航天器展開機構壓力傳感器無線測控系統設計

汪新舜，吳星云，劉曉飛，邢香園，吳劍鋒

(上海衛星裝備研究所，上海 200240)

0 `引言

為了模擬航天器電池板在外太空環境中的零重力展開，需在地面使用動力傳動設備模擬太空中的零重力環境[1]，在試驗的過程中，需實時采集控制壓力傳感器等數據，目前國內外主要采用在傳動軸的頂部安裝壓片式力傳感器，內部嵌入數據采集板卡，使用有線網絡的方式將數據傳輸至電腦終端處理。傳動軸進行全方位轉動時，存在線纜纏繞的現象，操作人員需及時調整位置進行試驗，且傳感器單點采集，無法對多個傳感器組網，導致現場布置和試驗不便。隨著無線物聯技術的迅速發展，市場推出了一系列的物聯網芯片和IOT解決方案，現有的物聯平臺存在以下問題[2-5]：

1)模擬量數據采集頻率較低，不能滿足試驗50 Hz/S的采集速率；

2)模擬量數據采集精度較低，不能滿足試驗12位的采集精度；

3)大多數產品使用數字量信號采集，采集電壓電流信號時的功耗過高，電池用電快；

4)原有采集軟件不能進行自定義的數據處理，包括數據擬合，加速度擬合，數據聯合比對等；

5)原有的物聯平臺采集軟件不具備PID算法，無法完成模擬量參數和傳動機構的聯合控制。

針對以上問題，根據航天某院航天器機構展開試驗任務要求，研制了一套基于ESP8266和LabVIEW的嵌入式分布式無線壓力傳感器參數采集控制系統，硬件采用STM32、ADC及ESP8266芯片，設計了信號調理電路、信號采集電路、信號發送電路及低功耗智能供電管理電路。上位機軟件使用LabVIEW虛擬儀器平臺，采用多線程低耦合的QMH隊列框架，功能模塊化編寫，便于開發人員維護，可實現設備通訊，傳感器零位校準，數據采集處理等功能，使用PSP服務器動態實時共享試驗數據，實現數據的網絡間快速交換，提高系統的數據處理速度，同時具備數據動態擬合及超限報警等功能；在固件程序中采用循環中斷的架構，實現了設備初始化配置，網絡配置連接服務器，數據采集無線發送，新增了增量式積分分離PID算法，完成了數據采集和傳動機構的聯合控制，解決了試驗過程中存在的非線性、參數時變性和模型不確定性等問題，減少了壓力控制的超調量，增強了控制精度[6]。

1 測試需求

嵌入式分布式無線壓力傳感器參數采集系統的硬件參數及要求如表1所示。

表1 測控系統硬件參數

軟件的功能需求包括：上位機可實時監測各點支撐力的工作情況，顯示未工作(灰色)、工作中(綠色)及報警(紅色)等多種工作狀態；上位機可完成服務器網絡配置，多個無線傳感器連接組網，無線傳感器數據采集存儲及PID壓力控制設置參數的下發；上位機可實時監測各點支撐力的波動，自動擬合支撐力的波動曲線，擬合曲線可以和實時曲線在同一坐標系下顯示；上位機可實時監測產品速度的變化趨勢，自動擬合出速度波動曲線，擬合曲線可以和實時曲線在同一坐標系下顯示；上位機具有力傳感器閾值設置過載報警顯示功能，可實時顯示力傳感器的剩余電量，使用特定數據格式保存數據；上位機具備數據回看等功能。

2 系統硬件及原理設計

嵌入式分布式無線采集系統基于STM32微處理器和ESP8266無線模塊設計，設計ADC信號采集，信號調理及無線信號發送電路。傳感器將力物理量線性轉換為電流模擬量，信號調理模塊將電流轉換為標準的輸出電壓，ADC模塊采集電壓，將模擬量轉換為數字量，傳輸至微處理器的串口端，微處理器使用指令配置無線模塊連接路由，工作在網絡客戶端模式，將接收到的傳感器數據包發送至無線模塊，無線模塊通過連接無線路由組網，將數據傳送至上位機服務器，其余觀測客戶端可遠程連接PSP服務器，讀取共享數據進行處理。無線傳感器動態接收上位機的壓力參數控制設置值，與動力傳動軸使用串口通訊，采用增量式積分分離PID算法控制傳統軸的轉動速度來動態調節壓力參數，上位機負責數據的濾波處理顯示存儲及報警設置等功能，硬件連接原理圖如圖1所示。

圖1 硬件連接示意圖

試驗人員將多個帶有嵌入式無線采集板卡的力傳感器安置在試驗平臺上，打開電源開關，嵌入式無線采集控制板卡上電自檢，完成網絡配置后，開始連接無線路由器，連接上位機服務器，如果上位機服務器未打開，連續發送請求等待連接終端服務器指令直至連接成功，連接無線路由成功LED指示燈為藍色，不成功為紅色，連接上位機服務器成功指示燈為綠色。試驗人員打開采集軟件界面，配置IP地址，端口號，打開服務器，建立網絡連接，網絡連接成功后，傳感器按照軟件編寫的采集隊列依次發送數據，數據實時顯示在界面上，點擊擬合按鈕，界面顯示加速度擬合曲線，試驗人員可自由選擇傳感器數據在同一波形圖中做對比查看，數據實時存入PSP服務器，其他的觀測電腦也可以同步讀取數據查看，選定某個傳感器，發送壓力設定參數，進行PID控制，設定傳感器參數報警上限值，一旦數據超限，軟件發出提示，如果試驗過程中，無線傳感器發生通訊故障，軟件報錯提示試驗人員，軟件嘗試重新連接，重新連接失敗后，及時更換傳感器，重新采集，繼續試驗，系統運行的流程如圖2所示。

圖2 系統運行流程圖

2.1 信號調理電路設計

工業現場長距離傳輸模擬信號，如采用電壓信號，傳輸線的分布電阻會產生電壓壓降，導致數據存在不確定的零漂[7]，為了解決以上問題，傳感器的信號使用4～20 mA電流信號，4 mA表示零信號，20 mA表示信號滿刻度。由于ADC采集模塊的輸入范圍是0～5 V，使用運放搭建如圖3的信號調理電路，將電流信號轉換為電壓信號，電路的前端是電流檢測放大電路，使用固定阻值將采集的電流轉換為電壓信號，通過差分放大電路，輸出的電壓UA=(R5/R3)*(I檢測*R1)，R5和R3取值相等，UA=I檢測*R1，R1的值取100 Ω，UA的范圍是400～2 000 mV；電壓跟隨電路產生的電壓UB，用來調節基準信號，UA和UB作為減法電路的輸入，輸出電壓為(R11/R9)*(UA-UB)，R11與R9取值相等，即值等于UA-UB，當輸入的電流I檢測為4 mA 時，調節高精度電阻R8，使得UA=UB=400 mV，減法輸出電壓為0 V，完成基準校準的過程；當輸入電流I檢測為20 mA時，減法電路的輸出為(I檢測*R1)-UB=1 600 mV，輸出的量程為5 V，(R14/R13)為電壓放大倍數，調節R14高精度電阻，使得UC的電壓為5 V，完成了輸入4～20 mA電流至0～5 000 mV的線性電壓輸出。

圖3 信號調理電路

2.2 ESP8266無線模塊電路設計

ESP8266是由樂鑫智能平臺提供的一款高性能無線模組，支持softAP模式(無線接入點)，station模式(無線終端)以及softAP+station共存模式，程序使用softAP模式進行多點組網[8-9]。STM32微處理器的管腳PB10與ESP8266的管腳UTXD相連，PB11與URXD相連，使用USART串口與ESP8266的數據進行收發。

參考樂鑫提供的AT指令集，STM32使用串口發送指令字符串對ESP8266做通訊，如表2所示。

表2 AT指令集

2.3 ADC模塊設計

ADC即Analogto Digital Converter，模擬數字轉換器，使用AD9280芯片，分辨率為12位，32 MSPS數據轉換率，內部集成了采樣保持放大器和電源基準源[10]。芯片的AIN管腳的輸入電壓范圍為0～2 V，信號調理電路的輸出電壓為0～5V，使用運放搭建差分放大和電壓跟隨電路，實現電壓轉換，如圖4所示。前級使用差分放大電路，Vout=Vin*R11/(R10+R8)，R10取3 kΩ，R8取2 kΩ，R11取2 kΩ，則Vout=(2/5)Vin，當Vin輸入為5 V時，Vout=2 V，使用電壓跟隨電路接入AD芯片的AIN管腳，采集電壓信號。

圖4 ADC采集電路

3 系統軟件結構及功能

系統軟件分為兩大部分：上位機采集軟件和嵌入式固件程序，上位機采集系統軟件部分基于LabVIEW開發，它是美國國家儀器(NI)公司研制的程序開發環境。LabVIEW被稱為“G”語言，即圖形化編程語言，其核心是“數據流”，通過數據在連線上的流動，完成程序流程的控制及功能的實現[11-12]。嵌入式固件程序使用C語言基于STM32CubeIDE開發，實現設備初始化配置、ADC數據采集、WIFI配置、無線數據傳輸及PID控制等功能。

3.1 嵌入式固件程序設計

嵌入式固件程序分為外設配置，中斷服務和主循環3個部分，在外設配置模塊中，實現串口的配置，包括：串口GPIO的時鐘、串口外設的時鐘、串口發送引腳的推挽復用模式、串口接收引腳的浮空輸入模式、波特率、數據幀字長、停止位、校驗位、硬件流控制、中斷優先級及串口使能等設置；實現LED指示燈和延時函數的配置；實現無線WIFI模塊ESP8266引腳配置；實現ADC模塊的配置，包括：ADC的IO端口時鐘、IO引腳模式、連續轉換模式、轉換結構對齊方式、轉換通道個數、時鐘分頻系數、通道轉換順序、采樣時間、初始化校準及中斷優先級配置等；實現PID控制的配置，包括PWM輸出管腳GPIO的時鐘，推挽輸出方式的設置；PID計算周期定時器的配置開啟，Flash24C02模塊的初始化，從Flash存儲器中將上次保存的PID參數Kp、計算周期T、積分時間Ti、微分時間Td讀取至PID參數結構體中。

中斷服務包括STM32串口中斷、ESP8266串口中斷和ADC采集中斷，在STM32串口中斷服務中，判斷中斷標志位是否置位，如果發生中斷，串口接收ESP8266發來的數據，依次將數據存儲至結構體中，如果數據幀接收完畢，結構體中的接收完成位置位，軟件清除中斷標志位；在ADC采集中斷服務中，判斷ADC中斷采集標志位是否置位，如果發生中斷，執行ADC轉換讀取函數，執行完畢，清除ADC中斷采集標志位；在ESP8266串口中斷服務中，判斷串口中斷標志位是否置位，如果置位，依次將串口數據存儲至結構體中，接收完畢后，判斷接收字符串是否為“CLOSD ”，將判斷結果存至TCP連接標志位中，標志位為1則代表TCP連接關閉，不為1則代表TCP保持連接。

主循環中執行連接狀態判斷、串口數據透傳和PID計算控制PWM占空比輸出的任務。判斷TCP連接標志位，如果保持連接，將ADC采集的電壓數據使用串口向ESP8266發送數據，ESP8266將數據通過網絡連接發送至電腦服務器，如果連接斷開，退出透傳模式，獲取連接狀態，確認失聯后重新連接，直至下次連接成功。無線傳感器在發送數據的過程中，動態地接收上位機下發PID壓力設置值和PID參數設置值，PID的初始設置值開機從FLASH內存中讀取上次的保存值，使用定時器設置PID的計算周期，在PID計算周期中，使用ADC讀取的壓力實時值與設置值相減得到偏差，對偏差進行增量式的比例，積分，微分算法，計算出PID控制值，該值為PID控制輸出引腳PWM高電平輸出占空比的值，輸出引腳連接至MOS-光耦隔離開關電路，動態控制動力傳動機構的運行速度，將壓力值控制至設置值。固件程序開發流程如圖5所示。

圖5 固件程序開發流程圖

3.2 增量式積分分離PID算法

工業控制過程中，被控對象實時采集的數據與設定值之間產生偏差，對偏差使用比例、積分和微分做控制的算法，形成PID算法，PID控制具有原理簡單，魯棒性強和實用面廣等優點，被廣泛應用[13]，圖6為PID算法的示意圖。

圖6 PID算法示意圖

其中Sv為用戶設定值，即控制的目標值，Pv是控制對象的當前壓力值，偏差E是Sv減去Pv的值，代表了負載的當前值與目標值的誤差程度。歷史偏差值是系統投入運行以來，控制算法每隔一段時間讀取傳感器的壓力值Pv，用Sv減去Pv形成多個偏差E的數組；當前偏差是當前時刻的偏差E值，以單個浮點數字表示；最近偏差是當前時刻最近的兩到3個控制周期獲取的偏差數組。3個偏差作為PID控制算法的輸入，輸出已調的脈沖寬度PWM波形至光耦-MOS開關電路，動態控制傳動機構的開關占空比，最終將壓力控制在設定值。

系統的讀取周期使用Td來表示，每個控制周期讀取控制對象的壓力值用X來表示，0～N個周期讀取的壓力數組可以表示為[X1Td，X2Td，X3Td…X(N-2)Td，X(N-1)Td，XNTd]。第n個讀取周期的誤差EnTd=Sv-XnTd，歷史偏差數組序列可以用[E1Td，E2Td，E3Td…E(n-2)Td，E(n-1)Td，EnTd]來表示。EnTd的值大于0，則說明控制未達標；EnTd的值等于0，則說明控制已達標；EnTd的值小于0，則說明控制已超標；引入常量KP，輸出POUT=KP×EnTd，輸出指的是PWM周期的占空比，PWM的周期用Tk表示，即系統的控制周期，電壓處于高電平的時間為TH=Tk×POUT，在該時間段內，MOS開關處于導通狀態，傳動電路處于全功率輸出狀態。比例控制是按照偏差大小來修正輸出值，當用戶設定值和當前壓力值相等的時候，EnTd偏差為0時，POUT=0 ，比例控制不起作用，為了避免以上情況的發生，在比列控制輸出值上疊加一個常數POUT0，POUT=KP×EnTd+POUT0 ，即使EnTd偏差為0，POUT不等于0，比例控制仍然作用，單獨使用比例控制加入常數POUT0。

在第n個讀取周期Td時，最近的兩個偏差相減，得到偏差之差DnTd=EnTd-E(n-1)Td，偏差的變化率VDnTd= (EnTd-E(n-1 )Td)/Td，當VDnTd的值大于0，即偏差值變大，偏離控制目標程度大；當VDnTd的值小于0，即偏差值變小，偏離控制目標程度小；VDnTd的值用來預測未來的偏差走勢，速率變大，適當的控制輸出信號減弱趨勢，速率變小，適當的控制輸出信號增強趨勢，產生微分算法控制的效果。使用VDnTd的值產生一個微分控制輸出信號DOUT，引入常量Kp，DOUT=Kp×VDnTd，微分控制是不可以獨立行動的，當VDnTd等于0的時候，變化率是直線，沒有變大的趨勢也沒有變小的趨勢，偏差始終存在，微分算法只考察偏差是否變化，并不考察偏差是否存在，控制系統偏差即使很大，偏差變化為0，單獨使用微分控制，不會產生輸出。為了在微分控制變化率沒有改變的情況下，系統依然受控，在微分控制輸出值上疊加一個常數DOUT0 ，DOUT=Kp×VDnTd+DOUT0 ，增強控制的穩定性。

根據以上結論，推導PID算法的數學模型：

PIDOUT=POUT+IOUT+DOUT

(1)

其中：POUT=KP×EnTd+POUT0 ，IOUT=Kp×Sn+IOUT0 ，DOUT=Kp×VDnTd+DOUT0 ，帶入表達式(1)中，POUT0 +IOUT0 +DOUT0是常數，使用常數OUT0來表示，化簡得到式(2)如下：

PIDOUT=Kp×(EnTd+Sn+VDnTd)+OUT0

(2)

其中：Sn可以用如式(3)表示：

(3)

其中：Ti是積分時間，在程序中，采樣周期、讀取周期及控制周期都是Td，PWM的輸出周期使用Tpwm來表示，Td并不是固定的，根據實際情況變化。假設先去除DOUT的影響，只有POUT和IOUT的作用，構成PI控制器，當系統偏差EnTd<0 的時候，且Sn<0，POUT和IOUT認為在過去的這段時間內，系統未達標，POUT和IOUT選擇共同作用，共同作用的時間稱之為積分時間Ti，Ti和Sn的值成反比，Ti越大，積分輸出IOUT越小。

偏差之差VDnTd的值用式(4)表示如下：

VDnTd=Tvd×((EnTd-E(n-1)Td)/Td)

(4)

其中：Tvd為微分時間常數，Tvd與微分項作用DOUT成正比，Tvd設置的越大，DOUT越大。為了方便分析，去除IOUT。當傳感器的回讀值Pv并沒有達到控制系統的設定值Sv，且偏差在向增大的趨勢發展，比例輸出POUT和微分輸出DOUT同時做增大調整，POUT和DOUT共同運行的時間稱為微分時間常數Tvd。在表達式(4)中，計算周期Td出現在分母上，Td的值取的越大，偏差變化率越小，不能充分體現控制系統變差的變化程度，在程序設計微分算法輸出DOUT時，Td的值不宜取的過大[14]。

將表達式(4)中的Sn和表達式(3)中的VDnTd帶入表達式(2)，得到PIDOUT輸出，如表達式(5)所示：

Kp×Tvd×((EnTd-E(n-1)Td)/Td)+OUT0

(5)

在表達式(5)中，計算得到的PIDOUT的值用于表示PWM的脈沖寬度，這種調控方式成為位置式PID，優點是可直接輸出控制值；缺點是需要累加大量的歷史偏差值，導致MCU的運算工作量過大，不適合多通道的控制[15]。

為了避免位置式PID過程中計算工作量大等問題，引入增量式PID算法。增量式PID是計算控制量的增加值，即當前輸出相對于上個計算周期輸出的變化值ΔPIDOUT。第n-1個計算周期的PIDOUT(n-1)的表達式(6)如下所示：

Kp×Tvd×((E(n-1)Td-E(n-2)Td)/Td)+OUT0

(6)

第n個個計算周期的ΔPIDOUT用PIDOUTn減去PIDOUT(n-1)，化簡后如表達式(7)所示：

Kp×Tvd×((EnTd-2E(n-1)Td+E(n-2)Td)/Td)

(7)

在表達式(7)中，EnTd表示第n次計算周期的偏差，只需要EnTd、E(n-1 )Td表示第n-1次計算周期的偏差，E(n-2 )Td表示第n-2 次計算周期的偏差，增量式PID只需要計算EnTd、E(n-1 )Td和E(n-2 )Td的偏差值，相比于位置式PID中的大量過去偏差值之和，減少了單片機的資源占用量和計算工作量。位置式與增量式PID控制的區別如下：

1)輸出不同：位置PID控制的輸出需要使用整個整定過程中累加的誤差值，數據量大；增量PID的輸出僅與當前周期和前兩周期的誤差有關，計算量少，不過多占用系統內存；

2)積分部件：采用增量PID控制，為控制量增量輸出，未采用積分算法，適用對象需帶有積分部分，位置PID適用的執行對象，不需要積分部件。

3)記憶功能：增量PID是控制量增量輸出控制，當系統出現故障，則影響較小，執行器具備記憶功能，不會嚴重影響系統的工作，而位置輸出不具備記憶功能，直接使用近幾個周期的誤差對系統輸出，對系統有較大的影響[16]。

為了解決系統的超調問題，引入積分分離的控制方式。系統控制開始時，Pv和Sv之間存在偏差E，且E>0，在Pv和Sv第一次相等之前，所有的偏差之和都是正數相加，導致偏差之和比較大，偏差之和與積分輸出IOUT成正比，系統此刻已經達標，POUT不再起作用，IOUT的輸出效果加強，在PI控制中會產生過沖超調的現象，Pv會超出Sv，偏差E<0，偏差之和由于加入負數，逐漸減小，IOUT的輸出效果也逐漸減小，最終Pv趨近于Sv。因此在控制系統中，為了避免過沖超調現象的出現，在Pv和Sv第一次相等之前，將積分時間Ti設置的非常大，1/Ti無限接近0，POUT與1/Ti成正比，積分輸出也接近于0，忽略積分項的作用，PID算法不斷的對偏差進行判斷，當Pv接近Sv的80%時，修改Ti的值，加入積分作用，避免積分項過早的投入運行，有效的減小偏差之和，減小過沖超調的效果，這種方式稱為積分分離，即將積分算法在早期分離出去，不用歷史數據來對當前對象做調整。在Pv和Sv第一次相等之后，積分算法體現出優勢，控制系統一旦達標，比列項不產生作用，積分項使用歷史偏差產生控制信號。

總結如下，比例算法只考慮當前是否有偏差，與輸入偏差成比例關系，系統一旦存在偏差，比例控制產生作用以減小偏差，單獨使用比例控制，系統始終存在穩態誤差，稱為有差系統。積分算法是對系統之前的偏差進行累加積分，時間越長，積分作用越大，減小穩態誤差，直至偏差為零。積分控制用于減小系統的穩態誤差，提高系統控制準確性，使用積分控制，導致相位滯后，系統易發生超調。因此，引入積分分離的方式，有效減小系統誤差積分累加值，從而控制的超調值。使用微分算法，輸出與偏差的變化率成正比關系，提前控制輸出信號的變化趨勢，減小超調量。PID控制結合了比例、積分、微分3種控制算法的優點，適當選取KP、KI和KD參數的數值，產生良好的控制質量，具有較大的應用范圍[17]。

3.3 上位機程序整體設計

為了防止數據傳遞的丟失及線程耦合產生競爭關系，重新設計了程序框架，程序使用QMH框架(QueueMessageHandle線程隊列處理)，該框架是基于生產者/消費者隊列機制搭建[18]，如圖7所示，在寄存器中開辟獨立棧進行事件或數據的隊列出入棧操作，執行網絡配置、網絡連接、數據處理存儲解析等一系列事件，實現了事件線程之間的解耦合，確保了程序的穩定性。

圖7 軟件設計框架

NI公司基于NI-PSP協議，提供了網絡變量庫(Network Variable Library)，旨在解決測控系統分布式數據同步的問題，用戶可以在多個分布式系統或程序間做數據同步，且不影響程序的運行性能[19-20]；

SVE引擎(SharedVariableEngine)用于共享變量的網絡發布及部署，SVE通過如圖8所示鏈路所示部屬發布該值，在B/S系統中，SVE客戶端起到共享變量服務器的作用。

圖8 NI-PSP服務器協議共享變量發布接收鏈路

在航天器機構展開任務壓力傳感器參數測控系統中，主控上位機負責試驗的主要測控任務，大數據的存儲讀取顯示處理會占有線程的運行周期，從而延長試驗的PID控制周期，導致系統運行緩慢，壓力控制超調，穩定誤差過大，將試驗數據通過共享變量的形式使用NI-PSP協議發送至SVE服務器，多臺主測電腦同步從SVE服務器讀取試驗共享變量數據做處理，不影響整個試驗的測控速度，實現一主多測的試驗模式，實現PID的快速控制，限制壓力超調，保證控制精度。

無線數據采集軟件采用模塊化編程，根據測控需求將軟件分為試驗登錄、試驗配置、試驗過程、試驗數據分析及試驗維護等模塊，每個模塊又分為若干個小的功能模塊，這樣設計既方便調試和修改，又可靈活配置使用于不同應用場景。

試驗登錄包括用戶權限管理及界面選擇功能；試驗配置包括試驗信息配置、數據存儲路徑配置、報警信息存儲路徑配置、服務器網絡配置、采集通道零位校準及PID參數配置；試驗過程包括：加載配置表、遍歷巡檢無線傳感器、數據采集存儲數據庫、動態擬合加速度曲線、動態修改通道設置、動態修改PID控制參數、故障反饋重連機制；試驗數據分析包括：數據庫讀取、歷史數據拼接和自動生成試驗報表；試驗維護包括：用戶數據庫維護、試驗數據庫維護、設備啟動維護及試驗表單維護等，具體的試驗功能劃分如圖9所示。

圖9 軟件功能模塊

軟件的前面板界面如圖10所示。

圖10 軟件界面設計

4 試驗結果與分析

系統設計開發完成后，選取典型的壓力階梯控制工況進行試驗，使用多個無線壓力傳感器連接傳動機構和路由器，開啟終端服務器。編寫工況列表，程序根據設置時間，自動切換被控對象的壓力為10 kg、20 kg、30 kg，做壓力階梯控制試驗，分別使用常規PID算法和改進的積分分離PID算法試驗結果如圖11所示。

圖11 階梯壓力采集控制試驗結果

常規的PID算法，未能及時有效地消除積分項帶來的超調偏差，有損壞儀器設備的風險。10 kg壓力控制工況時，最大實測值為12.68 kg；20 kg壓力控制工況時，最大實測值為22.71 k；30 kg壓力控制工況時，最大實測值為30.66 kg，超差率較大，不符合設計要求。采用改進的積分分離增量式PID算法，在PID控制開始階段，設定了積分分離的百分比，在控制剛開始的階段，積分算法不參與控制，當控制值達到了積分分離的設置值后，積分算法參與控制，有效的控制歷史誤差的積分和，減小超調偏差。不同的積分分離百分比，對于不同的控制系統，產生的控制效果不同，實測值如表3所示。

表3 實測值對比表

使用PSP服務器協議，有效的較少了PID控制周期，提高了控制精度，同時減小了超調誤差，選用90%的積分分離百分比，控制效果最佳，試驗的超調誤差不超過0.5 kg，動態穩定誤差不超過±0.4 kg，符合試驗大綱的設計要求。

5 結束語

基于ESP8266和LabVIEW虛擬儀器的嵌入式分布式無線壓力傳感器參數測控系統，使用STM32微處理器、ESP8266無線模塊及ADC芯片等設計系統硬件，固件程序實現多通道的信號無線采集和PID控制，結合LabVIEW開發上位機軟件，采用多線程低耦合的QMH隊列框架和PSP服務器協議，實現了網絡設備多線程的并發，采用增量式積分分離PID算法，實現了傳動機構與傳感器的聯合控制，系統在解決了航天器展開機構參數測試無線化的基礎上，提高了數據采集頻率和通道數，較少了PID控制周期，提高了系統的測控響應速度，減小了系統超調，提高了PID控制精度，系統具備高精度和高穩定性等特點。