CN100371507C

CN100371507C - 晶体等径生长的控制系统及其方法

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Publication number: CN100371507C
Application number: CNB2005100593258A
Authority: CN
Inventors: 荀建华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-03-28
Filing date: 2005-03-28
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2025-03-28
Also published as: CN1840746A

Abstract

本发明涉及一种晶体等径生长的控制系统及其方法。该系统具有晶体生长炉、晶体直径检测部分和埚温控制部分；采集晶体实时拉升速度信号并反馈调整晶体拉升速度的晶体拉升速度控制部分；还有一个共用控制器；所述控制器分别接收来自所述晶体直径检测部分、所述晶体拉升速度控制部分以及所述埚温控制部分各自的检测信号，所述控制器应用Fuzzy控制与PID控制结合的算法计算出晶体拉升调速信号反馈给所述晶体拉升速度控制部分对晶体拉省速度进行调整，以及计算出加热功率调节信号反馈给所述埚温控制部分对熔体的温度进行调整。系统达到优良的控制品质，大大提高晶体等径生长阶段的直径控制精度，稳定提高大直径硅单晶棒一次拉制的成品率。

Description

晶体等径生长的控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种晶体等径生长的控制系统及其方法，尤其涉及单晶硅等径生长的控制系统及其方法。

背景技术

半导体材料是半导体工业的基础材料，当今95％以上的半导体器件是用硅材料制造的，99％以上的集成电路是硅集成电路，生产集成电路所需要的原料是单晶硅。近年来，全世界加大了对太阳能这一环保能源的开发力度，将太阳能转化为民用电力能源的太阳能电站作为一项产业正迅速兴起，同时对太阳能高效转化的新材料——单晶硅的需求也成倍增长，但是国内能够生产单晶硅的厂家却屈指可数，且生产能力不足，远不能满足国内市场的需求。

传统的生产单晶硅的工艺是在硅结晶生长开始时，用提拉的办法制成的。在单晶硅生产过程中，晶体的提拉速度会影响到晶体的质量。同时，单晶硅晶体生长炉中的晶体生长的过程具有非线性和大纯滞后的特点，应用常规PID(比例积分微分)控制难以实现有效控制。其原因在于整个生产过程主要分为硅原料熔化、引晶、放肩、转肩、等径生长和收尾六个连续阶段。在这六个连续阶段中晶体生长过程作为具有非线性、时变、大纯滞后的控制对象，如等径生长。虽然目前许多控制理论和技术日益成熟，但应用常规PID控制器控制的效果仍不理想。而采用自适应PID等方法，计算时间长，调试费用大，实时应用困难。

以CZ法(Czochralski法，有中文文章中译为切克劳斯基法)直拉单晶硅时，单晶硅晶体生长的等径阶段的直径控制精度与设备的总体性能有关，如提拉速度控制、晶体生长过程中熔体温度、动态性能等因素。因此，特别是对于大直径单晶炉的控制系统来说，传统的单模式调节不可能达到理想的直径控制效果。

如中国专利申请91102922.2公开了单晶硅直径控制法及其设备。在该申请中，将光学装置测出的提拉单晶直径测定值与要求直径值进行比较，以确定偏差，再对得出的偏差进行不完全微分PID处理或史密斯法处理，以计算提拉速度，再将提拉速度加到晶体提拉设备的电动机控制器上，从而通过控制提拉速度控制提晶体拉升体的直径。该申请仅仅通过控制单晶硅生长过程中的提拉设备的提拉速度，以使晶体直径保持在所要求的值上，而忽视了在晶体生长过程中熔体温度对晶体生长的直径的影响。同时，该申请采用的不完全微分PID处理或史密斯法处理的动态性能较差。

中国专利申请00805352.9公开了生长处理中控制硅晶体直径的方法与装置。该中请提供了一种随着从熔体中提升晶棒通过改变熔体的温度以控制晶棒直径的方法与装置，其晶棒以基本上按照预定的速度分布图的目标速率从熔体中拉升。显然该申请仅仪以熔体的温度为控制对象，而没有将熔体的温度控制与晶棒拉升速度控制有机结合，同时PID处理的动态性能较差，所以该申请对晶体直径生长的控制比较有限。

通常，所属技术领域的技术人员仅考虑通过PID控制的方法对提拉速度控制、晶体生长过程中熔体温度进行控制，因而导致现有的晶体等径生长的控制系统及其方法难以进一步提高晶体生长过程中对直径的控制精度，难以达到预期的晶体等径生长的生产目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将Fuzzy(预测型模糊)控制和PID控制两种算法结合，来提高晶体等径生长阶段的直径控制精度，从而稳定提高大直径硅单晶棒一次拉制的成品率的晶体等径生长的控制系统及其方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种晶体等径生长的控制系统，具有晶体生长炉；

检测炉内晶体生长过程中晶体直径变化信号的晶体直径检测部分；

采集炉内熔体温度信号及加热器的加热电压电流信号并反馈控制炉内熔体温度的埚温控制部分；

采集晶体实时拉升速度信号并反馈调整晶体拉升速度的晶体拉升速度控制部分；

还具有一个控制器；所述控制器分别接收来自所述晶体直径检测部分、所述晶体拉升速度控制部分以及所述埚温控制部分各自的检测信号，所述控制器应用Fuzzy控制与PID控制结合的算法计算出晶体拉升调速信号反馈给所述晶体拉升速度控制部分对晶体拉省速度进行调整，以及计算出加热功率调节信号反馈给所述埚温控制部分对熔体的温度进行调整；

所述埚温控制部分包括埚温检测电路、加热电压电流检测电路及加热功率调节电路；所述埚温检测电路的埚温检测信号的输出端与所述控制器的埚温检测信号输入端电连接；所述加热电压电流检测电路的加热电压电流检测信号输出端与所述控制器的加热电压电流检测信号输入端电连接；所述控制器的加热功率调节输出端与所述加热功率调节电路的加热功率调节输入端电连接。

上述技术方案中，所述晶体拉升速度控制部分包括晶体拉升测速电路及晶体拉升调速电路；所述晶体拉升测速电路的晶体拉升测速信号输出端与所述控制器的晶体拉升测速信号输入端电连接；所述控制器的晶体拉升调速信号输出端与所述晶体拉升调速电路的晶体拉升调速信号输入端电连接。

上述技术方案中，所述晶体直径检测部分包括一个晶体直径检测电路，所述晶体直径检测电路的晶体直径检测信号输出端与控制器的晶体直径检测信号输入端电连接。

上述技术方案中，控制器为可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器具有通过总线连接的模拟信号输入单元、CPU、模拟信号输出单元、I/O接口。

本发明的晶体等径生长的控制系统，其工作时采用的方法具有以下步骤：

①测量检测晶体直径，采集晶体生长过程中的晶体直径变化信号；同时测量检测晶体拉升速度，采集实时拉升速度信号；测量检测坩埚中熔体的温度，采集熔体温度信号；以及测量检测加热器加热电压电流大小的加热电压电流信号；将所述晶体直径变化信号、所述实时拉升速度信号、所述熔体温度信号及所述加热电压电流信号传送到共用控制器上；

②所述控制器采用位置式PID(比例微分积分)对接收的所述晶体直径变化信号和所述实时拉升速度信号进行处理，获得拉升速度控制信号：同时所述控制器采用增量式PID对接收的熔体温度信号和加热电压电流信号进行处理，获得加热功率调节信号；

③将处理后得出的拉升速度控制信号用于控制调整晶体拉升速度；并将处理后得出的加热功率调节信号用于控制调整加热器功率。

上述技术方案的步骤②中，控制器在通过晶体拉升调速电路对直径生长进行控制时所采用的运算式为：SL＝SP+F(ΔD)

式中，SL为晶体拉升速度，SP为给定的晶体拉升速度，F(ΔD)为直径控制PID输出，ΔD为直径偏差；步骤③中温度控制过程中所采用的对电信号的运算式为：

F (ΔT) = F [Tset - Ti + Σ_{i = 0}^{n} Tr * Δt] + Fset

式中，F(ΔT)为温度控制PID输出，Fset为预定控制PID输出，Tset为温度设定，Ti为埚温检测信号，

为温校补偿式，Δt为时间段长；

其中：

Tr = Σ_{i = 0}^{n} Trset * ΔL + F (ΔV)

式中，Tr为温校斜率(μV/min)，Trset为为温校斜率预定值，ΔL为晶体拉升段长，F(ΔV)为温校控制PID输出，ΔV为晶体拉升实速与给定速度偏差值。

上述技术方案的步骤②中，控制器在通过晶体拉升调速电路对直径生长进行控制的过程中，为抑制高频干扰以及采样动作对尖峰干扰的敏感性，将理想微分改为有限制微分，偏差信号经过中值滤波；该过程的算式如下：

m_{n} = \frac{1}{p} {e_{n} + \frac{1}{T_{l}} Σ_{i = 0}^{n} e_{i} ΔT + \frac{T_{D}}{ΔT + \frac{T_{D}}{K_{D}}} (e_{n} - e_{n - 1}) + \frac{\frac{T_{D}}{K_{D}}}{ΔT + \frac{T_{D}}{K_{D}}} m_{n - 1}}

上述技术方案的步骤③中在温度控制中，为避免引起功率控制回路的振荡，实现手动控制与自动控制的无干扰切换；同时在增量式PID进行处理过程中，微分先行，即微分算法不受设定值影响，仅对测量值的偏差信号进行微分算法；该过程的算式如下：

{Δm}_{n} = m_{n} - m_{n - 1} = \frac{1}{p} {\frac{ΔT}{T_{l}} e_{n} + (e_{n} - e_{n - 1}) + \frac{T_{D}}{ΔT} ({\overset{&OverBar;}{e}}_{n} - 2 {\overset{&OverBar;}{e}}_{n - 1} + {\overset{&OverBar;}{e}}_{n - 2})}

在上式中，m_n为第n次输出值，e_n为第n次偏差信号，P为比例度，ΔT为采样周期，T_l为积分时间常数，T_D为微分时间常数，K_D为微分增益；在大偏差的情况下，控制器采用预测型模糊自整定PID参数控制的处理方式；该过程的算式如下：

m_{n} = K_{P} e_{n} + K_{l} Σ_{i = 0}^{n} e_{i} + K_{D} {\overset{&OverBar;}{e}}_{n}

式中，K_P、K_lK_D为Fuzzy集合理论的参数；|E|为偏差绝对值，|EC|为偏差变化绝对值，根据不同的|E|和|EC|在线自整定K_P、K_l、K_D；当|E|较大时，取较大的K_P和较小的K_D，且K_l为0；当|E|较小时，取较大的K_P和K_l，较小的K_D；通过将K_P、K_l、K_D、|E|和|EC|模糊化，确定Fuzzy子集的隶属度，设计出PID参数整定表，由表中查出相应的修正系数，采用临界比例度法确定基值，从而整定PID参数。

上述技术方案中，用户根据采样数据并通过工控机设置晶体生长控制过程的工艺曲线，同时设置控制器的控制数据、工作状态、输入状态和输出状态；在工控机运行监控组态软件时，用户通过显示屏的触摸或工控机的键盘对晶体生长过程进行画面监视和控制，同时用户可以对工艺曲线进一步设定与控制参数整定。

本发明具有的积极效果：(1)本发明以熔体温度调节嵌入晶体生长拉速调节，实现预期的直径控制精度。(2)本发明将直径控制和温校控制相结合，实现晶体直径的等径自动生长。(3)采用智能控制器控制加热温度及晶体的等径生长，对提高产品质量、降低工作强度、节约能耗有极大的意义。(4)本发明将Fuzzy(模糊)控制和PID(比例微分积分)控制两种算法结合起来，获得了动态性能、稳态性能都很好的控制特性。考虑到PID和Fuzzy控制算法各自的优缺点，采用在大偏差范围内Fuzzy控制，小偏差范围内PID控制的方法。即用Fuzzy控制保证系统的良好动态响应，用PID控制来消除系统的稳态误差，从而使系统达到优良的控制品质。

附图说明

图1为本发明的晶体等径生长的控制系统的电路装置框图。

图2为本发明的控制器的直径控制原理框图。

图3为本发明的控制器的温度控制原理框图。

图4为本发明在常规PID控制的基础上，应用Fuzzy集合理论，根据不同的|E|和|EC|在线自整定K_P、K_l、K_D时，所采用的整定模型框图。

图5为本发明的工控机8的系统结构框图。

图6为本发明的控制器7的系统结构框图。

具体实施方式

参见图1，本实施例的晶体等径生长的控制系统，具有晶体生长炉，晶体直径检测电路1、晶体拉升测速电路2、埚温检测电路3、加热电压电流检测电路4、晶体拉升调速电路5、加热功率调节电路6、控制器7、工控机8和显示屏9。

晶体直径检测电路1的晶体直径检测信号输出端与控制器7的晶体直径检测信号输入端电连接，晶体拉升测速电路2的晶体拉升测速信号输出端与控制器7的晶体拉升测速信号输入端电连接，埚温检测电路3埚温检测信号的输出端与控制器7的埚温检测信号输入端电连接，加热电压电流检测电路4的加热电压电流检测信号输出端与控制器7的加热电压电流检测信号输入端电连接，控制器7的晶体拉升调速信号输出端与晶体拉升调速电路5的晶体拉升调速信号输入端电连接，控制器7的加热功率调节输出端与加热功率调节电路6的加热功率调节输入端电连接。

工控机8为工控PC机，显示屏9的屏幕是可触摸控制的；控制器7的RS-232串行数据端与工控机8的RS-232串行数据端双向电连接。

控制器7与工控机8通讯时，波特率为9600b/s，采用周期为1s，控制器7接收数据时采用中断方式，发送采用程序调用发射方式。工控机8的显示信号输出端与显示屏9的显示信号输入端电连接，显示屏9的触摸信号输出端与工控机8的触摸信号输入端电连接。

控制器7为可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器具有：8点模拟信号输入单元71，其型号为AD003；CPU72，型号为欧姆龙PLC C200HE/CPU42；8点模拟信号输出单元71，其型号为DA003；2块16点I/O输入单元74，其型号为ID212；2块16点I/0输出单元75，其型号为0C225；模拟信号输入单元71、CPU72、模拟信号输出单元71、I/O输入单元74和I/O输出单元75都具有总线接口，模拟信号输入单元71、CPU72、模拟信号输出单元71、I/O输入单元74和I/O输出单元75互相电连接在系统总线上。

本实施例的晶体等径生长的控制系统工作时采用的方法具有以下步骤：①测量检测晶体直径，采集晶体生长过程中的晶体直径变化信号；同时测量检测晶体拉升速度，采集实时拉升速度信号；测量检测坩埚中熔体的温度，采集熔体温度信号；以及测量检测加热器加热电压电流大小的加热电压电流信号；将所述晶体直径变化信号、所述实时拉升速度信号、所述熔体温度信号及所述加热电压电流信号传送到共用控制器7上；

②所述控制器7采用位置式PID(比例微分积分)对接收的所述晶体直径变化信号和所述实时拉升速度信号进行处理，获得拉升速度控制信号；同时所述控制器7采用增量式PID对接收的熔体温度信号和加热电压电流信号进行处理，获得加热功率调节信号；步骤②中，控制器7在通过晶体拉升调速电路5对直径生长进行控制时所采用的运算式为：SL＝SP+F(ΔD)

式中，SL为晶体拉升速度，SP为给定的晶体拉升速度，F(ΔD)为直径控制PID输出，ΔD为直径偏差；

其中温度控制过程中所采用的对电信号的运算式为：

F (ΔT) = F [Tset - Ti + Σ_{i = 0}^{n} Tr * Δt] + Fset

为温校补偿式，Δt为时间段长；

其中：

Tr = Σ_{i = 0}^{n} Trset * ΔL + F (ΔV)

式中，Tr为温校斜率μV/min，Trset为为温校斜率预定值，ΔL为晶体拉升段长mm，F(ΔV)为温校控制PID输出，ΔV为晶体拉升实速与给定速度偏差值m/min。

见图5和图6，用户根据采样数据并通过工控机8设置晶体生长控制过程的工艺曲线，同时设置控制器7的控制数据、工作状态、输入状态和输出状态；在工控机8运行监控组态软件时，用户通过显示屏9的触摸或工控机8的键盘对晶体生长过程进行画面监视和控制，同时用户可以对工艺曲线进一步设定与控制参数整定。

由于控制对象的复杂性，难以数学模型精确表达，只能作定性分析。从控制原理，可以确定基本控制策略。众所周知，PID控制的动态性能较差，但其积分功能能消除静差，使稳态性能变好；Fuzzy控制的动态性能较好，但由于量化等级所限制，使稳态精度不能令人满意。因此，将Fuzzy控制和PID控制两种算法结合起来，就有可能获得动态性能、稳态性能都很好的控制特性。考虑到PID和Fuzzy控制算法各自的优缺点，采用在大偏差范围内Fuzzy控制，小偏差范围内PID控制的方法。即用Fuzzy控制保证系统的良好动态响应，用PID控制来消除系统的稳态误差，从而使系统达到优良的控制；品质。

在步骤②的直径控制中，采用位置式PID。为抑制高频干扰以及采样动作对尖峰干扰的敏感性，将理想微分改为有限制微分，偏差信号经过中值滤波。算式如下：

m_{n} = \frac{1}{p} {e_{n} + \frac{1}{T_{l}} Σ_{i = 0}^{n} e_{i} ΔT + \frac{T_{D}}{ΔT + \frac{T_{D}}{K_{D}}} (e_{n} - e_{n - 1}) + \frac{\frac{T_{D}}{K_{D}}}{ΔT + \frac{T_{D}}{K_{D}}} m_{n - 1}}

在步骤③的在温度控制中，为避免引起功率控制回路的振荡，实现手动与自动的无干扰切换，采用增量式PID，且微分先行，即微分算法不受设定值影响，仅对测量值的偏差信号进行微分算法。算式如下：

{Δm}_{n} = m_{n} - m_{n - 1} = \frac{1}{p} {\frac{ΔT}{T_{l}} e_{n} + (e_{n} - e_{n - 1}) + \frac{T_{D}}{ΔT} ({\overset{&OverBar;}{e}}_{n} - 2 {\overset{&OverBar;}{e}}_{n - 1} + {\overset{&OverBar;}{e}}_{n - 2})}

式中，m_n为第n次输出值；e_n为第n次偏差信号；P为比例度；ΔT为采样周期；T_l为积分时间常数；T_D为微分时间常数；K_D为微分增益。

在大偏差的情况下，采用预测型Fuzzy自整定PID参数控制器7。算式如下：

m_{n} = K_{P} e_{n} + K_{l} Σ_{i = 0}^{n} e_{i} + K_{D} {\overset{&OverBar;}{e}}_{n}

在常规PID控制的基础上，应用Fuzzy集合理论，建立参数K_P、K_l、K_D。同偏差绝对值|E|和偏差变化绝对值|EC|间的二元连续函数关系以及基于经验法则的模糊规则，并且根据不同的|E|和|EC|在线自整定K_P、K_l、K_D。整定模型如图4所示。

当|E|较大时，取较大的K_P和较小的K_D，且K_l为0；当|E|较小时，取较大的K_P和K_l，较小的K_D。通过将K_P、K_l、K_D、|E|和|EC|模糊化，确定Fuzzy子集的隶属度，设计出PID参数整定表。由表中查出相应的修正系数，采用临界比例度法确定基值，从而整定PID参数。

在本实施例中，由于晶体直径变化是通过红外测温仪对晶体生长时的光环信号进行间接测量，经过对该光环信号放大，之后计算机再进行采样，所以该光环信号极易受到外界干扰，为此引入前馈控制的速度反馈，对该光环信号进行动态补偿，有效地抑制了外界干扰。

在温度控制中，引入非线性控制，保证在预先规定的误差范围内，通过对晶体拉升速度的测量，将晶体拉升速度与生长过程的拉速设定曲线进行比较，对晶体的生长温度进行调节控制，使晶体提拉速度按工艺设定曲线进行变化，减少了由于PID调节产生的滞后。

见图2，在本实施例中，当晶体直径变化时，控制器7会自动调节晶体拉升速度，使晶体直径保持不变。

1、在直径控制时，控制器7的输入参数说明：

①直径信号D_l是通过测量晶体生长过程中的固液交界面的光环信号的变化，从而间接测量晶体的直径变化。当晶体直径变大或变小时，直径信号D_l也变大或变小。

②直径设定SV：当晶体等径生长时，在控制器7投入自动时，取该时刻的直径信号作为直径设定值。

③控速输出OP：为一双极性输出参数，其数值正负变化，量纲为mm/min，与实际晶体拉升速度计量单位一致。

当晶体直径变大时，直径信号D_l变大，然后控速输出OP变大，然后晶体拉升速度SL变大，最后晶体直径变小。

当晶体直径变小时，直径信号D_l变小，然后控速输出OP变小，然后晶体拉升速度SL变小，最后晶体直径变大。

不论直径信号如何变化，控制器7都能保证晶体直径的变化在一定的范围内，这就是控制器7的作用和目的。

2、在直径控制时，控制器7的内部参数：

①比例增益P_n：(P_n＝0～1.99)。P_n越大表明比例作用越强，P_n越小表明比例作用越小。当P_n＝0时，比例作用无效。

②积分常数I_n：(I_n＝0～199)。I_n越大，表明积分作用越小，I_n越小，表明积分作用越大。当I_n＞199时，积分作用无效。

③微分增益D_n：(D_n＝0～9.9)。D_n越大，表明微分作用越强，D_n越小，表明微分作用越弱。

④控制周期t(t＝0.1～99.9秒)。控制周期即控制器7每隔一个控制周期时间，对控速输出值进行一次调整。

⑤控径参数Md(Md＝0.00～3.00)。根据晶体直径变化对晶体拉升速度进行控制，E1的值选择在E1＝1.0。

⑥微分斜率Dk(Dk＝00～99)。一般E2的取值在50～80之间即可。

⑦控制器7参数的选择。在本实施例中P_n＝1.0，I_n＝30，D_n＝0.8。Md＝1.20，Dk＝80。

见图3，温校控制的作用是在晶体生长过程中，控制加热温度，使晶体拉升速度按拉速设定曲线SL ramp的设置而变化。当晶体拉升速度偏离设定值时，改变控温输出OP值的大小，使晶体直径发生变化，这时，控制器7控制晶体拉升的速度，使晶体拉升速度SL接近拉速设定值SP。

在温校控制时，控制器7的参数说明：

1、输入/输出参数

输入/输出参数包括：晶体拉升速度SL，控温输出OP，温校速率t_r，设定拉速SP(即拉速设定曲线SL ramp)。

①晶体拉升速度SL(0～9.99mm/min)。该参数的显示值同晶体拉升速度单机的显示一样，参数量纲为mm/min。

②控温输出OP(0～4095)。该参数为一输出数字参数，其输出数值0～4095，对应输出电压为0～12my左右(可调)。

③温校速率t_r，(-99.9～99.9μV/MIN)。温校速率是指每分钟控温输出OP的变化量，当t_r＜0为降温状态，t_r＞0为升温状态，t_r＝0为恒温状态。

④设定拉速SP(SL ramp)。在控制器7投入自动时，将该时刻的晶体拉升速度SL作为设定拉速SP。同时设定拉速按拉速设定曲线SL ramp的参数设置而随晶体长度的变化而变化。

2、在温校控制时，控制器7的内部参数：

①比例增益P_n(P_n＝0～5.00)。P_n越大，比例作用越强，P。越小，比例作用越弱。

②积分常数I_n(I_n＝0～500)。I_n越大，积分作用越强，I_n越小，积分作用越弱。

③控制周期：t(t＝0.1～99.9秒)。控制周期表明每隔时间t，对温校速率进行一次调整。

④控制器7内部参数的选择。在一般情况下，先设P_n＝1.0，I_n＝20，t＝20.0。

关于PID控制的原理和特点：

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例P控制的控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

在积分I控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，“比例+积分”的PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

在微分D控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后delay组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有“比例+微分”的PD控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。PID控制器的参数整定是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法，三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

Claims

1.一种晶体等径生长的控制系统，具有

晶体生长炉；

还具有一个控制器(7)；所述控制器(7)分别接收来自所述晶体直径检测部分、所述晶体拉升速度控制部分以及所述埚温控制部分各自的检测信号，所述控制器(7)应用Fuzzy控制与PID控制结合的算法计算出晶体拉升调速信号反馈给所述晶体拉升速度控制部分对晶体拉省速度进行调整，以及计算出加热功率调节信号反馈给所述埚温控制部分对熔体的温度进行调整；

其特征在于：所述埚温控制部分包括埚温检测电路(3)、加热电压电流检测电路(4)及加热功率调节电路(6)；所述埚温检测电路(3)的埚温检测信号的输出端与所述控制器(7)的埚温检测信号输入端电连接；所述加热电压电流检测电路(4)的加热电压电流检测信号输出端与所述控制器(7)的加热电压电流检测信号输入端电连接；所述控制器(7)的加热功率调节输出端与所述加热功率调节电路(6)的加热功率调节输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种晶体等径生长的控制系统，其特征在于：所述晶体拉升速度控制部分包括晶体拉升测速电路(2)及晶体拉升调速电路(5)；所述晶体拉升测速电路(2)的晶体拉升测速信号输出端与所述控制器(7)的晶体拉升测速信号输入端电连接；所述控制器(7)的晶体拉升调速信号输出端与所述晶体拉升调速电路(5)的晶体拉升调速信号输入端电连接。

3.根据权利要求1所述的一种晶体等径生长的控制系统，其特征在于：所述晶体直径检测部分包括一个晶体直径检测电路(1)，所述晶体直径检测电路(1)的晶体直径检测信号输出端与控制器(7)的晶体直径检测信号输入端电连接。

4.根据权利要求1所述的一种晶体等径生长的控制系统，其特征在于：控制器(7)为可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器具有通过总线连接的模拟信号输入单元(71)、CPU(72)、模拟信号输出单元(71)、I/O接口。

5.一种用于权利要求1至4之一所述的晶体等径生长的控制系统的控制方法，具有以下步骤：

①测量检测晶体直径，采集晶体生长过程中的晶体直径变化信号；同时测量检测晶体拉升速度，采集实时拉升速度信号；测量检测坩埚中熔体的温度，采集熔体温度信号；以及测量检测加热器加热电压电流大小的加热电压电流信号；将所述晶体直径变化信号、所述实时拉升速度信号、所述熔体温度信号及所述加热电压电流信号传送到控制器(7)上；

②所述控制器(7)采用位置式PID对接收的所述晶体直径变化信号和所述实时拉升速度信号进行处理，获得拉升速度控制信号；同时所述控制器(7)采用增量式PID对接收的熔体温度信号和加热电压电流信号进行处理，获得加热功率调节信号；

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤②中，控制器(7)在通过晶体拉升调速电路(5)对晶体的直径生长进行控制时，所采用的运算式为：SL＝SP+F(ΔD)

F (ΔT) = F [Test - Ti + Σ_{i = 0}^{n} Tr * Δt] + Fest

为温校补偿式，Δt为时间段长；

其中：

Tr = Σ_{i = 0}^{n} Trest * ΔL + F (ΔV)

式中，Tr为温校斜率，Trset为为温校斜率预定值，ΔL为晶体拉升段长，F(ΔV)为温校控制PID输出，ΔV为晶体拉升实速与给定速度偏差值。

7.根据权利要求5所述的一种晶体等径生长的控制系统工作时所采用的方法，其特征在于：步骤②中，控制器(7)在通过晶体拉升调速电路(5)对直径生长进行控制的过程中，采用有限制微分，对偏差信号经过中值滤波；该过程的算式如下：

m_{n} = \frac{1}{p} {e_{n} + \frac{1}{T_{I}} Σ_{i = 0}^{n} e_{i} ΔT + \frac{T_{D}}{ΔT + \frac{T_{D}}{K_{D}}} (e_{n} - e_{n - 1}) + \frac{\frac{T_{D}}{K_{D}}}{ΔT + \frac{T_{D}}{K_{D}}} m_{n - 1}} .

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤②的温度控制中，在增量式PID进行处理过程中，同时微分先行，即微分算法不受设定值影响，仅对测量值的偏差信号进行微分算法；该过程的算式如下：

{Δm}_{n} = m_{n} - m_{n - 1} = \frac{1}{p} {\frac{ΔT}{T_{I}} e_{n} + (e_{n} - e_{n - 1}) + \frac{T_{D}}{ΔT} ({\bar{e}}_{n} - 2 {\bar{e}}_{n - 1} + {\bar{e}}_{n - 2})}

在上式中，m_n为第n次输出值，e_n为第n次偏差信号，P为比例度，ΔT为采样周期，T_I为积分时间常数，T_D为微分时间常数，K_D为微分增益；在大偏差的情况下，控制器(7)采用Fuzzy自整定PID参数控制的处理方式；该过程的算式如下：

m_{n} = K_{P} e_{n} + K_{I} Σ_{i = 0}^{n} e_{i} + K_{D} {\bar{e}}_{n}

式中，K_P、K_I、K_D为Fuzzy集合理论的参数；|E|为偏差绝对值，|EC|为偏差变化绝对值，根据不同的|E|和|EC|在线自整定K_P、K_I、K_D；当|E|较大时，取较大的K_P和较小的K_D，且K_I为0；当|E|较小时，取较大的K_P和K_I，较小的K_D；通过将K_P、K_I、K_D、|E|和|EC|模糊化，确定Fuzzy子集的隶属度，设计出P1D参数整定表，由表中查出相应的修正系数，采用临界比例度法确定基值，从而整定PID参数。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：用户根据采样数据向所述控制器输入设置晶体生长控制过程的工艺曲线，及设置控制器(7)的控制数据、工作状态、输入状态和输出状态；在工控机(8)运行监控组态软件时，用户输出、输入对晶体生长过程进行画面监视和控制；根据工艺要求，用户可以对工艺曲线进一步设定与控制参数整定。