基于模糊自适应PID的手机后盖加热控制系统的研究*

尹凤福 王瑞东 安 瑞 杜泽瑞 张树房

（青岛科技大学机电工程学院 青岛 266061）

1 引言

据工信部统计，手机用户数量已经超过15.3亿，每年产生的淘汰手机数量超过4.5亿部［1］，而且这些数字在逐年增长。无论是智能手机使用过程中内部器件的维修和更换，还是废旧手机的拆解回收分类处理，都必不可少要对手机进行拆解［2］。

手机拆解的第一步就是进行手机后盖拆解。手机后盖与手机的连接方式目前主要有两种方式：背胶连接和卡扣连接。随着手机防水防潮功能的不断优化，离不开背胶的密封作用，背胶连接成为后盖固定的主要方式。拆解背胶类型的手机后盖需要进行加热处理，加热板的温度控制是后盖拆解的关键问题。本文研究出基于模糊自适应PID的手机后盖加热控制系统，缩短加热板的调整时间，达到理想的控制效果。

2 系统方案的设计

本设计中最主要的芯片是STC89C52RC，通过DS18B20采集加热板实时温度，与按键设置温度进比较，输出D/A转换控制信号，进而控制加热过程，温度通过LCD1602液晶显示器件显示［3］，并配合蜂鸣器报警装置提醒加热完成。该系统大体分为电源模块、温度检测模块、开关与键盘模块、D/A转换模块、输出模块，总体设计框图如图1所示。

图1 系统总框架图

3 系统硬件设计

3.1 电源模块

MCS-51为STC89C52RC的内核，其稳定工作电压范围为3.8V～5.5V，为使用者提供了极大的方便。

采用两节11.1V锂电池串联的供电系统，但单片机和其他传感器的工作电压为+5V。LM2596型号的芯片对电路进行降压，控制电压转为+5V。另外在输出电路中加入一个二极管，方便察看电路工作状态［4］，电路原理图如图2。

图2 电源电路图

3.2 温度检测模块

手机背胶的开始熔化温度一般为80℃，温度过高会产生电池爆炸的危险，DS18B20广泛应用于-55℃～+125℃范围内温度的采集，测量误差1℃，在-10℃～+85℃时精度达到了±0.5℃。DS18B20的3个引脚接线简单［5］，可以直接精确地实现手机后盖加热板的温度测量。配置不同的位数确定温度和数字两者的转化是DS18B20配置寄存器的特点之一，其中R0、R1决定了温度测量的精度，其模式表如下。

表1 R0和R1模式表

3.3 D/A转换电路

DAC0832是D/A转换电路的控制芯片，是8位分辨率的集成芯片，与控制系统完全兼容，硬件连接电路图如下［6］。

图3 DAC连接电路图

4 加热板温度控制系统

4.1 加热板数学模型

加热手机后盖的电加热板采用热扩散率较高的铝板，工作温度为室温～300℃之间，内置均匀安放的电阻丝，为增加加热板的耐腐蚀性在铝板上表面加一层不锈钢［7］。

将电加热板的温度设置为所要研究的变量，加热温度保持稳定时，产生的热量Qt、保持的热量Q1与散发的热量Q2之间的关系为

式中，Q1可表示为

Q2可表示为

其中，时间常数t，Tk表示k时的当前温度值，初始温度为T0，手机后盖加热板的热容量用C表示，散热系数用A代替。通常条件下，环境温度T0远小于加热板k时刻的温度Tk。

因此，T0忽略不计，Qt可以表示为

做拉普拉斯变换可以得到

在手机后的加热过程中，控制手机后盖加热的信号和加热板的温度测量存在时间延迟τ。设电加热板的输入控制为μ：

可以得到加热板的数学模型：

4.2 PID控制系统

PID算法具有控制原理简单且效果较好的优点，其控制原理如图4所示。

图4 PID控制原理图

控制过程中偏差e通过PID控制器处理，输出控制量u：

式中，Kp为比例放大系数；TI为积分时间；TD为微分时间；

由式（11）可得控制规律的传递函数：

将信号采集之后，根据偏差值来进行计算，对控制算法式（11）离散化［9］，可得：

可以看出本系统中的数字量经过算法系统的离散化，转变成数字PID控制［10］，加热板温度控制系统以PID控制算法为基础，采用控制更准确的变参数PID控制。

4.3 模糊自适应PID控制

传统PID控制会受到控制系统的干扰，并有一定的滞后性，导致温度控制系统的准确性受到影响。模糊自适应PID能够通过模糊控制器在线调整PID参数［11］，解决这一问题。

模糊控制理论广泛应用在生产生活的各行各业［12］。模糊控制器是根据人们的推理过程，将模糊变量通过数据库和规则库实现数据分析，再通过解模糊输出控制变量［13］。手机后盖加热板存在加热滞后严重和容易受到周围环境影响的问题，用模糊控制能够精确完成手机后盖加热的控制过程，模糊控制器的流程如图下。

图5 模糊控制器的流程图

将偏差e和偏差变化ec输入模糊自适应PID控制器，通过模糊控制规则对PID参数进行修改，可以完成Kp、Ki、Kd与e、ec模糊关系的定义。在系统控制过程中，不断检测e和ec的值，推理得到增量参数ΔKp、ΔKi和ΔKd［14］。通过PID调节器推理分析得到的信息输入STC89C51RC单片机，单片机输出分析后得到的控制信息，进而实现对手机后盖加热板的加热功率控制，最终完成对手机后盖加热的精确控制。具体控制原理如图6所示。

图6 模糊自适应PID控制原理图

其算法流程图如图7所示。

图7 模糊自适应PID控制算法流程图

本控制系统中，误差为e，误差变化率为ec，模糊PID比例因子的增量参数为ΔKp、ΔKi和ΔKd。根据加热板加热性质和技术人员的实践操作经验，对系统的相关参数设定如下，定义模糊子集｛NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、Z（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）｝［15］，模糊论域均取为模糊域范围为［-6，6］，量化等级为｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝。模糊子集的隶属度函数如图8所示。

图8 隶属度函数

模糊规则是模糊推理的依据，它表达了输入量和输出量的相对关系［16］。

当温度偏差信号||e较大时，为避免偏差的瞬间变大，应该选择较大的Kp值和较小的Kd来提高系统的响应速度［17］，避免微分饱和，同时为减少系统的超调量，应当减弱积分作用，故Ki=0。

如果|e|较小或趋于零时，应取较大的Kp和Ki值，使用较小的Kd值，这样可以避免系统到达设定温度后的振荡。当误差变化率|ec|较小时，Kd一般取中等值较为合适；当误差变化率|ec|较大时，Kd的值则应取较小值。

通过分析可得到误差和误差变化率与模糊控制中ΔKp、ΔKi和ΔKd的关系，对应的规则表如下［18］。

表2 三参数模糊控制器规则表

5 系统仿真分析

5.1 仿真模型

基于Matlab2013a提供的Simulink模块进行仿真 试 验［19］，设 置PID仿 真 参 数 为：kp=1.2，ki=0.0045，kd=0.05。将传统PID与模糊自适应PID进行仿真验证，在Simulink中建立模糊控制器，仿真框图如图9所示。

图9 仿真模型

5.2 仿真结果分析

Simulink模块仿真得到的模糊自适应PID算法与传统PID算法的阶跃响应曲线如图10所示。

通过图10的仿真数据数据，可以得到传统PID系统超调量σ为40%，上升时间为720s，调整时间3800s；模糊自适应PID系统超调量σ为18%，上升时间600s，调整时间2600s。模糊PID控制器通过对PID控制参量的动态调整，减小了控制系统的超调量，缩短了上升和调整时间。因此，模糊自适应PID算法控制能够较快完成加热板的温度调节，并保证手机后盖加热过程的稳定性，提高温度控制系统的准确度。

图10 阶跃响应曲线图

6 结语

本研究是基于STC89C52RC单片机设计了手机后盖加热控制系统，整体结构简单。为保证手机后盖拆解的需要，对延迟滞后性大、惯性大且非线性的加热板建立数学模型，利用模糊自适应PID控制器对传统PID进行在线参数整定，然后通过Mat⁃lab/Simulink仿真分析。仿真结果表明，模糊自适应PID能够缩短调整时间，减少超调量，提高传统PID的控制性能，具有良好的控制效果。