尹鳳福 王瑞東 安 瑞 杜澤瑞 張樹房

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，手機(jī)用戶數(shù)量已經(jīng)超過15.3億，每年產(chǎn)生的淘汰手機(jī)數(shù)量超過4.5億部［1］，而且這些數(shù)字在逐年增長(zhǎng)。無論是智能手機(jī)使用過程中內(nèi)部器件的維修和更換，還是廢舊手機(jī)的拆解回收分類處理，都必不可少要對(duì)手機(jī)進(jìn)行拆解［2］。

手機(jī)拆解的第一步就是進(jìn)行手機(jī)后蓋拆解。手機(jī)后蓋與手機(jī)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(jī)防水防潮功能的不斷優(yōu)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(jī)后蓋需要進(jìn)行加熱處理，加熱板的溫度控制是后蓋拆解的關(guān)鍵問題。本文研究出基于模糊自適應(yīng)PID的手機(jī)后蓋加熱控制系統(tǒng)，縮短加熱板的調(diào)整時(shí)間，達(dá)到理想的控制效果。

2 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中最主要的芯片是STC89C52RC，通過DS18B20采集加熱板實(shí)時(shí)溫度，與按鍵設(shè)置溫度進(jìn)比較，輸出D/A轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，進(jìn)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(bào)警裝置提醒加熱完成。該系統(tǒng)大體分為電源模塊、溫度檢測(cè)模塊、開關(guān)與鍵盤模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、輸出模塊，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框架圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源模塊

MCS-51為STC89C52RC的內(nèi)核，其穩(wěn)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(jié)11.1V鋰電池串聯(lián)的供電系統(tǒng)，但單片機(jī)和其他傳感器的工作電壓為+5V。LM2596型號(hào)的芯片對(duì)電路進(jìn)行降壓，控制電壓轉(zhuǎn)為+5V。另外在輸出電路中加入一個(gè)二極管，方便察看電路工作狀態(tài)［4］，電路原理圖如圖2。

圖2 電源電路圖

3.2 溫度檢測(cè)模塊

手機(jī)背膠的開始熔化溫度一般為80℃，溫度過高會(huì)產(chǎn)生電池爆炸的危險(xiǎn)，DS18B20廣泛應(yīng)用于-55℃～+125℃范圍內(nèi)溫度的采集，測(cè)量誤差1℃，在-10℃～+85℃時(shí)精度達(dá)到了±0.5℃。DS18B20的3個(gè)引腳接線簡(jiǎn)單［5］，可以直接精確地實(shí)現(xiàn)手機(jī)后蓋加熱板的溫度測(cè)量。配置不同的位數(shù)確定溫度和數(shù)字兩者的轉(zhuǎn)化是DS18B20配置寄存器的特點(diǎn)之一，其中R0、R1決定了溫度測(cè)量的精度，其模式表如下。

表1 R0和R1模式表

3.3 D/A轉(zhuǎn)換電路

DAC0832是D/A轉(zhuǎn)換電路的控制芯片，是8位分辨率的集成芯片，與控制系統(tǒng)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(tǒng)

4.1 加熱板數(shù)學(xué)模型

加熱手機(jī)后蓋的電加熱板采用熱擴(kuò)散率較高的鋁板，工作溫度為室溫～300℃之間，內(nèi)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(shè)置為所要研究的變量，加熱溫度保持穩(wěn)定時(shí)，產(chǎn)生的熱量Qt、保持的熱量Q1與散發(fā)的熱量Q2之間的關(guān)系為

式中，Q1可表示為

Q2可表示為

其中，時(shí)間常數(shù)t，Tk表示k時(shí)的當(dāng)前溫度值，初始溫度為T0，手機(jī)后蓋加熱板的熱容量用C表示，散熱系數(shù)用A代替。通常條件下，環(huán)境溫度T0遠(yuǎn)小于加熱板k時(shí)刻的溫度Tk。

因此，T0忽略不計(jì)，Qt可以表示為

做拉普拉斯變換可以得到

在手機(jī)后的加熱過程中，控制手機(jī)后蓋加熱的信號(hào)和加熱板的溫度測(cè)量存在時(shí)間延遲τ。設(shè)電加熱板的輸入控制為μ：

可以得到加熱板的數(shù)學(xué)模型：

4.2 PID控制系統(tǒng)

PID算法具有控制原理簡(jiǎn)單且效果較好的優(yōu)點(diǎn)，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(shù)；TI為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間；

由式（11）可得控制規(guī)律的傳遞函數(shù)：

將信號(hào)采集之后，根據(jù)偏差值來進(jìn)行計(jì)算，對(duì)控制算法式（11）離散化［9］，可得：

可以看出本系統(tǒng)中的數(shù)字量經(jīng)過算法系統(tǒng)的離散化，轉(zhuǎn)變成數(shù)字PID控制［10］，加熱板溫度控制系統(tǒng)以PID控制算法為基礎(chǔ)，采用控制更準(zhǔn)確的變參數(shù)PID控制。

4.3 模糊自適應(yīng)PID控制

傳統(tǒng)PID控制會(huì)受到控制系統(tǒng)的干擾，并有一定的滯后性，導(dǎo)致溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性受到影響。模糊自適應(yīng)PID能夠通過模糊控制器在線調(diào)整PID參數(shù)［11］，解決這一問題。

模糊控制理論廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各行各業(yè)［12］。模糊控制器是根據(jù)人們的推理過程，將模糊變量通過數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析，再通過解模糊輸出控制變量［13］。手機(jī)后蓋加熱板存在加熱滯后嚴(yán)重和容易受到周圍環(huán)境影響的問題，用模糊控制能夠精確完成手機(jī)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(yīng)PID控制器，通過模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，可以完成Kp、Ki、Kd與e、ec模糊關(guān)系的定義。在系統(tǒng)控制過程中，不斷檢測(cè)e和ec的值，推理得到增量參數(shù)ΔKp、ΔKi和ΔKd［14］。通過PID調(diào)節(jié)器推理分析得到的信息輸入STC89C51RC單片機(jī)，單片機(jī)輸出分析后得到的控制信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)后蓋加熱板的加熱功率控制，最終完成對(duì)手機(jī)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(yīng)PID控制原理圖

其算法流程圖如圖7所示。

圖7 模糊自適應(yīng)PID控制算法流程圖

本控制系統(tǒng)中，誤差為e，誤差變化率為ec，模糊PID比例因子的增量參數(shù)為ΔKp、ΔKi和ΔKd。根據(jù)加熱板加熱性質(zhì)和技術(shù)人員的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下，定義模糊子集｛NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。?、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(jí)為｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝。模糊子集的隸屬度函數(shù)如圖8所示。

圖8 隸屬度函數(shù)

模糊規(guī)則是模糊推理的依據(jù)，它表達(dá)了輸入量和輸出量的相對(duì)關(guān)系［16］。

當(dāng)溫度偏差信號(hào)||e較大時(shí)，為避免偏差的瞬間變大，應(yīng)該選擇較大的Kp值和較小的Kd來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度［17］，避免微分飽和，同時(shí)為減少系統(tǒng)的超調(diào)量，應(yīng)當(dāng)減弱積分作用，故Ki=0。

如果|e|較小或趨于零時(shí)，應(yīng)取較大的Kp和Ki值，使用較小的Kd值，這樣可以避免系統(tǒng)到達(dá)設(shè)定溫度后的振蕩。當(dāng)誤差變化率|ec|較小時(shí)，Kd一般取中等值較為合適；當(dāng)誤差變化率|ec|較大時(shí)，Kd的值則應(yīng)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(guān)系，對(duì)應(yīng)的規(guī)則表如下［18］。

表2 三參數(shù)模糊控制器規(guī)則表

5 系統(tǒng)仿真分析

5.1 仿真模型

基于Matlab2013a提供的Simulink模塊進(jìn)行仿真 試 驗(yàn)［19］，設(shè) 置PID仿 真 參 數(shù) 為：kp=1.2，ki=0.0045，kd=0.05。將傳統(tǒng)PID與模糊自適應(yīng)PID進(jìn)行仿真驗(yàn)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(jié)果分析

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

通過圖10的仿真數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可以得到傳統(tǒng)PID系統(tǒng)超調(diào)量σ為40%，上升時(shí)間為720s，調(diào)整時(shí)間3800s；模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)超調(diào)量σ為18%，上升時(shí)間600s，調(diào)整時(shí)間2600s。模糊PID控制器通過對(duì)PID控制參量的動(dòng)態(tài)調(diào)整，減小了控制系統(tǒng)的超調(diào)量，縮短了上升和調(diào)整時(shí)間。因此，模糊自適應(yīng)PID算法控制能夠較快完成加熱板的溫度調(diào)節(jié)，并保證手機(jī)后蓋加熱過程的穩(wěn)定性，提高溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

圖10 階躍響應(yīng)曲線圖

6 結(jié)語

本研究是基于STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計(jì)了手機(jī)后蓋加熱控制系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。為保證手機(jī)后蓋拆解的需要，對(duì)延遲滯后性大、慣性大且非線性的加熱板建立數(shù)學(xué)模型，利用模糊自適應(yīng)PID控制器對(duì)傳統(tǒng)PID進(jìn)行在線參數(shù)整定，然后通過Mat?lab/Simulink仿真分析。仿真結(jié)果表明，模糊自適應(yīng)PID能夠縮短調(diào)整時(shí)間，減少超調(diào)量，提高傳統(tǒng)PID的控制性能，具有良好的控制效果。