防护功能，使控制系统免遭外界影响和人为控制不当的影响，保护系统正常工作，提高控制精度，降低故障率，本成果已经过2年多实际应用。
本防火墙实用于任何有模拟量输入的控制系统，例如：转速控制，液压控制，气压控制，等等。它是一个函数功能模块，能和任何模拟量输入信号进行连接，不需要进行数字转换。可以防止任何从模拟量入口进入系统内部干扰信号。防止任何控制不当的启停过程，而且能使系统性能非常稳定，不会有任何失控现象，能使系统故障率大大得降低。
本防火墙只是起隔离和防护作用，对系统内部的控制过程（如PID调节器）不受任何影响，能起到提高系统稳定性和提高控制精度的作用。
本防火墙可用于各种类型的模拟量检测装置中，可提高检测数据的稳定性和检测精度。
被测物理量通过转换器变成线性电信号，经过模数转换器存入内存变量，再经过防火墙函数，就可以得到精确而稳定的测量值。测量精度可以在模拟量转换器输入精度的基础上提高10~100倍。所测的物理量有：扭矩，功率，转速，温度，压力，流量，电压，电流等。效果非常理想。特别是扭矩测量要受到机械传动干扰和电源干扰等影响，抗干扰特性是非常明显的。
2、控制系统的防火墙函数
本防火墙函数已经过多种系统长时间的考验，曾用于1、5米立式车床90kw的直流变速装置和交流变频器中，2、用于热卷簧机的速度控制中，3、在大型多功能传动箱的转速、测量、加载试验中进行了成功的应用，并取得了很好的效果。这是我公司在多年的控制系统的开发和应用工作中取得的成果，实践中为克服外界干扰给系统带来的各种麻烦做过很多工作，其中有软件和硬件等多种控制措施，最终形成这一用函数关系式，自命名为控制系统的“防火墙函数”，下面就介绍这一函数的特性和用处。下面是控制系统防火墙函数作用图：
其中，第一个是模拟量输入特性曲线和电器系统内形成的干扰信号。
第二个是经过防火墙函数输出的特性曲线，干扰信号全部被过滤掉了。经过处理的输出曲线才能作为控制器的输入信号。
控制系统防火墙特性原理图
一、 函数特性：
这一方程式可表示为：y = ∫﹙m、x﹚,其中y:表示为函数的输出值，同时也是控制系统的输入模拟量，x:表示为函数的输入模拟量值，同时也是控制系统中的输入模拟量，m:表示为控制系统中的系统质量，自动形成升降速曲线。
特性1：此函数是一个由时间控制的全过程动态平衡控制函数。在处于平衡状态时输入、输出的数值保持高精度的一致性，只要输入、输出不一样就处于冲量平衡过程，它好比一台极高灵敏度的天平，只要x、y不一样就失去平衡，这时函数会以x的值为基准自动进入平衡过程，直到达到新的平衡点x=y。平衡过程的时间长短由m质量变量确定。
特性2：此函数具有物理上的冲量特性。这一过程发生在x、y变量发生变化时，造成x和y不相等，要重新进行自动平衡，平衡过程遵循物理量的冲量变化过程，如特性图中的冲量平衡过程。
定义式，动量：P=mv ，冲量：I=Ft即冲量等于力和时间共同作用的结果。如果将两个公式合并在一起，即冲量等于动量改变量：I=P2-P1。就如同在光滑平面上有一个滑动的物体，要想改变物体的运动状态，必须有一段时间作用力才行，那么这个力的大小就是x-y的差值,x大于y为加速度，否则为减速度，作用时间取决于m质量变量，因此m越大，平衡时间越长，质量越小平衡时间越短。我们知道，物体运动速度越高，质量越大，那么惯性越大，所以可以看出动量就是惯性的一个侧面反映。 也就是说，冲量可以直接和惯性联系在一起，同时可以定量的表征惯性。上图的冲量平衡过程就是冲量作用过程，由于x的值发生变化，所以要产生冲量过程，达到平衡时x-y=0，就进入平衡过程。
特性:3：具有很强的抗干扰效果和滤波效果。
由图中可知由x坐标曲线形成许多干扰信号，由于具有冲量特性有一段时间作用力才能改变函数的输出值，也就是改变冲量y值要由力和时间双方作用结果产生，所以对于干扰信号和噪声信号几乎没有影响，而且干扰信号的特点都是短时间的扰动，所以此函数具有很强的抗干扰效果和滤波效果。m质量越大抗干扰和噪声能力越强。
特性4：自动形成加减速时间，加减速过程非常平稳。
在许多控制系统中都有系统的加减速时间进行控制参数，方式有直线加减速或曲线加减速。这一过程都是程序计算的结果，而且是只针对加减速过程的，容易和干扰信号造成错误。而此函数的加减速时间是通过力（x-y）、质量m和时间利用冲量原理形成的，质量m值越大，加减速时间越长，反之质量越小加减速时间越小。这种加减速可以在任意时间段产生，不受干扰信号的影响，只取决于x-y的值。可以过零点加减速，也可以在一个加减速没完成，再改变任意加减速方向。而且不受任何干扰信号的影响，并且加减速过程非常平稳，如图中的冲量平衡过程。
特性5：此函数用于仪器仪表的检测装置，可提高精度、灵敏度和稳定性。
由于具有很强的抗干扰效果和滤波效果，所以此函数用于仪器仪表的检测回路，可提高精度、灵敏度和稳定性。
此函数在运算过程中全都使用浮点数，浮点数的精度决定检测精度（最低使用32位浮点数），同时也决定函数的灵敏度。由于此函数能抗干扰和噪声，同时还能自动平衡中点，所以可以提高测量系统的精确度，精度取决于m的大小，m越大精度越高。
特性6：此函数使用方便，用于任何地方不用做程序改动，只改变m变量就可以了。
特性7：一般情况在系统中只有x输入变量在改变，但是个别情况由于反馈和扰动也可能形成输出y值的变化，所以如果x、y有任一方发生改变，都要以x为基础控制另一方平衡到和x相等。平衡过程具有冲量过程特性。
3、函数在控制系统中的应用
一、用于测量系统，可消除干扰和噪声，提高测量精度和稳定性。
用于测量系统的逻辑框图如下：
防火墙函数用于测量系统框图
从框图可知，被测物理量通过电器信号转换器变成线性电信号，再经过模数转换器存入内存变量，再经过防火墙函数的控制，就可以消除干扰和杂波等，得到精确而稳定的测量值。测量精度可以在模拟量转换器输入精度的基础上提高10~100倍，这主要取决于质量m的大小，m越大，精度越高，但反应较慢，m越小，精度越低，反应越快，但精度最低也能提高输入精度的2~5倍。本测量法在大型试验台已经过多次应用，效果非常理想。所测的物理量有：扭矩，功率，转速，温度，压力，流量，电压，电流等。特别是扭矩测量要受到机械传动干扰和电源干扰等影响，经过此函数以后，抗干扰性能和精度有非常明显的提高。
二、用于控制系统可稳定系统控制过程，防止任何过冲现象，提高控制精度，提高系统的可靠性，可自动生成加减速时间。用于控制系统的逻辑框图如下：
带有防火墙保护的控制系统框图
用于控制系统主要应用这一函数的抗干扰性和惯性环节，因为任何控制系统都或多或少得存在惯性，就存在一个真实的冲量作用过程，它会影响到系统的稳定运行。如果防火墙函数的冲量作用时间大于实际系统中的冲量作用时间，系统就能稳定运行。如果惯性量m选小了，可能造成系统控制不稳定或损坏输出模块。
从图中可以看出防火墙函数在控制系统的输入端和输出端同时加入，给控制系统更安全隔离防护。同时用m变量进行加减速时间调整，而输出端加防火墙函数主要防止输出干扰信号对输出电路产生影响。但事实上输入防火墙函数已经对输出量进行了调整。
我们利用此函数已经在660v，320kw的直流驱动器上，380v，90kw的交流变频驱动器，和400v，75kw的直流驱动器上做过多次试验并成功得用到了产品中起到了很好的效果。产品运行稳定，故障率降低。
我们在320kw的直流驱动器上的试验中从+3000转可直接降到-3000转，控制系统运行非常平稳，没有出现任何报警。而且能在前一个加减速进行当中，就进行下一个加减速过程，或在加减速进行当中改变加减速时间，系统都非常稳定的运行，不会出现任何过流过载现象。在加减速进行当中如果有另一个加减速过程到来，不必要等到结束前一个而进行下一个，而是直接转入下一个加减速过程。
下面是用PLC内部加入防火墙函数来控制直流驱动器或交流驱动器的原理框图。
在PLC系统内加入防火墙保护控制框图
由于有了防火墙保护，能够提高控制系统的模拟输入抗干扰能力，和系统启停的平稳性。
三、用于车辆速度控制可使车辆加减速达到最佳平稳状态。
四、可用于大型和特大型负载的控制。同时还能起到节能效果。
对于大型和特大型负载的启停控制也是非常困难的，因为启动时要消耗很大的电流，往往会引起过流跳闸和浪费能源等现象发生。引入此冲量控制函数，能够在理想的时间内均匀启停设备，而且节能和减少噪声的发生。
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