人機環境氣體測試及動態補償方法研究

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

目前，國內外對武器試驗現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]。試驗現場高沖擊、高振動、氣體擴散快的惡劣工況環境對測試系統的動態特性提出了較高的要求，該文采用電化學傳感技術和采集存儲技術實現自動記錄功能，并結合PSO 算法建立動態補償濾波器，實現對武器試驗現場氣體實時快速的測試，保證了作戰人員的身心健康。

1 人機環境氣體測試系統設計

1.1 測試系統組成及工作原理

人機環境氣體測試系統的構成如圖1 所示。氣體傳感器陣列及信號調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，自啟動現場氣體測試。測試完成后，可通過USB 接口回讀氣體濃度數據，采用應用軟件對數據進行補償，可更直觀精確地顯示現場氣體濃度的變化過程。

圖1 人機環境氣體測試系統結構

1.2 信號調理電路

系統選用三電極電化學傳感器構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對電極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的穩定性。采用型號為J177 的P 溝道結型場效應晶體管防止斷電時傳感器極化，確保測試系統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的模數轉換電路，可實現4路單極性模擬量信號的采集和轉換，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。考慮到武器試驗現場的空間局限性和極端惡劣的環境因素，為確保能夠獲取試驗過程中現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，通過異步數據接口實現氣體濃度數據的存儲。系統的采集存儲控制原理如圖3所示。

圖3 系統采集存儲控制原理

1.4 自動記錄

為使系統更加智能化，簡化整個測試過程的操作，使用軟件與硬件結合多線程的觸發方式實現氣體信號的自動記錄，自動記錄的工作流程如圖4 所示。軟件觸發包括命令觸發和0～255 min 定時觸發的方式，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，對氣體濃度信號進行記錄。硬件觸發有振動信號觸發與氣體信號閾值觸發方式，能夠在無人操作的情況下，自主完成氣體濃度的測試，適用于武器試驗現場的氣體測試。

圖4 自動記錄工作流程

2 氣體測試系統的動態特性補償

2.1 動態特性補償方法

由于武器試驗現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的動態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，會進一步增加系統對測試現場氣體濃度變化響應的延時[8-10]，因此提出了基于PSO 優化算法的動態補償方法，動態補償原理圖如圖5 所示。采用逆建模的方式構建動態補償濾波器模型，以確保系統測試的準確性，并提高其響應速度[11-14]。

圖5 動態補償原理圖

圖5 中，X(t)為輸入系統的氣體階躍信號，U(k)為理想的氣體階躍響應信號，X(k)是X(t)通過測試系統采集、存儲的氣體響應信號，Y(k)為經過動態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境氣體測試系統的動態補償機理即使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是線性時不變系統[15]，氣體信號通過系統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的系數，m和n表示動態補償濾波器的階次。

2.2 PSO算法的處理

粒子群優化算法（PSO）是一種基于群體智能的迭代搜索算法，具有穩定性高、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的動態特性補償，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，確定全局最優值，進而建立動態補償濾波器優化系統[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。

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D=m+n；k表示迭代次數，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)區間的任意數。

3 試驗驗證

為驗證系統動態補償特性的效果，進行試驗。采用階躍變化的CO 氣體作為測試系統的輸入，對系統進行多次重復動態標定試驗，其中,系統在CO濃度從0 躍變為8×10-4時的動態響應曲線如圖7（a）所示。試驗數據選用粒子數N=1 200，維數D=12，迭代次數I=100 進行相應的動態補償優化，系統補償前后信號的對比圖如圖7（b）所示，得到的動態補償濾波器系數如表1 所示。

表1 動態補償濾波器系數

圖7 系統動態特性補償效果

根據圖7 所示，系統補償前的上升時間為t90=15.25 s，系統補償后的上升時間t90=3.42 s，其中，t90定義為系統輸出穩態值的10%變化到穩態值的90%所需要的上升時間?？梢钥闯?，使用5 階濾波器對測試系統進行動態補償，使響應時間t90提高了77.5%，能為實際武器試驗現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場氣體濃度變化的過程，將人機環境氣體測試系統置于半密閉試驗箱中，對氣體濃度進行自動采集存儲。試驗結束后，使用應用軟件讀取測試結果，并用上述得到的補償濾波器對試驗數據進行動態補償。系統模擬試驗的組結果如圖9 所示。

圖8 模擬試驗示意圖

圖9 系統模擬試驗響應曲線

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補償，動態補償的結果如圖10 所示。

圖10 測試及動態補償結果

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補償圖，圖10（a）是對半密閉測試條件下的CO 響應的動態補償圖，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。從試驗結果可以看出，基于PSO 算法的動態補償濾波器有效地減少了測試系統的動態響應時間，提高了測試的準確性，能夠用于武器試驗現場對氣體濃度變化信號的測試。

4 結論

針對武器試驗現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境氣體測試系統，該系統具有靈活性強、智能化、動態特性好的特點。通過多線程觸發方式，自動記錄試驗過程中氣體濃度的變化過程，可實現48 Sps 的采樣速率和1 GB 的存儲。根據武器試驗現場惡劣環境，對氣體測試系統的動態特性提出的較高要求，采用PSO 的逆建模方法，建立了5 階動態補償濾波器模型優化系統。通過模擬試驗驗證，補償后系統的響應時間減小為3.42 s。結果表明基于該動態補償環節的測試系統能改善氣體動態響應特性，達到減小響應時間的目的，對人機環境氣體濃度變化過程的測試具有一定的實用性。