人機環(huán)境氣體測試及動態(tài)補償方法研究

江虹穎，王玉，賴富文，王文廉

（1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051；2.中國人民解放軍63853 部隊，吉林 白城 137000）

武器裝備的“人-機-環(huán)境”包含有害氣體、振動、溫濕度、噪聲等因素[1]，這些環(huán)境因素的聯(lián)合作用將嚴重危害作戰(zhàn)人員的身體健康，進而影響參戰(zhàn)人員的戰(zhàn)斗力[2]-4]。因此，研制用于武器試驗環(huán)境下的氣體測試系統(tǒng)對提高作戰(zhàn)人員身心健康和作戰(zhàn)效能十分重要；同時對戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)的建設具有重大意義，并能為部隊訓練環(huán)境的重建、軍事防護提供一定的數(shù)據(jù)依據(jù)[5]。

目前，國內(nèi)外對武器試驗現(xiàn)場的氣體測試多采用先收集后實驗室分析和單點檢測的方法[6]。傳統(tǒng)的測試方法不具備實時性，而氣體濃度變化的時效性是氣體測試的重要指標之一[7]。試驗現(xiàn)場高沖擊、高振動、氣體擴散快的惡劣工況環(huán)境對測試系統(tǒng)的動態(tài)特性提出了較高的要求，該文采用電化學傳感技術(shù)和采集存儲技術(shù)實現(xiàn)自動記錄功能，并結(jié)合PSO 算法建立動態(tài)補償濾波器，實現(xiàn)對武器試驗現(xiàn)場氣體實時快速的測試，保證了作戰(zhàn)人員的身心健康。

1 人機環(huán)境氣體測試系統(tǒng)設計

1.1 測試系統(tǒng)組成及工作原理

人機環(huán)境氣體測試系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1 所示。氣體傳感器陣列及信號調(diào)理部分可適應測試需求，靈活選擇不同的電化學傳感器進行氣體測試，并通過偏壓配置提升測試系統(tǒng)的交叉靈敏度，保持傳感器電流輸出與氣體濃度的線性度。采集存儲控制部分使用基于FPGA 的微控制器采集氣體濃度信息和振動信息，自啟動現(xiàn)場氣體測試。測試完成后，可通過USB 接口回讀氣體濃度數(shù)據(jù)，采用應用軟件對數(shù)據(jù)進行補償，可更直觀精確地顯示現(xiàn)場氣體濃度的變化過程。

圖1 人機環(huán)境氣體測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 信號調(diào)理電路

系統(tǒng)選用三電極電化學傳感器構(gòu)建氣體傳感器陣列進行武器試驗下氣體濃度的測試，并設計了如圖2 所示的信號調(diào)理電路。采用零漂移、rail-to-rail輸入/輸出的AD8572、AD8571 運算放大器，具有最高5 μV 的偏置電壓和最大50 pA 的輸入偏置電流。用U1A設計的恒電位電路向?qū)﹄姌O提供電流以平衡傳感器工作電極的電流輸出。用U1B的傳感器測量電路，使傳感器輸出電壓滿足UO=IsensorRGain，其中，Isensor是傳感器的輸出電流，RGain是I/V 轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻。通過U2 的電壓跟隨器改善阻抗，減少信號輸出部分與采集存儲之間的信號干擾，進一步提高測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用型號為J177 的P 溝道結(jié)型場效應晶體管防止斷電時傳感器極化，確保測試系統(tǒng)工作時能夠快速響應。通過對3.3 V 的分壓，為偏壓電化學傳感器提供滿足Vbias=VS-VR的偏置電壓。

1.3 采集存儲控制電路

為實現(xiàn)ppb級別和長時間的氣體濃度測試，使用無延遲、低功耗的LTC2486芯片設計16 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可實現(xiàn)4路單極性模擬量信號的采集和轉(zhuǎn)換，使采樣率達到每通道12 Sps。采用3線SPI接口與FPGA芯片進行通信，將采集轉(zhuǎn)換后的氣體濃度信號緩存到FPGA的FIFO中，最后存入Flash。考慮到武器試驗現(xiàn)場的空間局限性和極端惡劣的環(huán)境因素，為確保能夠獲取試驗過程中現(xiàn)場氣體濃度的變化趨勢，需進行外部存儲電路的設計。使用容量為1 GB的MT29F1G08 NAND Flash 芯片，通過異步數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)氣體濃度數(shù)據(jù)的存儲。系統(tǒng)的采集存儲控制原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)采集存儲控制原理

1.4 自動記錄

為使系統(tǒng)更加智能化，簡化整個測試過程的操作，使用軟件與硬件結(jié)合多線程的觸發(fā)方式實現(xiàn)氣體信號的自動記錄，自動記錄的工作流程如圖4 所示。軟件觸發(fā)包括命令觸發(fā)和0～255 min 定時觸發(fā)的方式，主要用于實驗室標定和模擬試驗驗證過程的自啟動測試系統(tǒng)，對氣體濃度信號進行記錄。硬件觸發(fā)有振動信號觸發(fā)與氣體信號閾值觸發(fā)方式，能夠在無人操作的情況下，自主完成氣體濃度的測試，適用于武器試驗現(xiàn)場的氣體測試。

圖4 自動記錄工作流程

2 氣體測試系統(tǒng)的動態(tài)特性補償

2.1 動態(tài)特性補償方法

由于武器試驗現(xiàn)場的氣體受外部因素影響，氣體擴散速度快，因此對氣體濃度測試系統(tǒng)的動態(tài)特性提出了較高的要求，且電化學傳感器本身固有的響應特性，會進一步增加系統(tǒng)對測試現(xiàn)場氣體濃度變化響應的延時[8-10]，因此提出了基于PSO 優(yōu)化算法的動態(tài)補償方法，動態(tài)補償原理圖如圖5 所示。采用逆建模的方式構(gòu)建動態(tài)補償濾波器模型，以確保系統(tǒng)測試的準確性，并提高其響應速度[11-14]。

圖5 動態(tài)補償原理圖

圖5 中，X(t)為輸入系統(tǒng)的氣體階躍信號，U(k)為理想的氣體階躍響應信號，X(k)是X(t)通過測試系統(tǒng)采集、存儲的氣體響應信號，Y(k)為經(jīng)過動態(tài)補償濾波器修正后的氣體序列信號，e(k)為擬合殘差。對電化學傳感的人機環(huán)境氣體測試系統(tǒng)的動態(tài)補償機理即使Y(k)無限趨近于U(k)，滿足e(k)能最大限度地減小。

由于電化學傳感氣體測試系統(tǒng)是線性時不變系統(tǒng)[15]，氣體信號通過系統(tǒng)采集以特定速率輸出離散的氣體響應信號。為此對X(k)和Y(k)建立如下差分方程，求得動態(tài)補償濾波器H(z)，如下所示：

式中，b0，b1，…，bm和a0，a1，…，an表示濾波器傳遞函數(shù)的系數(shù)，m和n表示動態(tài)補償濾波器的階次。

2.2 PSO算法的處理

粒子群優(yōu)化算法（PSO）是一種基于群體智能的迭代搜索算法，具有穩(wěn)定性高、收斂性好、全局搜尋能力強的特點。因此，文中采用該算法進行電化學氣體測試系統(tǒng)的動態(tài)特性補償，具體PSO 處理流程如圖6 所示，以群體中每個粒子的個體適應值大小作為進化的依據(jù)，確定全局最優(yōu)值，進而建立動態(tài)補償濾波器優(yōu)化系統(tǒng)[16]。為評價每個粒子對參考模型的適應度，用e(k)的均方差J來定義每個粒子的適應度值，如式（3）所示。J越小則當前粒子越能達到理想的氣體響應，補償效果也越好。

式中，N為采樣點數(shù)。

每個粒子通過迭代更新其速度和位置，進行粒子個體間及全局間的對比，得到全局最優(yōu)值。在d維空間下，第i個粒子的速度和位置分別按照式（4）和式（5）進行更新。

式中，i=1,2,…,N；d=1,2,…,D，且維數(shù)D=m+n；k表示迭代次數(shù)，k=1,2,…,K；p表示粒子當前個體最佳位置，g表示當前全局最佳解；w為慣性因子，取(0.8,1.2)間的任意值；c1、c2為學習因子，取為(0，1)區(qū)間的任意數(shù)。

3 試驗驗證

為驗證系統(tǒng)動態(tài)補償特性的效果，進行試驗。采用階躍變化的CO 氣體作為測試系統(tǒng)的輸入，對系統(tǒng)進行多次重復動態(tài)標定試驗，其中,系統(tǒng)在CO濃度從0 躍變?yōu)?×10-4時的動態(tài)響應曲線如圖7（a）所示。試驗數(shù)據(jù)選用粒子數(shù)N=1 200，維數(shù)D=12，迭代次數(shù)I=100 進行相應的動態(tài)補償優(yōu)化，系統(tǒng)補償前后信號的對比圖如圖7（b）所示，得到的動態(tài)補償濾波器系數(shù)如表1 所示。

表1 動態(tài)補償濾波器系數(shù)

圖7 系統(tǒng)動態(tài)特性補償效果

根據(jù)圖7 所示，系統(tǒng)補償前的上升時間為t90=15.25 s，系統(tǒng)補償后的上升時間t90=3.42 s，其中，t90定義為系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值的10%變化到穩(wěn)態(tài)值的90%所需要的上升時間。可以看出，使用5 階濾波器對測試系統(tǒng)進行動態(tài)補償，使響應時間t90提高了77.5%，能為實際武器試驗現(xiàn)場提供更準確快速的氣體濃度變化測試方法。

為驗證氣體測試系統(tǒng)的可靠性，進行模擬試驗，模擬試驗的示意圖如圖8 所示。采用煒盛科技公司的型號為MEu-CO 的三電極CO 傳感器和精訊暢通公司的JEC-NO 三電極NO 傳感器進行測試，CO 傳感器的量程為0～1.0×10-3，響應時間不大于15 s，NO傳感器的量程為0～2.0×10-3，響應時間不大于30 s。使用一定量的火藥燃燒模擬武器試驗現(xiàn)場氣體濃度變化的過程，將人機環(huán)境氣體測試系統(tǒng)置于半密閉試驗箱中，對氣體濃度進行自動采集存儲。試驗結(jié)束后，使用應用軟件讀取測試結(jié)果，并用上述得到的補償濾波器對試驗數(shù)據(jù)進行動態(tài)補償。系統(tǒng)模擬試驗的組結(jié)果如圖9 所示。

圖8 模擬試驗示意圖

圖9 系統(tǒng)模擬試驗響應曲線

圖9（a）是在半密閉條件下測得的CO 和NO 的氣體濃度變化曲線，測得的CO 和NO 氣體濃度峰值分別達5.628 13×10-4和4.020 5×10-5。圖9（b）是在（a）的情況下增加密閉面積測得的CO 和NO 的氣體濃度變化曲線，其中，CO 濃度達到了6.030 14×10-4的峰值濃度，NO 濃度達到了5.025 6×10-5的峰值濃度。由于模擬試驗環(huán)境下，NO 氣體濃度變化不明顯，主要對CO 氣體濃度變化曲線進行動態(tài)補償，動態(tài)補償?shù)慕Y(jié)果如圖10 所示。

圖10 測試及動態(tài)補償結(jié)果

圖10（a）和（b）分別是對圖9 中試驗得到的（a）和（b）中CO 氣體響應曲線的動態(tài)補償圖，圖10（a）是對半密閉測試條件下的CO 響應的動態(tài)補償圖，補償后時間從13.81 s 減少到了8.40 s，圖10（b）中補償后時間從16.63 s 減少到了11.06 s。從試驗結(jié)果可以看出，基于PSO 算法的動態(tài)補償濾波器有效地減少了測試系統(tǒng)的動態(tài)響應時間，提高了測試的準確性，能夠用于武器試驗現(xiàn)場對氣體濃度變化信號的測試。

4 結(jié)論

針對武器試驗現(xiàn)場的氣體濃度響應測試的需求，設計并研制了基于電化學傳感的人機環(huán)境氣體測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈活性強、智能化、動態(tài)特性好的特點。通過多線程觸發(fā)方式，自動記錄試驗過程中氣體濃度的變化過程，可實現(xiàn)48 Sps 的采樣速率和1 GB 的存儲。根據(jù)武器試驗現(xiàn)場惡劣環(huán)境，對氣體測試系統(tǒng)的動態(tài)特性提出的較高要求，采用PSO 的逆建模方法，建立了5 階動態(tài)補償濾波器模型優(yōu)化系統(tǒng)。通過模擬試驗驗證，補償后系統(tǒng)的響應時間減小為3.42 s。結(jié)果表明基于該動態(tài)補償環(huán)節(jié)的測試系統(tǒng)能改善氣體動態(tài)響應特性，達到減小響應時間的目的，對人機環(huán)境氣體濃度變化過程的測試具有一定的實用性。