基于模糊自適應PID的手機后蓋加熱控制系統的研究*

尹鳳福 王瑞東 安 瑞 杜澤瑞 張樹房

（青島科技大學機電工程學院 青島 266061）

1 引言

據工信部統計，手機用戶數量已經超過15.3億，每年產生的淘汰手機數量超過4.5億部［1］，而且這些數字在逐年增長。無論是智能手機使用過程中內部器件的維修和更換，還是廢舊手機的拆解回收分類處理，都必不可少要對手機進行拆解［2］。

手機拆解的第一步就是進行手機后蓋拆解。手機后蓋與手機的連接方式目前主要有兩種方式：背膠連接和卡扣連接。隨著手機防水防潮功能的不斷優化，離不開背膠的密封作用，背膠連接成為后蓋固定的主要方式。拆解背膠類型的手機后蓋需要進行加熱處理，加熱板的溫度控制是后蓋拆解的關鍵問題。本文研究出基于模糊自適應PID的手機后蓋加熱控制系統，縮短加熱板的調整時間，達到理想的控制效果。

2 系統方案的設計

本設計中最主要的芯片是STC89C52RC，通過DS18B20采集加熱板實時溫度，與按鍵設置溫度進比較，輸出D/A轉換控制信號，進而控制加熱過程，溫度通過LCD1602液晶顯示器件顯示［3］，并配合蜂鳴器報警裝置提醒加熱完成。該系統大體分為電源模塊、溫度檢測模塊、開關與鍵盤模塊、D/A轉換模塊、輸出模塊，總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總框架圖

3 系統硬件設計

3.1 電源模塊

MCS-51為STC89C52RC的內核，其穩定工作電壓范圍為3.8V～5.5V，為使用者提供了極大的方便。

采用兩節11.1V鋰電池串聯的供電系統，但單片機和其他傳感器的工作電壓為+5V。LM2596型號的芯片對電路進行降壓，控制電壓轉為+5V。另外在輸出電路中加入一個二極管，方便察看電路工作狀態［4］，電路原理圖如圖2。

圖2 電源電路圖

3.2 溫度檢測模塊

手機背膠的開始熔化溫度一般為80℃，溫度過高會產生電池爆炸的危險，DS18B20廣泛應用于-55℃～+125℃范圍內溫度的采集，測量誤差1℃，在-10℃～+85℃時精度達到了±0.5℃。DS18B20的3個引腳接線簡單［5］，可以直接精確地實現手機后蓋加熱板的溫度測量。配置不同的位數確定溫度和數字兩者的轉化是DS18B20配置寄存器的特點之一，其中R0、R1決定了溫度測量的精度，其模式表如下。

表1 R0和R1模式表

3.3 D/A轉換電路

DAC0832是D/A轉換電路的控制芯片，是8位分辨率的集成芯片，與控制系統完全兼容，硬件連接電路圖如下［6］。

圖3 DAC連接電路圖

4 加熱板溫度控制系統

4.1 加熱板數學模型

加熱手機后蓋的電加熱板采用熱擴散率較高的鋁板，工作溫度為室溫～300℃之間，內置均勻安放的電阻絲，為增加加熱板的耐腐蝕性在鋁板上表面加一層不銹鋼［7］。

將電加熱板的溫度設置為所要研究的變量，加熱溫度保持穩定時，產生的熱量Qt、保持的熱量Q1與散發的熱量Q2之間的關系為

式中，Q1可表示為

Q2可表示為

其中，時間常數t，Tk表示k時的當前溫度值，初始溫度為T0，手機后蓋加熱板的熱容量用C表示，散熱系數用A代替。通常條件下，環境溫度T0遠小于加熱板k時刻的溫度Tk。

因此，T0忽略不計，Qt可以表示為

做拉普拉斯變換可以得到

在手機后的加熱過程中，控制手機后蓋加熱的信號和加熱板的溫度測量存在時間延遲τ。設電加熱板的輸入控制為μ：

可以得到加熱板的數學模型：

4.2 PID控制系統

PID算法具有控制原理簡單且效果較好的優點，其控制原理如圖4所示。

圖4 PID控制原理圖

控制過程中偏差e通過PID控制器處理，輸出控制量u：

式中，Kp為比例放大系數；TI為積分時間；TD為微分時間；

由式（11）可得控制規律的傳遞函數：

將信號采集之后，根據偏差值來進行計算，對控制算法式（11）離散化［9］，可得：

可以看出本系統中的數字量經過算法系統的離散化，轉變成數字PID控制［10］，加熱板溫度控制系統以PID控制算法為基礎，采用控制更準確的變參數PID控制。

4.3 模糊自適應PID控制

傳統PID控制會受到控制系統的干擾，并有一定的滯后性，導致溫度控制系統的準確性受到影響。模糊自適應PID能夠通過模糊控制器在線調整PID參數［11］，解決這一問題。

模糊控制理論廣泛應用在生產生活的各行各業［12］。模糊控制器是根據人們的推理過程，將模糊變量通過數據庫和規則庫實現數據分析，再通過解模糊輸出控制變量［13］。手機后蓋加熱板存在加熱滯后嚴重和容易受到周圍環境影響的問題，用模糊控制能夠精確完成手機后蓋加熱的控制過程，模糊控制器的流程如圖下。

圖5 模糊控制器的流程圖

將偏差e和偏差變化ec輸入模糊自適應PID控制器，通過模糊控制規則對PID參數進行修改，可以完成Kp、Ki、Kd與e、ec模糊關系的定義。在系統控制過程中，不斷檢測e和ec的值，推理得到增量參數ΔKp、ΔKi和ΔKd［14］。通過PID調節器推理分析得到的信息輸入STC89C51RC單片機，單片機輸出分析后得到的控制信息，進而實現對手機后蓋加熱板的加熱功率控制，最終完成對手機后蓋加熱的精確控制。具體控制原理如圖6所示。

圖6 模糊自適應PID控制原理圖

其算法流程圖如圖7所示。

圖7 模糊自適應PID控制算法流程圖

本控制系統中，誤差為e，誤差變化率為ec，模糊PID比例因子的增量參數為ΔKp、ΔKi和ΔKd。根據加熱板加熱性質和技術人員的實踐操作經驗，對系統的相關參數設定如下，定義模糊子集｛NB（負大）、NM（負中）、NS（負?。?、Z（零）、PS（正?。M（正中）、PB（正大）｝［15］，模糊論域均取為模糊域范圍為［-6，6］，量化等級為｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝。模糊子集的隸屬度函數如圖8所示。

圖8 隸屬度函數

模糊規則是模糊推理的依據，它表達了輸入量和輸出量的相對關系［16］。

當溫度偏差信號||e較大時，為避免偏差的瞬間變大，應該選擇較大的Kp值和較小的Kd來提高系統的響應速度［17］，避免微分飽和，同時為減少系統的超調量，應當減弱積分作用，故Ki=0。

如果|e|較小或趨于零時，應取較大的Kp和Ki值，使用較小的Kd值，這樣可以避免系統到達設定溫度后的振蕩。當誤差變化率|ec|較小時，Kd一般取中等值較為合適；當誤差變化率|ec|較大時，Kd的值則應取較小值。

通過分析可得到誤差和誤差變化率與模糊控制中ΔKp、ΔKi和ΔKd的關系，對應的規則表如下［18］。

表2 三參數模糊控制器規則表

5 系統仿真分析

5.1 仿真模型

基于Matlab2013a提供的Simulink模塊進行仿真 試 驗［19］，設 置PID仿 真 參 數 為：kp=1.2，ki=0.0045，kd=0.05。將傳統PID與模糊自適應PID進行仿真驗證，在Simulink中建立模糊控制器，仿真框圖如圖9所示。

圖9 仿真模型

5.2 仿真結果分析

Simulink模塊仿真得到的模糊自適應PID算法與傳統PID算法的階躍響應曲線如圖10所示。

通過圖10的仿真數據數據，可以得到傳統PID系統超調量σ為40%，上升時間為720s，調整時間3800s；模糊自適應PID系統超調量σ為18%，上升時間600s，調整時間2600s。模糊PID控制器通過對PID控制參量的動態調整，減小了控制系統的超調量，縮短了上升和調整時間。因此，模糊自適應PID算法控制能夠較快完成加熱板的溫度調節，并保證手機后蓋加熱過程的穩定性，提高溫度控制系統的準確度。

圖10 階躍響應曲線圖

6 結語

本研究是基于STC89C52RC單片機設計了手機后蓋加熱控制系統，整體結構簡單。為保證手機后蓋拆解的需要，對延遲滯后性大、慣性大且非線性的加熱板建立數學模型，利用模糊自適應PID控制器對傳統PID進行在線參數整定，然后通過Mat?lab/Simulink仿真分析。仿真結果表明，模糊自適應PID能夠縮短調整時間，減少超調量，提高傳統PID的控制性能，具有良好的控制效果。