CN101748477B - 用于单晶硅生长过程控制的智能pid控制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

鉴于常规PID控制器难以对单晶硅的生长过程进行有效的控制，特提供一种适用于各种直拉式单晶硅生长设备的智能PID控制方法及其控制系统。该方法中，首先对单晶硅晶体的生长过程进行监控，采集单晶硅的直径与预定直径的偏差；根据单晶硅直径与预定直径的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的直径偏差计算对拉速进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对拉速进行控制；根据拉速与预定拉速的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的拉速偏差计算对温度进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对温度进行控制。

Description

用于单晶硅生长过程控制的智能PID控制方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种用于对单晶硅的生长过程进行控制的智能PID(Proportional Integral Derivative，比例积分微分)控制方法，同时也涉及用于实施该方法、对单晶硅的生长过程进行智能控制的控制系统，属于工业自动控制技术领域。

背景技术

单晶硅是电子信息产业中最基础的材料之一。按晶体生长方法的不同，分为直拉法(CZ)、区熔法(FZ)和外延法。直拉法、区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。单晶硅的制法通常是先制得多晶硅或无定形硅，然后用直拉法或悬浮区熔法从熔体中生长出棒状单晶硅。棒状单晶硅是生产单晶硅片的基础原材料。随着市场上对单晶硅片需求量的快速增加，单晶硅棒的市场需求也呈快速增长的趋势。

硅单晶炉是利用直拉法将多晶硅原料提炼成单晶硅的生长设备。在硅单晶炉中生长棒状单晶硅晶体的过程分为装料、加热熔料、降温调整引晶温度、引晶、放肩、转肩、等径、收尾等步骤。

1.装料

首先将石英埚装入坩埚上，然后将多晶硅料装入石英埚。装料完成后合炉，然后开始抽真空，在达到真空要求后，充入氩气，在微负压的情况下，打开加热器开始加热。

2.加热熔料

加热熔料是根据熔料的工艺要求逐步升高温度，达到熔料的温度，将固态多晶硅原料溶化成液态。

3.降温调整引晶温度

当多晶硅原料溶化完成后，还不能马上开始引晶，因为这时的温度要高于引晶温度，还必须经过降温，将温度调整到引晶的温度。

4.引晶

引晶是将事先装到钢丝绳末端的籽晶(也就是加工成一定形状的单晶)与液面接触，在引晶温度下，硅分子将沿着籽晶的晶格方向生长，从而形成单晶。

5.放肩

引晶的过程中将逐步拉出直径在2～3毫米左右、长度在150毫米左右的一段晶体，以便消除晶体位错。放肩是将晶体直径逐步生长到生产所要求的直径。

6.转肩

当晶体在放肩过程中生长到生产要求的直径后，进入转肩过程。转肩是提高晶体拉速，将晶体直径控制在生产所要求的直径。

7.等径

当转肩完成后进入等径控制步骤，它是决定单晶硅晶体生长质量的关键环节之一。在该步骤中，通过对拉速和温度的自动控制，让晶体将按照设定的直径等径生长。

8.收尾

晶体在完成等径生长后将进入收尾过程，收尾的过程也是为了消除位错。

9.其他

收尾完成后晶体生长基本完成，让晶体继续保留在硅单晶炉中一定的时间，从而完成晶体的退火。

在实际的生产过程中，上述的1至6步骤大多由手动完成，而7和8步骤采用手工操作难以保证质量，因此通常会采用专门开发的计算机控制系统自动完成有关的操作。采用计算机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(例如，参见专利文献1～7)。

[专利文献1]PCT/US00/04168

[专利文献2]JP2005-162558

[专利文献3]JP2005-035823

[专利文献4]JP2004-035353

[专利文献5]JP2001-261485

[专利文献6]JP2000-191394

[专利文献7]JP09-221386

单晶硅的生长过程控制作为具有非线性、时变、大纯滞后特性的控制对象，虽然许多控制理论和技术日趋成熟，但应用常规PID控制器难以实现有效的控制，而采用自适应PID等方法，计算时间长，调试费用大，实时应用仍比较困难。为此，在中国出版的《测控技术》第20卷第3期35～36页上，介绍了Fuzzy-PID复合控制在单晶硅等径生长中的应用。该论文中，在大偏差范围内采用Fuzzy控制，在小偏差范围内采用PID控制，从而实现对晶体等径的控制。但是，上述的Fuzzy-PID复合控制方法中，采用预测型Fuzzy自整定PID参数控制器。此处的模糊规则是基于经验法则确定的，这显然会带来较大的经验误差，很难进一步提高单晶硅生长的质量。

发明内容

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种用于单晶硅生长过程控制的智能PID控制方法。该控制方法首先根据模糊控制理论对拉速和温度的偏差分别进行设定，设定后的偏差再作为智能PID控制的偏差，最后经智能PID控制输出。

另外，本发明还提供一种用于实施该智能PID控制方法的控制系统。利用该控制系统可以有效实施上述的智能PID控制方法。

本发明所提供的用于单晶硅生长过程控制的智能PID控制系统，包括工业控制计算机、至少两个伺服控制器、晶升电机/埚升电机、晶转电机/埚转电机、直径传感器、信号调理单元、温度控制器，其中，所述工业控制计算机分别连接第一伺服控制器和第二伺服控制器，所述第一伺服控制器连接所述晶升电机/埚升电机，同时，该晶升电机/埚升电机直接与该工业控制计算机相连接；所述第二伺服控制器连接所述晶转电机/埚转电机，所述晶转电机/埚转电机直接与该工业控制计算机相连接；所述直径传感器通过所述信号调理单元与所述工业控制计算机相连接，所述温度控制器也与所述工业控制计算机相连接。

在单晶硅的生长过程控制中，拉速控制和温度控制是保证晶体按照设定直径等径生长的关键所在。因此，上述智能PID控制系统利用直径传感器实时监测单晶硅晶体的直径数据，然后根据在工业控制计算机的存储器中存储的基于本智能PID控制方法编制的控制软件对输入信号进行处理，输出包括晶升电机和埚升电机的速度控制信号，温度控制器的温度校正信号等在内的输出信号等，从而确保单晶硅晶体的生长质量。

其中，作为优选的实施例，该智能PID控制系统中还具有晶/埚升速度给定单元。该单元与所述第一伺服控制器相连接。

采用单独设置的晶/埚升速度给定单元是因为在引晶、放肩、收尾过程中，还需要实时手动调整晶/埚升速度。在等径控制下对晶/埚升速度的调节是在手动给定的基础上叠加或叠减的。

作为优选的实施例，该智能PID控制系统中还具有温度报警开关，该温度报警开关连接所述工业控制计算机。

通过该温度报警开关，可以避免采用本智能PID控制系统进行控制的硅单晶炉出现温度过高的危险。

作为优选的实施例，该智能PID控制系统中还具有晶升电机/埚升电机限位单元，该晶升电机/埚升电机限位单元连接所述工业控制计算机。

通过该晶升电机/埚升电机限位单元，可以有效避免负责提升单晶硅晶体的晶升电机/埚升电机超出必要的提升高度，减少出现残次品的可能性。

作为优选的实施例，该智能PID控制系统中还具有计长编码器和埚位编码器，该计长编码器和埚位编码器分别连接所述工业控制计算机。

计长编码器和埚位编码器是使本智能PID控制系统实现精细化控制的关键功能部件之一。

本发明中的工业控制计算机采用触摸屏作为输入设备，控制系统的一切操作比如参数设置、设定值的调整、温度校正值的调整等都通过触摸屏来完成。使用者可以直接根据触摸屏上显示的有关信息，方便地切换拉速的自动、手动状态，分别修改设定直径的大小、拉速输出的大小、晶转的大小、埚转的大小；可以方便地切换温度校正的自动、手动状态，分别修改设定拉速的大小、温度校正的大小、温度校正输出的大小、埚升速度的大小等。

本发明所提供的单晶硅生长过程控制的智能PID控制方法，该方法基于上述的智能PID控制系统实施，其特征在于包括如下步骤：

对单晶硅晶体的生长过程进行监控，采集单晶硅的直径与预定直径的偏差；

根据单晶硅直径与预定直径的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的直径偏差计算对拉速进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对所述拉速进行控制；

根据拉速与预定拉速的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的拉速偏差计算对温度进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对所述温度进行控制。

单晶硅生长控制的基本原理是在拉速控制和温度控制的共同作用下达到晶体直径不变。拉速控制的输入信号为直径偏差，温度控制的为拉速偏差。由于直径是二者共同控制的结果，因此根据模糊控制理论对拉速和温度的偏差进行分别进行设定，设定后的偏差经PID调节控制后输出。

作为优选的实施方式，本智能PID控制方法中，所说的基于模糊控制理论进行分类是指根据偏差的大小将拉速偏差和直径偏差分别分成：上限、正大、正中、正小、零、负小、负中、负大、下限状态，然后又在每个状态中根据偏差变化率的大小分成：变化率变大、变化率不变、变化率减小，从而确定用来控制计算的偏差大小。

作为优选的实施方式，本智能PID控制方法中计算积分分量时，如果积分系数I满足0＜I＜I_max，则首先计算偏差的累计值ee1。对于偏差的累计值ee1，如果当其大于设定积分系数I时，积分分量增加1，当其小于负的积分系数I时，积分分量减小1。

作为优选的实施方式，本智能PID控制方法的微分控制环节中，首先，增加一个微分控制分量dks，执行如下的算法：

ds＝D*(eltmp-olde1)；

dks＝DKS*dkvalue/100；

dkvalue＝ds+dks。

其中，ds为常规PID控制中的微分分量，D为微分系数，eltmp为该次送入的偏差，olde1为上次送入的偏差，DKS为新增的微分控制分量的系数，dkvalue为中间变量，它是常规PID控制中微分分量和新增的微分控制分量的和。

微分控制分量的系数DKS的取值范围优选为75～85之间。

作为优选的实施方式，本智能PID控制方法中，首先计算直径偏差，然后看直径偏差是否在预定的最小值和最大值之间，如果是的话，直接根据ps＝P*E1的公式进行比例分量的计算；如果不是的话，在直径偏差大于预定的最大值时，该直径偏差直接取最大值；在直径偏差小于预定的最小值时，该直径偏差直接取最小值。

作为优选的实施方式，本智能PID控制方法中，按照u1＝ps+ds+dks+is的公式得到用于拉速控制的输出量u1，其中ps为比例分量，ds为微分分量，is为积分分量，dks为增加的微分量。

其中，如果该输出量u1大于预定的最大量，则输出量u1直接取最大量的值，如果输出量u1小于预定的最小量，则输出量u1直接取最小量的值。

作为优选的实施方式，基于本智能PID控制方法进行温度调节时，首先采集晶体的拉速信号，检查拉速偏差与预定的最小值和最大值之间的关系，如果拉速偏差大于预定的最大值，该拉速偏差直接取最大值；如果拉速偏差小于预定的最小值时，该拉速偏差直接取最小值。

基于本智能PID控制方法进行温度调节时，首先计算比例分量pt和微分量dt，然后按照输出量u2＝u2+pt/K1+dt/K2的公式计算出输出量u2，其中K1和K2是校正常量。

其中，如果该输出量u2大于预定的最大量，则输出量u2直接取最大量的值，如果输出量u2小于预定的最小量，则输出量u2直接取最小量的值。

利用上述的智能PID控制方法，当检测到晶体直径发生变化时，首先对晶体的拉速进行调节，同时温度控制器检测到晶体拉速发生变化，也对温度进行调节。例如当检测晶体直径变大时，直径控制器会增加晶体的拉速，晶体拉速变大后，温度控制器又会增加温度输出，升高温度。通过拉速和温度的同时作用使晶体直径保持不变。

本发明所提供的智能PID控制方法可适用于各种直拉式单晶硅生长设备。利用该智能PID控制系统，能够动态跟踪直径偏差、晶升偏差、温度校正速率、晶升的速度、晶转的速度、埚升的速度、埚转的速度，并且能动态检测不同部位的报警状态，因此是一种性能先进，运行可靠的新一代晶体生长控制设备。

附图说明

图1为本智能PID控制系统的内部组成概图。

图2为本智能PID控制方法中实施模糊控制的流程图。

图3为本智能PID控制方法中的积分环节的流程图。

图4为本智能PID控制方法中的微分环节的流程图。

具体实施方式

以下，将结合附图详细描述本发明。为了方便起见，首先描述用于实施本发明所述智能PID控制方法的控制系统。

图1是本发明所提供的智能PID控制系统的内部组成概图。参见图1所示，该智能PID控制系统以一台具有触摸屏、存储器和中央处理器的工业控制计算机为中心，还包括至少两个伺服控制器、晶升电机/埚升电机、晶转电机/埚转电机、直径传感器、温度报警开关、温度控制器、计长编码器、埚位编码器等组件。其中，该工业控制计算机通过两个PCI2306数模口分别连接第一伺服控制器和第二伺服控制器。该第一伺服控制器连接晶升电机/埚升电机。同时，该晶升电机/埚升电机通过PCI2306模数口与该工业控制计算机相连接。第二伺服控制器连接晶转电机/埚转电机，该晶转电机/埚转电机也通过PCI2306模数口与该工业控制计算机相连接。晶/埚升速度给定单元与该第一伺服控制器相连接，通过该伺服控制器控制晶升电机/埚升电机的升降速度。直径传感器连接信号调理单元，该信号调理单元也通过PCI2306模数口与工业控制计算机相连接。同样的，温度报警开关和晶升电机/埚升电机限位单元通过PCI2306开关口与工业控制计算机相连接；计长编码器和埚位编码器通过PCI2306计数口与工业控制计算机相连接；温度控制器通过PCI2306数模口与工业控制计算机相连接。另外，该温度控制器也与硅单晶炉中的加热器相连接。

由于本PID智能控制系统为等径控制系统，在引晶、放肩、收尾过程中，还需要实时手动调整晶/埚升速度。在等径控制下对晶/埚升速度的调节是在手动给定的基础上叠加或叠减的，因此上述的晶/埚升速度给定单元是需要独立设置的。

本发明中所使用的工业控制计算机可以是中国华北工控公司出品的一款产品型号为RWS_856A_IR的工业控制计算机。该计算机是一款全新设计的工业级平板液晶计算机，整机配置15寸高亮度LCD液晶显示屏，采用华北工控出品的低功耗NORCO-5730ALE主板；内置超薄硬盘，具有2个网络接口、2个USB2.0接口、4个串口、1个并口、PS/2键盘/鼠标接口；具有1个VGA接口，LCD和VGA可实现独立显示功能；可扩展2个PCI卡及1个CF卡，电阻式触摸屏；LCD显示屏亮度、对比度可调节，并具有待机节能模式，使消耗能量最低。

另外，上面所提到的PCI2306数模口、开关口等数据接口都是由PCI2306卡(中国北京阿尔泰科技发展有限公司出品)所提供的。该卡是一款具有集A/D、D/A、计数功能为一身的多功能卡，具有即插即用(PnP)功能，适用于具有PCI总线插槽的PC系列微机。

由于RWS_856A_IR工业控制计算机具有两个PCI总线插槽，它可以扩展插接两块符合PCI总线协议的板卡，因此将上述的PCI2306卡插接在RWS_856A_IR工业控制计算机的PCI总线插槽上，通过两者的级联就可以构成实施本发明所需的硬件系统。

需要说明的是，用于实施本发明的工业控制计算机和PCI扩展板卡并不限于使用上面列举的具体型号。事实上，具有相同或相似功能的产品在市面上还有很多，例如研华公司的PPC-174T、威达佳公司的AFL-19A-CX以及中泰公司的PCI-8322、PCI-8333、PCI-8253B、PCI-8360A等。这些相同或相似的硬件产品经过适当的改造后都可完成与以上相同或类似的控制功能。

在本发明所提供的智能PID控制系统中，优选采用触摸屏作为输入设备，控制系统的一切操作比如参数设置、设定值的调整、温度校正值的调整等都通过触摸屏来完成。触摸屏与显示器相结合，可以实时显示晶体的长度、坩埚的位置、当前的运行状态以及系统时间等信息。使用者可以直接根据触摸屏上显示的有关信息，方便地切换拉速的自动、手动状态，分别修改设定直径的大小、拉速输出的大小、晶转的大小、埚转的大小；可以方便地切换温度校正的自动、手动状态，分别修改设定拉速的大小、温度校正的大小、温度校正输出的大小、埚升速度的大小等。

直径传感器可以是CCD测径仪等现有设备。通过该直径传感器对晶体的直径进行直接或间接测量，获得晶体的直径变化情况，可以使本智能PID控制系统根据直径数据的变化对晶体的拉速进行控制，实现晶体的等径生长。

在实施单晶硅生长过程控制时，通过外部的直径传感器等功能元件向本智能PID控制系统输入信号。这些输入信号传送给控制系统中的工业控制计算机。在工业控制计算机的存储器中存储了基于本发明所提供的智能PID控制方法(对于该方法的具体内容，在后文中有详细的说明)编制的控制软件，该控制软件对输入信号进行处理，输出包括晶升电机和埚升电机的速度控制信号，温度控制器的温度校正信号等在内的输出信号。具体的信号处理过程将在下文中进行详细的说明。

首先具体说明输入该智能PID控制系统的各个输入信号。这些输入信号包括直径信号、拉速信号、计长信号、埚位信号、埚升信号、晶转电机信号、埚转电机信号、温度报警开关信号和电机上下限报警信号等。

其中，直径信号和拉速信号都是模拟信号，这些信号首先由传感器采集送出，然后送入PCI2306卡的模数转换口转换成数字信号，转换后的数字信号经过控制软件内置的控制算法运算后得出数字控制量信号，然后将这些数字控制量信号送入PCI2306卡的数模转换口，转换成速度控制模拟信号和温度校正模拟信号，然后分别送入第一伺服控制器、第二伺服控制器和温度控制器，最后送到相应的晶升电机/埚升电机(晶转电机/埚转电机)和加热器中，使之执行机构所要求的动作。

计长信号和埚位信号都是脉冲信号。它们由晶体提升电机的光栅产生，经调理后送出电机，然后送入PCI2306卡的脉冲计数口，由控制软件的相应功能模块完成对晶体长度的计算并在显示器上显示。

晶转信号和埚转信号都是模拟信号。它们由晶转电机/埚转电机的测速电机产生。这些信号首先由测速电机送出，然后送入PCI2306卡的模数转化口转换成数字信号，再经过控制软件相应的功能模块转换成电机速度参数，并显示到工业控制计算机的显示器屏幕上。

温度报警开关信号、电机上下限报警开关信号都是开关信号，它们分别由温度报警开关和晶升电机/埚升电机限位单元产生，被送入PCI2306卡的开关量采集口，转化成数字信号，然后由控制软件的相应功能模块判断是否为报警状态。

本智能PID控制系统的输出信号主要包括晶升电机和埚升电机的速度控制信号，温度控制器的温度校正信号等。其中，通过由PCI2306的模数口采集的直径信号与设定直径的偏差，在经过控制软件内置的控制算法调节后，由PCI2306的数模口转换成模拟信号送出到第一伺服控制器，从而实现对晶升电机运转速度的控制。埚升电机的速度调节是根据晶升电机的速度变化，按照一定的比例将有关信号送给第一伺服控制器，从而通过该第一伺服控制器输出的模拟信号实现的。

温度的控制过程是这样的：根据由PCI2306模数口采集的拉速信号(该拉速信号根据晶升电机的速度换算得到)与设定的拉速信号的偏差，经过控制软件内置的控制算法调节后，由PCI2306的模数口转换成模拟信号，送出到温度控制器。温度控制器根据该信号调节加热器的功率，从而实现对温度的控制。

本发明的核心在于在单晶硅晶体的生长过程中，通过对拉速和温度的控制实现对晶体的等径控制。在这个控制过程中，由于单晶硅的生长过程是一种具有非线性、时变、大纯滞后特性的控制对象，而常规的PID控制算法仅能控制基本线性的系统和定常系统，但不能有效地控制非线性、时变、耦合、时滞，干扰大和不确定因素多的复杂过程。因此，本发明人专门提出了一种新型的智能PID控制方法，将该智能PID控制方法用于对单晶硅拉速和温度的控制中，可以获得生长质量令人满意的单晶硅晶体。

单晶硅晶体生长控制的基本原理是在拉速控制和温度控制的共同作用下达到晶体直径不变。直径的偏差作为拉速控制的输入信号，拉速的偏差作为温度控制的输入信号。因此，直径控制最根本的因素是对成晶面温度的控制，而成晶面的温度受诸多因素的影响，比如现场环境温度、冷却水温、水冷管道的设计、冷却水的流量、抽气系统的设计、充气的压力等等。在这种情况下，整个单晶硅晶体生长控制系统构成一个非线性、时变高耦合和分布参数系统，很难建立准确的数学模型。而传统的控制算法，例如前馈-反馈系统、带Smith预估控制器的控制系统等，都要求有精确的对象数学模型，因此我们很难采用以上的传统控制算法。众所周知，传统PID控制的动态性能差，但其积分功能能消除静态误差，使系统稳态性能变好；模糊控制的动态性能较好，但由于量化等级限制，使稳态性能不能达到满意的效果。因此，将模糊控制和智能PID控制结合起来就有可能获得静态性能和动态性能都很好的控制特性。基于上述的分析思路，本发明根据模糊控制理论对拉速和温度的偏差分别进行设定，设定后的偏差再作为智能PID算法所控制的偏差，经智能PID调节控制后输出。

具体而言，本发明首先借助人们对恒值控制的经验知识，对被调节量Y(t)的调节过程大致如下：当被调整量Y(t)远大于设定值Yr(t)时，则大大减少控制量U(t)的；当被调整量Y(t)远小于设定值Yr(t)时，则大大增加控制量U(t)；当被调整量Y(t)和设定值Yr(t)正负偏差不太大时，根据被调整量Y(t)的变化趋势来确定控制量U(t)的大小；若Y(t)＜Yr(t)，被调整量变化平稳时，增加控制量；若Y(t)＜Yr(t)，被调整量有增加偏差的不利趋势时，则较大增加控制量。若Y(t)＜Yr(t)，被调整量的变化有减小偏差的有利趋势时，则综合考虑偏差大小和偏差变化率情况确定是稍增加、保持或减小控制量；若Y(t)＞Yr(t)，被调整量变化又增加偏差的不利趋势时，则较多减少控制量；若Y(t)＞Yr(t)，被调整量变化平稳时，则减少控制量；若Y(t)＞Yr(t)，被调整量有减少偏差的有利趋势时，则综合考虑偏差大小及偏差变化趋势来确定是减少、保持或稍增加控制量。由上述可知，人们对恒值控制调节的经验主要依据偏差和偏差的变化率的大小进行。因此针对目前被控系统的特性，我们可以采用模糊控制理论的方法对该系统进行控制。具体而言，根据偏差的大小将拉速偏差和直径偏差分别分成：上限、正大、正中、正小、零、负小、负中、负大、下限状态，然后又在每个状态中根据偏差变化率的大小分成：变化率变大、变化率不变、变化率减小，从而确定用来控制计算的偏差大小。具体的对应关系如下：

上述的K1～k18、上限、下限参数等都是在实际单晶生长过程中，根据调试和经验分析得出的常量。

图2所示为本发明所提供的智能PID控制方法中实施模糊控制的流程图。其中，用min代表下限，N1代表负小到负中的范围常量，N2代表负中到负大的范围常量，N3代表正小到正中的范围常量，N4代表正中到正大的范围常量，max代表上限，ΔE1代表E1的变化率。

如该图所示，在E1＝0的情况下，直接使用该直径偏差E1的值进行下一步的处理；否则的话，在min＜E1≤N2的范围内，ΔE1＞0进行E1＝E1/k16的处理，ΔE1＝0进行E1＝E1/k18的处理，ΔE1＜0进行E1＝E1/k17的处理。在N2＜E1≤N1的范围内，ΔE1＞0进行E1＝E1/k13的处理，ΔE1＝0进行E1＝E1/k15的处理，ΔE1＜0进行E1＝E1/k14的处理。在N1＜E1＜0的范围内，ΔE1＞0进行E1＝E1/k10的处理，ΔE1＝0进行E1＝E1/k12的处理，ΔE1＜0进行E1＝E1/k11的处理。在0＜E1≤N3的范围内，ΔE1＞0进行E1＝E1/k7的处理，ΔE1＝0进行E1＝E1/k9的处理，ΔE1＜0进行E1＝E1/k8的处理。在N3＜E1≤N4的范围内，ΔE1＞0进行E1＝E1/k4的处理，ΔE1＝0进行E1＝E1/k6的处理，ΔE1＜0进行E1＝E1/k5的处理。在N4＜E1＜max的范围内，ΔE1＞0进行E1＝E1/k1的处理，ΔE1＝0进行E1＝E1/k3的处理，ΔE1＜0进行E1＝E1/k2的处理。

在应用模糊控制理论对偏差进行分类之后，需要进一步解决前馈控制的问题。

所谓的前馈控制是这样的：当模糊控制模块对直径和拉速的偏差进行修正以后，在智能PID的控制中将包含对前馈分量的控制，具体体现在当晶体直径有变大或变小的趋势时，模糊控制模块会通过判断适当增大或减小偏差值。当这个偏差经过智能PID运算输出后，前馈分量也同时送出。

PID控制方法是根据系统存在的误差，分别利用比例、积分、微分环节计算出控制量，从而实施相应的控制。下面，分别对积分和微分环节展开具体的说明。

在积分环节中，积分分量是根据直径偏差累积和拉速偏差累积分别计算拉速积分分量和温度积分分量，具体算法是这样的：首先按照图3所示的步骤计算偏差的累计值ee1。当偏差的累计值大于设定积分系数I时，积分分量增加1，当偏差的累计值小于负的积分系数I时，积分分量减小1。

下面接着介绍本智能PID控制方法中的微分环节。由于单晶硅晶体生长过程是一个缓慢的过程，当偏差变化率为零时微分分量将立刻为零，但这时晶体还没有达到控制要求。这一细节问题往往是现有技术没有考虑到的。针对这一问题，本方法中专门增加了微分控制环节，它是微分量的一种体现形式，会随着微分量的变化而逐步变化。变化的大小可根据参数设置。通过该微分控制环节，可以对单晶硅的生长过程进行了更加细化的控制。

微分控制环节的具体内容是这样的：首先，增加一个微分控制分量dks，执行如下的算法：

ds＝D*(eltmp-olde1)；

dks＝DKS*dkvalue/100；

dkvalue＝ds+dks。

其中，ds为常规PID控制中的微分分量，D为微分系数，eltmp为该次送入的偏差，olde1为上次送入的偏差，DKS为新增微分分量的系数，dkvalue为中间变量，它是常规PID控制中微分分量和新增微分分量的和。新增微分分量的系数DKS的取值范围优选在75～85之间，一般可以取80左右，这样该次微分的量将保持上一次微分量的80％，从而延缓微分量的变化速度。本发明中的微分控制环节是在传统微分控制的基础上依据被控对象的特性增加了新的微分环节，由于被控对象是一个大惯性的系统，当偏差变化率为零时微分分量将立刻为零，但这是被控对象还没有达到控制要求，为了达到控制的目的，就需要延缓微分量的变化速度，从而消除被控对象惯性的影响。

下面，具体结合拉速控制和温度控制的实际特点，对该智能PID控制方法的实际应用进行必要的说明。

拉速控制是根据设定直径和检测直径的差值，对晶体的拉速进行控制，使晶体直径保持设定直径不变。当直径传感器获得的晶体检测直径大于设定直径时，晶升电机会调节拉速使拉速增加，反之，会降低拉速。具体的实施步骤如下：首先，让直径传感器按预定的采样时间进行采样，实时获取当前的晶体直径信号。采集到直径信号之后，进行滤波处理，然后计算输出分量。当单晶硅晶体的控速周期到了之后，计算直径偏差E1，然后看直径偏差E1是否在预定的最小值(min)和最大值(max)之间，如果是的话，直接进行比例分量的计算(ps＝P*E1)；如果不是的话，在直径偏差E1大于预定的最大值时，该直径偏差E1直接取最大值；在直径偏差E1小于预定的最小值时，该直径偏差E1直接取最小值；参照前述对图2的说明，进行基于模糊控制理论的处理。在E1被处理之后，进一步进行图3所示的积分环节处理。具体而言，如果积分系数I满足0＜I＜I_max(I_max是积分系数的最大值)，则按照ee1＝(ee1+E1)/n的公式计算偏差的累计值ee1。对于偏差的累计值ee1，如果当其大于设定积分系数I时，积分分量增加1，当其小于负的积分系数I时，积分分量减小1。此处的积分系数I的值是根据实际控制过程中摸索出的经验值。这一步骤处理完毕之后，进入微分环节的处理。

具体而言，进一步进行图4所示的微分环节处理。首先，根据ds＝D*(eltmp-olde1)，dks＝DKS*dkvalue/100，dkvalue＝ds+dk的公式，得到微分分量。新增微分分量的系数DKS一般为80左右，这样该次微分的量将保持上一次微分量的80％，从而延缓微分量的变化速度。该步骤处理完毕之后，按照u1＝ps+ds+dks+is的公式得到用于拉速控制的输出量u1，其中ps为比例分量，ds为微分分量，is为积分分量，dks为增加的微分量。得到输出量u1之后，如果该输出量u1大于预定的最大量(max)，则输出量u1直接取最大量(max)的值，如果输出量u1小于预定的最小量(min)，则输出量u1直接取最小量(min)的值。在经过上述步骤之后，就最终得到用于拉速控制的输出量u1。

在本发明中，可以采用红外测温仪来实时测量单晶硅晶体的温度。而温度控制器根据设定拉速和检测拉速之间的偏差对温度进行控制，最终的目的也是保证晶体检测直径与设定直径一致。当检测到晶体直径发生变化时，首先对晶体的拉速进行调节，同时温度控制器检测到晶体拉速发生变化，也对温度进行调节。例如当检测晶体直径变大时，直径控制器会增加晶体的拉速，晶体拉速变大后，温度控制器又会增加温度输出，升高温度。通过拉速和温度的同时作用使晶体直径保持不变。反之，降拉速，降温。

具体的实施步骤如下：首先，在采样周期到来时，采集晶体的拉速信号，然后进行滤波处理。检查拉速偏差E2与预定的最小值(min)和最大值(max)之间的关系，如果拉速偏差E2大于预定的最大值，该拉速偏差E2直接取最大值；如果拉速偏差E2小于预定的最小值时，该拉速偏差E2直接取最小值；如果是中间状态，则对偏差通过模糊控制进行修正。然后，参照前述对图2的说明，进行基于模糊控制理论的处理。具体而言，在E2＝0的情况下，直接使用该直径偏差E2的值进行下一步的处理；否则的话，在min＜E2≤TN2的范围内，ΔE2＞0进行E2＝E2/k16的处理，ΔE2＝0进行E2＝E2/k18的处理，ΔE2＜0进行E2＝E2/k17的处理。在TN2＜E2≤TN1的范围内，ΔE2＞0进行E2＝E2/k13的处理，ΔE2＝0进行E2＝E2/k15的处理，ΔE2＜0进行E2＝E1/k14的处理。在TN1＜E2＜0的范围内，ΔE2＞0进行E2＝E2/k10的处理，ΔE2＝0进行E2＝E2/k12的处理，ΔE2＜0进行E2＝E2/k11的处理。在0＜E2≤TN3的范围内，ΔE2＞0进行E2＝E2/k7的处理，ΔE2＝0进行E2＝E2/k9的处理，ΔE2＜0进行E2＝E2/k8的处理。在TN3＜E2≤TN4的范围内，ΔE2＞0进行E2＝E2/k4的处理，ΔE2＝0进行E2＝E2/k6的处理，ΔE2＜0进行E2＝E2/k5的处理。在TN4＜E2＜max的范围内，ΔE2＞0进行E2＝E2/k1的处理，ΔE2＝0进行E2＝E2/k3的处理，ΔE2＜0进行E2＝E2/k2的处理。此处的min代表下限，TN1代表负小到负中的范围常量，TN2代表负中到负大的范围常量，TN3代表正小到正中的范围常量，TN4代表正中到正大的范围常量，max代表上限，ΔE2代表E2的变化率。上述步骤处理完毕之后，得到比例分量pt＝P*E2，微分量dt＝D*(E2-olde2)，然后按照输出量u2＝u2+pt/K1+dt/K2的公式计算出输出量u2，其中K1和K2是校正常量。得到输出量u2之后，如果该输出量u2大于预定的最大量(max)，则输出量u2直接取最大量(max)的值，如果输出量u2小于预定的最小量(min)，则输出量u2直接取最小量(min)的值。在经过上述步骤之后，就最终得到用于温度控制的输出量u2。

以上对根据本发明所提供的智能PID控制方法，实施拉速控制和温度控制的具体过程进行了详细的说明。这两方面的控制过程处理是保证晶体按照设定直径等径生长的关键所在。

本发明提供的用于单晶硅生长过程控制的智能PID控制方法及其系统可适用于各种直拉式单晶硅生长设备。该控制系统是一种性能先进，运行可靠的新一代晶体生长控制器，能够动态跟踪直径偏差、晶升偏差、温度校正速率、晶升的速度、晶转的速度、埚升的速度、埚转的速度，并且能动态检测不同部位的报警状态，因此在单晶硅产业中具有良好的应用前景。

Claims (11)

1.一种用于单晶硅生长过程控制的智能PID控制方法，其特征在于包括如下步骤：

对单晶硅晶体的生长过程进行监控，采集单晶硅的直径与预定直径的偏差；

根据单晶硅直径与预定直径的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的直径偏差计算对拉速进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对所述拉速进行控制；

根据拉速与预定拉速的偏差，基于模糊控制理论进行分类，根据分类后的拉速偏差计算对温度进行控制所需的积分分量和微分控制分量，对所述温度进行控制。

2.如权利要求1所述的智能PID控制方法，其特征在于：

所述基于模糊控制理论进行分类是指根据偏差的大小将偏差分别分成：上限、正大、正中、正小、零、负小、负中、负大、下限状态，然后又在每个状态中根据偏差变化率的大小分成：变化率变大、变化率不变、变化率减小。

3.如权利要求1所述的智能PID控制方法，其特征在于：

计算积分分量时，如果积分系数I满是0<I<I_max，则首先计算偏差的累计值eel；对于偏差的累计值eel，如果当其大于设定积分系数I时，积分分量增加1，当其小于负的积分系数I时，积分分量减小l。

4.如权利要求1所述的智能PID控制方法，其特征在于：

在微分控制环节中，首先增加一个微分控制分量dks，执行如下的算法：

ds=D*(eltmp-oldel)；

dks=DKS*dkvalue／l00；

dkvalue=ds+dks：

其中，ds为微分分量，D为微分系数，eltmp为该次送入的偏差，oldel为上次送入的偏差，DKS为新增的微分控制分量的系数，dkvalue为中间变量，它是微分分量和新增的微分控制分量之和。

5.如权利要求4所述的智能PID控制方法，其特征在于：

所述微分控制分量的系数DKS的取值范围优选为75～85之间。

6.如权利要求1所述的智能PID控制方法，其特征在于：

进行拉速调节时，首先计算直径偏差，然后看直径偏差是否在预定的最小值和最大值之间，如果是的话，直接根据进行比例分量的计算；如果不是的话，在直径偏差大于预定的最大值时，所述直径偏差直接取最大值；在直径偏差小于预定的最小值时，所述直径偏差直接取最小值。

7.如权利要求6所述的智能PID控制方法，其特征在于：

按照ul=ps+ds+dks+is的公式得到用于拉速控制的输出量ul，其中ps为比例分量，ds为微分分量，is为积分分量，dks为增加的微分量。

8.如权利要求7所述的智能PID控制方法，其特征在于：

如果所述输出量ul大于预定的最大量，则输出量ul直接取最大量的值，如果输出量ul小于预定的最小量，则输出量ul直接取最小量的值。

9.如权利要求1所述的智能PID控制方法，其特征在于：

进行温度调节时，首先采集晶体的拉速信号，检查拉速偏差与预定的最小值和最大值之间的关系，如果拉速偏差大于预定的最大值，所述拉速偏差直接取最大值；如果拉速偏差小于预定的最小值时，所述拉速偏差直接取最小值。

10.如权利要求9所述的智能PID控制方法，其特征在于：

进行温度调节时，首先计算比例分量pt和微分量dt，然后按照输出量u2=u2+pt/Kl+dt/K2的公式计算出输出量u2，其中Kl和K2是校正常量。

11.如权利要求10所述的智能PID控制方法，其特征在于：

如果所述输出量u2大于预定的最大量，则输出量u2直接取最大量的值，如果输出量u2小于预定的最小量，则输出量u2直接取最小量的值。

Images