CN103543742A

CN103543742A - Lpcvd设备的温控时滞系统自校正方法与装置

Info

Publication number: CN103543742A
Application number: CN201310503909.4A
Authority: CN
Inventors: 王峰; 王健; 孙少东
Original assignee: Beijing Sevenstar Electronics Co Ltd
Current assignee: North China Science And Technology Group Ltd By Share Ltd; Beijing Naura Microelectronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: CN103543742B

Abstract

本发明公开了一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，包括：对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型；建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项的自校正调节项模型，并确定已建立的权重系数取值范围；建立监督控制项，用于加强LPCVD设备的温控时滞系统的稳定性。同时，本发明也公开了一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正装置，包括：控制模型模块，用于建立LPCVD设备各个温控区的包含时滞误差的PID控制模型；权重PID控制模型模块，用于建立包含处理大时滞环节权重系数的比例，积分，微分控制项模型，并确定已建立的权值系数取值范围；监督模块，用于加强LPCVD设备的温控时滞系统的稳定性。通过此种设计，提高了PID控制模型参数设置的准确性。

Description

LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法与装置

技术领域

本发明涉及温度自动化控制领域，特别涉及一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法与装置。

背景技术

根据LPCVD工艺的要求，LPCVD设备中需要设计温度控制系统，通常使用的控制方法是PID控制，控制器的参数设计是十分重要的。

由于LPCVD设备自身的实际特点，加热炉体共有5个温区，且5个温区之间相互有热干扰特性，那么5个温区控制器参数的调整考虑因素就不仅仅是自身的温区情况，还要考虑其他热干扰因素，同时设备自身具有的时滞效应使控制效应滞后，结果不尽如人意。目前的解决方法大是凭经验人为手动操作调整或离线计算调整。

手动调整的缺点是需要人员实时守候，并且系统受人为因素影响大，容易受到人为误差因素的影响，而且实时性较差。离线调整的缺点为设计时的调整环境为理想状态下的环境，而实际工作中会有各种未知的及不可量化或模型化的因素无法加入系统的环境设定中，所以离线计算调整后的效果不尽如人意，达不到预期的效果，费时费力，甚至会引起控制系统的振荡不稳定。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于解决LPCVD设备中温度时滞控制系统的设计问题，尤其是传统PID系统中各参数的设定不准确，不能在线调整的问题。

（二）技术方案

本发明采用如下技术方案：

一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，包含以下步骤：

1）对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型；

2）建立包含处理大时滞环节权重系数的比例，积分，微分控制项的自校正调节项和前馈模型，并确定已建立的权重系数取值范围；

3）建立监督控制项，用于加强LPCVD设备的温控时滞系统的稳定性。

优选的，所述步骤1）的PID控制模型的构建方式为使用增量式方式模型，该模型为

Δu_i(t-τ)=(K_ip(t)+ΔK_ip(t))(e_i(t)-e_i(t-1))+(K_ii(t)+ΔK_ii(t))e_i(t)+(K_id(t)+ΔK_id(t))(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))

式中，i为温区的序号；t为时刻；e_i(t)，e_i(t-1)和e_i(t-2)分别为第t，第t-1和第t-2时刻所得的误差信号；Δu_i(t)为控制器增量；K_ip为比例系数，K_ii为积分系数，K_id为微分系数。

优选的，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的比例调整规则控制模型，

其中ΔK_ip(t)为比例自校正调整项，α_i11、α_i12为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

优选的，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的积分调整规则控制模型，

其中ΔK_ii(t)为积分自校正调整项，α_i21、α_i22为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

优选的，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的微分调整规则控制模型，

其中ΔK_id(t)为积分自校正调整项，α_i31、α_i32为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

优选的，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的取值范围为0-1。

优选的，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的权重值分别为α_i11=0.4，α_i12=0.2，α_i21=0.02，α_i22=0.01，α_i31=0.1和α_i32=0.05。R_i11，R_i12，R_i21，R_i22，R_i31和R_i32各前馈值分别为R_i11=4，R_i12=2，R_i21=1.8，R_i22=1.1，R_i31=0.3和R_i32=0.1。

优选的，所述步骤3）监督项的建立方法为，设定误差阈值，当误差超过阈值时，启动安全保护项，将系统控制在系统温度允许范围内。

优选的，监督项的控制模型为

u_{s} = (t) \{\begin{matrix} \hat{u (t)} & | e (t) | > e_{\max} \\ 0 & | e (t) | < e_{\max} \end{matrix}

其中u_s（t）为监督控制，

(t)为监督控制数值，e_max为设定的允许误差阈值。

一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正装置，包括以下模块：

1）控制模型模块，用于对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型；

2）权重PID控制模型模块，用于建立处理大时滞环节包含权重系数的比例，积分，微分控制项和前馈模型，并确定已建立的权值系数取值范围；

3）监督模块，用于加强LPCVD设备的温控时滞系统的稳定性。

（三）有益效果

本发明通过采用对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID模型；建立处理大时滞环节包含权重系数的比例，积分，微分控制项和前馈模型，并确定已建立的权值系数取值范围；建立监督项以加强系统的稳定性的手段，达到了PID控制中各个系数参数的设定，满足了在LPCVD设备中的实时自动化控制，可在线调整参数的问题。

附图说明

图1所示的是本发明的一种LPCVD设备的温控系统自校正方法流程图；

图2所示的是本发明的一种LPCVD设备的温控系统自校正装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1是本发明的一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法流程图，如图2所示的是本发明的一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正装置的示意图，在本实施例中，使用图2所示的装置和如图1所示的方法进而完成一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法和设备的实施，以下实施例以此方案为例。

控制温度调节装置的具体工作，使所述反应腔室的温度达到LPCVD工艺的生产要求。其中，所述温度调节装置包括：PLC可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），SCR可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier，简称SCR)；所述温度传感器包括：热偶传感器。

实施例

本方法针对LPCVD设备温度控制自身独特的特性，对于PID结构的控制器，在PID控制器参数上添加一项参数调整项，由自身和附近相关温区的误差项和调整权重系数构成，并给定控制技术指标，调整项随时间变化可以在线调整修改，使控制系统最终能够自动的达到给定的技术指标。同时为了防止控制系统的误差超过系统允许的警戒值时加入监督控制防止控制系统振荡不稳定。

定义t时刻误差为

e(t)=rin(t)-yout(t)t=1,2,…(1)

式中rin(t)为给定参考信号，yout(t)为实际控制系统输出值，t为采样时刻。

考虑经典的增量式PID控制方法，其控制器结构如式(2)所示：

uΔ_iu(it(+t1-)τ=)u=_i(Kt)_ip+(e_iΔ(uti)(t--e_iτ(t)-1))+K_iie_i(t)+K_id(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))(2)

式中，i指第i个温区，e_i(t)，e_i(t-1)和e_i(t-2)分别为第t，第t-1和第t-2时刻所得的误差信号；u_i(t)为第t时刻计算出的控制器的输出值；Δu_i(t)为控制器增量；K_ip为比例系数，K_ii为积分系数，K_id为微分系数。

接下来的任务就是调整K_ip，K_ii和K_id三个参数。加入三个参数的调整项，将式(2)修改为

u_i(t+1)=u_i(t)+Δu_i(t-τ)

Δu_i(t-τ)=(K_ip(t)+ΔK_ip(t))(e_i(t)-e_i(t-1))+(K_ii(t)+ΔK_ii(t))e_i(t)(3)

+(K_id(t)+ΔK_id(t))(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))

式(3)中的ΔK_p(t)，ΔK_i(t)和ΔK_d(t)为三个参数的自校正调整项和前馈。

自校正调整项和前馈的具体表示形式为

式中，ΔK_ip(t)为比例自校正调整项，ΔK_ii(t)为微分自校正调整项，ΔK_id(t)为积分自校正调整项，参数α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32分别代表调整项的权重系数，ε为达到性能指标的误差值。权重系数取

值范围为0～1之间，参数α_i11=0.4，α_i12=0.2，α_i21=0.02，α_i22=0.005，α_i31=0.1和α_i32=0.05。ε=0.1。各前馈值分别为R_i11=4，R_i12=2，R_i21=1.8，R_i22=1.1，R_i31=0.3和R_i32=0.1。

除此之外，为了防止控制系统振荡不稳定，可以增加监督控制项u_s，当误差超过控制系统允许的警戒范围的时候可以强行拉回到控制系统允许的范围内。

u(t)=u_c(t)-u_s(t)

式中，u_c为经过参数调整后计算出的控制器数值，u_s为监督控制，其表达形式为

式中

(t)为监督控制数值，e_max为误差允许的警戒范围最大值，当误差超过允许的警戒范围最大值时，监督控制起作用，使控制系统从接近不稳定的状态回到稳定的状态和监督模块。

LPCVD设备的温控系统自校正装置，如图2所示，包括控制模型模块、权重PID控制模型模块。

控制模型模块，用于对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型。

权重PID控制模型模块，用于建立包含处理大时滞环节权重系数的比例，积分，微分控制项的自校正调节项和前馈模型，并确定已建立的权重系数取值范围。

监督模块，用于加强系统的稳定性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims

1.一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型；

2.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，其特征在于，所述步骤1）的PID控制模型的构建方式为使用增量式方式模型，该模型为

3.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，其特征在于，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的比例调整规则控制模型，

其中ΔK_ip(t)为比例自校正调整项，α_i11、α_i12为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，R_i11和R_i12为等效抵消时滞环节的比例前馈，ε为达到性能指标的误差值。

4.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，其特征在于，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的积分调整规则控制模型，

其中ΔK_ii(t)为积分自校正调整项，α_i21、α_i22为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，R_i21和R_i22为等效抵消时滞环节的积分前馈，ε为达到性能指标的误差值。

5.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控系统自校正方法，其特征在于，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的微分调整规则控制模型，

其中ΔK_id(t)为积分自校正调整项，α_i31、α_i32为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，R_i31和R_i32为等效抵消时滞环节的微分前馈，ε为达到5性能指标的误差值。

6.根据权利要求3-5任一项所述的一种LPCVD设备的温控系统自校正方法，其特征在于，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的取值范围为0-1。

7.根据权利要求6所述的一种LPCVD设备的温控系统自校正方法，其特征在于，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的权重值分别为α_i11=0.4，α_i12=0.2，α_i21=0.02，α_i22=0.01，α_i31=0.1和α_i32=0.05。R_i11，R_i12，R_i21，R_i22，R_i31和R_i32各前馈值分别为R_i11=4，R_i12=2，R_i21=1.8，R_i22=1.1，R_i31=0.3和R_i32=0.1。

8.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，其特征在于，所述步骤3）监督项的建立方法为，设定误差阈值，当误差超过阈值时，启动安全保护项，将系统控制在系统温度允许范围内。

9.根据权利要求8所述的一种LPCVD设备的温控时滞系统自校正方法，其特征在于，监督项的控制模型为

u_{s} = (t) \{\begin{matrix} \hat{u (t)} & | e (t) | > e_{\max} \\ 0 & | e (t) | < e_{\max} \end{matrix}

其中u_s（t）为监督控制，

(t)为监督控制数值，e_max为设定的允许误差阈值。

10.一种LPCVD设备的温控系统自校正装置，其特征在于，该装置包括以下模块：

2）权重PID控制模型模块，用于建立包含处理大时滞环节权重系数的比例，积分，微分控制项的自校正调节项和前馈模型，并确定已建立的权重系数取值范围；

3）监督模块，用于加强LPCVD设备的温控时滞系统的稳定性。