CN117331386A - 基于双模型的温度控制器 - Google Patents
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Abstract
用于具有处理室的热反应器的温度控制系统和方法，该控制系统包括第一控制回路和第二控制回路，第一控制回路包括第一基于模型的预测控制器(MBPC),第二控制回路包括第二MBPC，其中第一和第二MBPC设置有表示热反应器行为的预测模型。
Description
技术领域
总的来说，本文公开的发明涉及具有用于控制设备例如用于半导体衬底处理的热反应器的嵌套控制回路的基于级联模型的控制系统。
背景技术
在半导体处理中，晶片尺寸持续增大，集成电路特征尺寸持续减小。晶片尺寸的进一步增大和特征尺寸的进一步减小要求热处理控制的改进。处理晶片的温度对扩散、沉积和其他热处理有一级影响。批量炉继续在热处理中扮演重要的角色，因为它们的批量尺寸大且每个处理晶片的成本相应较低。批量热处理的目标是实现改进的温度控制，同时保持高的设备利用率和大的晶片批量尺寸。高质量温度控制的要求包括在斜坡期间具有良好温度均匀性的高斜坡率、具有很少或没有温度超调的快速温度稳定、较小的稳态温度误差带、用于控制器参数调整的较短停机时间等。
传统的单回路比例积分微分(PID)控制器不能达到所需的温度控制性能。此外，具有级联或嵌套控制回路的PID控制器已被用于尝试提供改进的温度控制。然而，这些和其他方法具有与复杂性和计算要求相关的实际缺点，导致半导体制造过程的次优温度控制。
因此，需要提供改进的温度控制的系统和方法，导致半导体制造过程的整体改进。
发明内容
这里描述的方法和系统通过提供计算高效的双级联MBPC控制系统解决了这些和其他问题，该系统可以在典型的控制微处理器上实现。
本公开的一方面涉及一种用于具有处理室的热反应器的温度控制系统，该控制系统包括：
-第一控制回路，包括第一基于模型的预测控制器(MBPC),使用钉(spike)温度传感器信号作为第一MBPC的输入，第一MBPC提供控制给热反应器的加热元件的功率的输出信号，钉温度传感器位于加热元件附近并与处理室间隔开，
其中，第一MBPC设置有代表热反应器的行为的第一预测模型，第一MBPC配置为使用第一预测模型基于预测时间水平内的计算来计算输出值，所述输出值控制功率输出信号；以及
-包括第二MBPC的第二控制回路，使用桨(paddle)温度传感器信号和钉温度传感器信号作为第二MBPC的输入，第二MBPC提供钉温度控制设定点作为输出，该设定点用作第一控制回路中的第一MBPC的输入，桨温度传感器与加热元件间隔开并位于处理室内或其附近，钉温度传感器位于加热元件附近并与处理室间隔开，
其中，第二MBPC设置有代表热反应器的行为的第二预测模型，第二MBPC配置为使用第二预测模型基于预测时间水平内的计算来计算输出值。
在一实施例中，在此公开的温度控制系统规定第一和/或第二MBPC设置有表征热反应器的热响应的一个或多个通用线性动态模型。特别地，为第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型。更具体地，为第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型，但第一和第二MBPC模型的稳态增益因子不同。
在一实施例中，本文公开了一种温度控制系统，其中模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
在一实施例中，本文公开的温度控制系统规定第一和/或第二MBPC包括轨迹规划器，当接近恒定温度控制设定点时，该轨迹规划器自动降低指定斜坡率。
本公开的另一方面涉及一种控制系统，包括：
-第一控制回路，其包括第一基于模型的预测控制器(MBPC),用于利用输出信号控制设备，该输出信号控制给所述设备的处理室中的加热元件的功率，所述第一MBPC配置成从位于加热元件附近并与处理室间隔开的至少一个钉温度传感器接收传感器数据，并且所述输出信号至少部分地基于在预测时间水平内所述第一MBPC中的计算；以及
-包括第二MBPC的第二控制回路，所述第二MBPC配置为向所述第一MBPC提供控制设定点，所述控制设定点至少部分地基于在预测时间水平内所述第二MBPC中的计算，所述第二MBPC进一步配置为从以下接收传感器数据：
(1)至少一个桨温度传感器，其位于处理室内部或附近并与加热元件间隔开；以及
(2)至少一个钉温度传感器，其位于加热元件附近并与处理室间隔开。
在一实施例中，如本文所公开的控制系统规定，第一和/或第二MBPC设置有表征热反应器的热响应的一个或多个通用线性动态模型。特别地，为第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型。更具体地，为第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型，但第一和第二MBPC模型的稳态增益因子不同。
在一实施例中，本文公开了一种控制系统，其中模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
本公开的另一方面涉及一种用于控制具有处理室的设备的方法，包括：
-从第一控制回路向所述设备提供控制输入，所述第一控制回路包括第一MBPC，其配置为从位于加热元件附近并与处理室间隔开的至少一个钉温度传感器接收传感器数据，并且所述控制输入至少部分地基于在预测时间水平内所述第一MBPC中的计算；以及
-向所述第一控制回路提供控制设定点，所述控制设定点由第二控制回路计算，该第二控制回路包括第二MBPC，其配置为从以下接收传感器数据：
(1)至少一个桨温度传感器，其位于处理室内部或附近并与加热元件间隔开；以及，
(2)至少一个钉温度传感器，其位于加热元件附近并与处理室间隔开；
所述第二MBPC进一步配置为接收所述设备的控制过程序列，并且所述第二MBPC配置为至少部分地基于在预测时间水平内所述第二MBPC中的计算来计算所述控制设定点。
在一实施例中，在此公开的方法规定，第一和/或第二MBPC设置有表征热反应器的热响应的一个或多个通用线性动态模型。特别地，在第一和第二MBPC中采用相同的通用线性动态模型。更具体地，在第一和第二MBPC中采用相同的通用线性动态模型，但用于第一和第二MBPC模型的稳态增益因子不同。
在一实施例中，本文公开了一种方法，其中模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
附图说明
附图的以下描述涉及本公开的具体实施例，这些实施例本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本教导、它们的应用或用途。
图1a和1b示出了具有双级联MBPC控制配置的立式热反应器。
图2示出了MBPC控制回路的总体结构。
图3示出了双级联MBPC控制配置中使用的第二MBPC控制器结构。
图4示出了双级联MBPC控制配置中使用的第一MBPC控制器结构。
在所有附图中，相应的附图标记表示以下部件和特征。
具体实施方式
在以下详细描述中，将通过本公开的不同方面来描述本公开的基础技术。将容易理解的是，如在此总体描述的和在附图中示出的，本公开的各方面可以多种不同的配置来布置、替换、组合和设计，所有这些都是明确预期的并且构成本公开的一部分。该描述旨在帮助读者更容易地理解技术概念，但并不意味着限制本公开的范围，本公开的范围仅由权利要求限定。
在整个说明书中提到“一个实施例”或“一实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，在本说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都指同一实施例。
如本文所用，术语“包括”与“包含”或“含有”同义，并且是包含性的或开放式的，不排除附加的、未列举的构件、元件或方法步骤。术语“包括”在提到所述的构件、元件或方法步骤时也包含“由”所述的构件、元件或方法步骤“构成”的实施例。单数形式“一”、“一个”和“该”包括单数和复数指代物，除非上下文另有明确规定。
如本文所用，相对术语比如“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”等用于描述目的，而不一定用于描述永久的相对位置。应当理解，这些术语在适当情况下是可互换的，并且这里描述的实施例能够在除了这里示出或描述的那些方向之外的其他方向上操作，除非上下文清楚地另外指出。
这里描述为彼此“相邻”的对象反映了所描述对象之间的功能关系，也就是说，该术语表示所描述对象必须以执行指定功能的方式相邻，该指定功能可以是直接(即物理的)或间接(即靠近或接近)接触，这对于使用该短语的上下文是适当的。
这里描述为“连接”或“联接”的对象反映了所描述对象之间的功能关系，也就是说，该术语表示所描述对象必须以执行指定功能的方式连接，该指定功能可以是以电或非电(即物理)方式的直接或间接连接，这对于使用该术语的上下文是适当的。
如本文所用，术语“基本”是指动作、特征、性质、状态、结构、项目或结果的完全或接近完全的范围或程度。例如,“基本”封闭的物体意味着该物体完全封闭或接近完全封闭。在某些情况下，偏离绝对完整性的确切允许程度可能取决于具体的上下文。然而，一般来说，接近完成将具有相同的总体结果，就好像获得了绝对和完全的完成。当以否定含义使用时，使用“基本”同样适用于指完全或接近完全没有动作、特征、性质、状态、结构、项目或结果。
如本文所用，术语“约”用于给数值或范围端点提供灵活性，根据具体情况，给定值可以“稍高于”或“稍低于”所述值或端点。除非另有说明，根据具体数值或数值范围使用的术语“约”也应理解为支持没有术语“约”的这种数值术语或范围。例如,“约30”的表述应被解释为不仅支持略高于和略低于30的值，而且支持30的实际数值。
通过端点叙述的数值范围包括包含在相应范围内的所有数字和分数，以及叙述的端点。此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，而不一定用于描述连续或时间顺序，除非特别说明。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且这里描述的本公开的实施例能够以不同于这里描述或示出的其他顺序操作。
在本说明书中，可以提及提供“改善的”性能(例如增加或减少的结果，取决于上下文)的设备、结构、系统或方法。应当理解，除非另有说明，否则这种“改进”是基于与现有技术中的设备、结构、系统或方法的比较而获得的益处的量度。此外，应当理解，改进的性能的程度可以在所公开的实施例之间变化，并且在改进的性能的数量、程度或实现方面的相等性或一致性不应被假定为普遍适用的。
此外，本公开的实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，出于讨论的目的，这些部件或模块可被图示和描述为好像大部分部件仅在硬件中实现。然而，本领域技术人员基于对此详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，本发明的基于电子的方面可在可由一个或多个处理单元(例如微处理器和/或专用集成电路)执行的软件(例如存储在非暂时性计算机可读媒体上的指令)中实施。因此，应当注意，可以利用多个基于硬件和软件的设备以及多个不同的结构组件来实现本公开的技术。例如，说明书中描述的“服务器”和“计算设备”可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口以及连接部件的各种连接。
下文给出了本公开的技术的各个方面的概述，之后将更详细地描述具体实施例。该概述旨在帮助读者更快地理解技术概念，但并不意味着确定其最重要或最基本的特征，也不意味着限制本公开的范围，本公开的范围仅由权利要求来限定。当描述具体实施例时，参考附图，提供这些附图仅仅是为了帮助理解所描述的实施例。
本文描述的方法和系统提供了计算高效的双级联MBPC(基于模型的预测控制器)控制系统，其可以在典型的控制微处理器上实现。
在一实施例中，在此公开的双级联MBPC控制系统是具有嵌套控制回路的级联型系统，其具有在内部控制回路中的第一MBPC控制器和在外部控制回路中的第二MBPC控制器。在特定实施例中，第二MBPC控制器充当主或外部控制回路，而第一MBPC控制器用作从或内部控制回路。
在一实施例中，双级联MBPC可以用于控制热处理反应器，其中第二MBPC控制器根据计划的桨控制设定点轨迹和与桨和钉TC相关的预测模型产生期望的钉控制设定点。在热处理反应器中，第一MBPC控制器用于控制加热器的功率致动器，以通过用作本地系统快速跟随钉控制设定点的变化来达到所需的钉控制设定点。
第一MBPC控制回路的调谐参数与第二MBPC控制回路的联接相对较弱。第一MBPC控制回路中的采样时间ts1优选地比第二MBPC控制回路中的采样时间ts2短。在一实施例中，ts1约为1秒，而ts2约为4秒。
与其他现有的温度控制系统相比，本文公开的控制方案中的模型阶数和预测时间水平可以显著减少，而模型仍充分地描述和预测实际系统的行为。
因此，本公开的一方面涉及一种用于具有处理室的热反应器的温度控制系统，该控制系统包括：
-第一控制回路，其包括第一MBPC,使用钉温度传感器信号作为第一MBPC的输入，第一MBPC提供控制给热反应器的加热元件的功率的输出信号，钉温度传感器位于加热元件附近并与处理室间隔开，
其中，第一MBPC设置有代表热反应器的行为的第一预测模型，第一MBPC配置为使用第一预测模型基于预测时间水平内的计算来计算输出值，所述输出值控制功率输出信号；以及
-包括第二MBPC的第二控制回路，使用桨温度传感器信号和可选的钉温度传感器信号作为第二MBPC的输入，第二MBPC提供钉温度控制设定点作为输出，该设定点用作第一控制回路中的第一MBPC的输入，桨温度传感器与加热元件间隔开并位于处理室内或其附近，可选的钉温度传感器位于加热元件附近并与处理室间隔开，
其中，第二MBPC设置有代表热反应器的行为的第二预测模型，第二MBPC配置为使用第二预测模型基于预测时间水平内的计算来计算输出值。
随着现代控制技术和系统识别的进步，已经开发了更先进的控制系统，例如基于模型的预测控制器(MBPC)，但是这些更先进的控制方法通常计算复杂，通常在在线处理期间需要矩阵求逆。然而，这里公开的双级联MBPC控制系统允许高效和快速的处理。
第二MBPC接收桨控制设定点Pdset、实际桨温度Pd和可选的实际钉温度Sp作为输入，并计算钉控制设定点Spset作为输出。第二MBPC使用表示热反应器行为的预测模型，通过最小化目标函数来计算预测控制信号，以提供在线优化控制。第一MBPC接收来自第二MBPC的钉控制设定点Spset和实际钉温度Sp作为输入，并计算输出信号Pw作为输出功率，该信号被提供给功率致动器，其提供功率以控制热反应器的加热元件。第一MBPC使用表示热反应器行为的预测模型，通过最小化目标函数来计算预测控制信号，以提供在线优化控制。由于模型被简化，第一和第二MBPC将需要相对较少量的计算资源，即使当考虑约束时。
“控制器”可以联接到处理系统的各种部件，用于控制其操作。控制器通常包括中央处理单元(CPU)、存储器和CPU的支持电路。控制器可以直接控制处理系统，或者通过与特定处理室和/或支撑系统部件相关的计算机(或控制器)来控制处理系统。控制器可以是任何形式的通用计算机处理器中的一种，其可以在工业设置中用于控制各种室和子处理器。CPU的存储器或计算机可读介质可以是一个或多个容易获得的存储器，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘、闪存或任何其他形式的本地或远程数字存储器。支持电路联接到CPU，用于以传统方式支持处理器。这些电路包括高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路和子系统等。在此描述的发明方法可以作为软件例程存储在存储器中，该软件例程可被执行或调用以在此描述的方式控制处理系统的操作。软件例程也可以由第二CPU(未示出)存储和/或执行，该第二CPU远离由CPU控制的硬件。
图1a示出了本文公开的具有双级联MBPC控制配置700的立式热反应器系统。立式热反应器包括界定处理区域的处理室110。该处理室可以配置用于ALD、CVD等，并且优选为长石英或碳化硅处理室。容纳在晶片舟150中的批量晶片152被插入到处理室110中，晶片舟150放置在基座151上用于支撑和热隔离。处理室110包括用于处理气体的入口111和出口。处理室被加热元件120包围，加热元件120具有多区加热线圈(区1、区2、区3、区4和区5)，优选为电加热线圈。每个区都有一个或多个温度传感器。在图1a中，每个区具有钉热电偶(TC)130和“轮廓”或桨热电偶(TC)140。钉TC产生对应于钉温度的钉TC信号。桨TC产生对应于桨温度的桨TC信号。钉TC130位于处理室110外部，相对靠近加热元件，桨TC位于室110内部，相对靠近晶片。使用电阻加热元件120来控制温度的立式反应器系统是固有的非线性系统，因为加热元件只能产生热量，而不能吸收热量。此外，由于加热元件120、处理室110和批量晶片152的大物理质量，以及相应的高热质量或热容量，立式热反应器表现出长的时间常数或延迟时间。这意味着在增加区1至5中的一个或多个加热线圈的功率输入之后，在达到更高温度下的新稳态之前需要相对长的时间。当反应器温度高于控制设定点时，冷却以取决于反应器设计及其温度而非控制器的速率发生。在过冲的情况下，在系统再次冷却到控制设定点之前需要相对长的时间，尤其是在自然冷却速率较低的较低温度下。由于反应器的滞后响应时间，本文公开的改进的双级联MBPC控制系统允许更有效和安全地控制反应器温度。
图1a所示的立式热反应器由双级联控制系统控制。桨控制设定点Pdset、实际桨温度Pd和实际钉温度Sp被提供给第二MBPC控制器720，其产生钉控制设定点Spset。第一MBPC控制器740使用钉桨误差信号和实际钉温度Sp来产生功率输出信号，其被提供给功率致动器750以提供功率来控制加热元件120。
除了在第一和第二MBPC之间存在加法器730之外，图1b中所示的立式热反应器系统的配置与图1a中的配置相同，加法器730使用钉控制设定点Spset和实际钉温度Sp计算钉TC误差信号，并通过反相器732提供给加法器730。加法器730通过从钉控制设定点Spset中减去实际钉温度Sp来计算钉误差信号Es。然后提供钉误差信号Es作为第一MBPC的输入，而不是钉控制设定点Spset。加法器730被添加到图1b的配置中，作为检测热电偶中测量硬件故障的故障保险。
典型的热处理开始于待机温度，在该温度下晶片被装载到热反应器中。装载后，热反应器加热到氧化、退火、驱动或CVD所需的处理温度。在执行该处理之后，热反应器再次冷却到待机温度，并卸载晶片。如果待机温度、升温/降温速率和处理温度被设置在合理的范围内，则通过使用公知的控制器可以在处理过程中实现可接受的温度控制性能。然而，为了优化处理的性能，特别是当热处理变得更加复杂和/或需要改进控制器参数的调谐时，公知的系统需要大量的离线计算时间，而这些时间不能用于有用的晶片处理，使得处理效率更低，从而更加昂贵。本文公开的温度控制系统使得控制更加稳定、快速和有效，而不需要反应器停工。这里公开的改进的双级联MBPC控制系统通过使用简化的通用线性动态模型来快速和可靠地计算施加到热反应器的温度而提供对热反应器的实时控制。
顾名思义，MBPC是基于代表热反应器行为的预测模型。在一实施例中，在此公开的温度控制系统规定，第一和/或第二MBPC设置有表征热反应器的热响应的一个或多个通用线性动态模型。特别地，为第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型。更具体地，为第一和第二MBPC提供了相同的通用线性动态模型，但第一和第二MBPC模型的稳态增益因子不同。
在一实施例中，根据方程(1a)至方程(3a)的通用线性动态模型用于第二MBPC控制回路。在第二MBPC中使用的通用线性动态模型的模型方程是：
其中，Pd(t)是桨温度输出；
Sp(t)是钉温度输入；
k为稳态增益：
τ为时间常数：
其中，ρ为密度；
cp是比热；
V是主体体积；
H是热传递；以及
As是表面积。
在一实施例中，根据方程(1b)至方程(3b)的通用线性动态模型用于第一MBPC控制回路。在第一MBPC中使用的通用线性动态模型的模型方程是：
其中，Sp(t)是钉温度输出；
Pw(t)是功率输入；
k为稳态增益：
τ为时间常数：
其中，ρ为密度；
cp是比热；
V是主体体积；
H是热传递；以及
As是表面积。
在一实施例中，本文公开了一种温度控制系统，其中模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
在一实施例中，本文公开的温度控制系统规定，第一和/或第二MBPC包括轨迹规划器，当接近恒定温度控制设定点时，该轨迹规划器自动降低指定斜坡率。轨迹规划器被添加到第一和/或第二MBPC控制回路，以生成温度控制设定点参考轨迹。基于期望的斜坡率和温度范围，轨迹规划器将温度范围分成两个子范围：快速斜坡和减小斜坡。在快速斜坡子范围中，规划器生成温度控制设定点参考轨迹，以使MBPC能够实现期望的斜坡率。在减小斜坡子范围中，规划器提供至少一个直观调谐参数来控制温度斜坡速度，以达到期望的控制设定点。温度稳定时间和过冲也得到控制。这提供了灵活的方式来满足不同过程中不同的温度控制要求。
在一实施例中，基于静态模型的静态限制器被嵌入第一和/或第二MBPC环路中。限制器帮助MBPC在各种控制情况下(正常、更快/更慢斜坡、舟入/出、不同负载或气体流量等)为内部控制回路生成正确控制设定点。
在图2中示出了MBPC控制回路的总体结构。这示出了MBPC算法如何适应通用线性动态模型，其中：
R是所需变量，在本例中是所需温度；
R(1…N)是N次采样的未来设定点；
X是受控变量，在本例中是测量温度；
Y(1…N)是N次采样的预测未来温度；
E(1…N)是R(1…N)和Y(1…N)之间的误差；
U(1)是操纵变量，在本例中是MBPC2的Spset和MBPC1的Pwout；
Ku是校正模式预测计算的参数；以及
Ks是校正预测输出的参数。
第一和第二MBPC控制回路适应通用线性动态模型。基于动态模型和过去控制输入递归地计算预测未来处理输出。添加Ku参数以校正模型计算，从而可以调整控制动作。通过最小化未来设定点和预测输出之间的差异来计算最佳控制动作。添加Ks参数以校正预测输出，从而可以获得最佳控制性能。
在一实施例中，第一和/或第二MBPC控制算法将直观调谐参数(例如Ku、Ks)嵌入到控制法则、轨迹规划器和限制器中。直观调谐参数可用于改善动态控制性能和静态控制性能。MBPC控制结构和固定时间预测水平避免在晶片处理期间对在线矩阵求逆的需要。因此，在线计算开销大大降低。这样，双级联MBPC控制系统算法可以在半导体处理工业中通常实际使用的微处理器上实现。
在一实施例中，包括软件检测器和控制逻辑来检测TC测量硬件故障。当出现TC采样故障时，检测器和控制逻辑打开基于动态模型计算的相关软温度传感器。因此，如果TC采样失败，软传感器用于代替真实TC控制系统输入。这防止反应器操作停止，并减少由于检测到一个或多个温度测量硬件故障而导致的整个批量处理的损失。
根据特定实施例，第二MBPC的内部结构对应于图3所示的结构。第二MBPC1200包括MBPC算法模块1230、轨迹规划模块1220和MBPC静态模型限制器1250。MBPC算法模块1230包括建模模块1231和优化器模块1232，建模模块1231根据方程(1a)至方程(3a)基于通用线性动态模型执行实际建模。MBPC控制器1200的输入是桨控制设定点温度Pdset、实际桨温度Pd和可选的实际钉温度Sp。桨控制设定点温度被提供给轨迹规划模块1220。实际桨温度Pd和可选的实际钉温度Sp被提供给存储器1210，用于存储过去输入和输出。存储器1210向MBPC算法模块1230提供输入。轨迹规划模块1220生成分布在预测水平上的N个桨控制设定点Pdset(1…N),其中Pdset(1)是当前时刻的控制设定点，Pdset(N)是最未来预测控制设定点。这些控制设定点Pdset(1…N)通过线路1221被提供给加法器1222的第一输入。此外，由MBPC控制算法模块1230作为输出提供的模型化桨值～Pdfr(1…N)经由线路1233被提供给加法器1222的第二输入。加法器1222计算误差信号Ep(1…N),其经由线路1223被提供给MBPC算法模块1230的优化器模块1232。优化器模块1232通过使用约束1236最小化由方程(4a)表示的成本函数1235来优化模型输出。来自轨迹规划器1220的模型化预测桨控制设定点温度～Pdfr(1…N)和实际桨控制设定点温度Pdset(1…N)之间的最小二乘误差在预测水平内被最小化。通过使用扰动模型(方程(4a)中的最后一项)来优化预测桨控制设定点温度，使得预测值接近实际值。根据方程(10a)计算钉校正值ΔSp。模型化值～Pdfr(1…N)经由线路1234被提供给存储器1210。从MBPC算法向钉输出计算模块1212提供钉校正值ΔSp，以根据方程(11a)计算模型化钉控制设定点Spset(1)。模型化钉控制设定点Spset(1)经由线路1211被提供给输出限制器1250，其中根据方程(12a)限制输出，从而计算Spset。算法将在下面进一步详细讨论。
根据特定实施例，第一MBPC的内部结构对应于图4所示的结构。第一MBPC1300包括MBPC算法模块1330、轨迹规划模块1320和MBPC静态模型限制器1350。MBPC算法模块1330包括建模模块1331和优化器模块1332，建模模块1331根据方程(1b)至方程(3b)基于通用线性动态模型执行实际建模。MBPC控制器1300的输入是钉温度控制设定点Spset和实际钉温度Sp。钉温度控制设定点Spset被提供给轨迹规划模块1320。实际钉温度Sp被提供给存储器1310，用于存储过去输入和输出。存储器1310向MBPC算法模块1330提供输入。轨迹规划模块1320生成分布在预测水平上的N个钉温度控制设定点Spset(1…N),其中Spset(1)是当前时刻的控制设定点，Spset(N)是最未来预测控制设定点。这些控制设定点Spset(1…N)通过线路1321被提供给加法器1322的第一输入。此外，由MBPC控制算法模块1330作为输出提供的模型化钉值～Spfr(1…N)经由线路1333被提供给加法器1322的第二输入。加法器1322计算误差信号Es(1…N),其通过线路1323被提供给MBPC算法模块1330的优化器模块1332。优化器模块1332通过使用约束1336最小化由方程(4b)表示的成本函数1335来优化模型输出。模型化预测钉控制设定点温度～Spfr(1…N)和来自轨迹规划器1320的实际钉控制设定点温度Spset(1…N)之间的最小二乘误差在预测水平内被最小化。通过使用扰动模型(方程(4b)中的最后一项)来优化预测钉控制设定点温度，使得预测值接近实际值。根据方程(10b)计算功率校正值ΔPw。模型化值～Spfr(1…N)经由线路1334被提供给存储器1310。从MBPC算法向功率输出计算模块1312提供功率校正值ΔPw，以根据方程(11b)计算模型化功率控制设定点Pwout(1)。模型化功率控制设定点Pwout(1)经由线路1311被提供给输出限制器1350，其中根据方程(12b)限制输出。算法将在下面进一步详细讨论。
基于根据方程(1a)至方程(3a)的总体线性动态模型，预测控制算法通过最小化成本函数J来计算MBPC2的控制策略Spset(t)，J被定义为：
其中，N和Nu是预测水平，ku和ks是权重参数，Pdset(t+k)是由轨迹规划器生成的第k个桨控制设定点。此外，是在时间t的第k个模型预测输出，其可被认为是两个独立贡献的组合结果：
其中，是自由响应，而是强迫响应。其中，可以计算为：
其中，是扰动模型输出，并且
然后，可以计算为：
其中，gi可由下式获得：
通过使用矩阵符号，并使J相对于ΔSp最小化，可以使用以下简化公式来计算钉设定点：
在一实施例中，MBPC采用“滚动时域”控制原理，其中仅需要第一元素ΔSp(|t)来计算MBPC输出：
Spset(t)＝Spset(t-1)+ΔSp(t|t)(11a)
在下一个采样时刻(t+1)，重复整个过程。
在某些实施例中，MBPC还包括限制器，以在出现概念困难的情况下仍正常工作。为了解决这些困难，在MBPC控制回路中加入了基于静态模型的限制器。限制器定义为：
其中，ΔT是用于补偿模型输出不匹配的可调温度常数，ku是也用于控制法则方程(10a)中的调谐参数(调谐ku可以提高温度均匀性)。
基于根据方程(1b)至方程(3b)的总体线性动态模型，预测控制算法使用如上所述的相同原理但使用以下修改的公式来计算MBPC1的功率输出Pwout(t)：
Pwout(t)＝Pwout(t-1)+ΔPw(t|t)(11b)
本公开的另一方面涉及一种控制系统，包括：
-第一控制回路，其包括第一基于模型的预测控制器(MBPC),用于利用输出信号控制设备，该输出信号控制给所述设备的处理室中的加热元件的功率，所述第一MBPC配置成从位于加热元件附近并与处理室间隔开的至少一个钉温度传感器接收传感器数据，并且所述输出信号至少部分地基于在预测时间范围内所述第一MBPC中的计算；以及
-包括第二MBPC的第二控制回路，所述第二MBPC配置为向所述第一MBPC提供控制设定点，所述控制设定点至少部分地基于在预测时间范围内所述第二MBPC中的计算，所述第二MBPC进一步配置为从以下接收传感器数据：
(1)至少一个桨温度传感器，其位于处理室内部或附近并与加热元件间隔开；并且可选地
(2)至少一个钉温度传感器，其位于加热元件附近并与处理室间隔开。
在一实施例中，如本文所公开的控制系统规定，第一和/或第二MBPC设置有表征热反应器的热响应的一个或多个通用线性动态模型。特别地，为第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型。更具体地，为第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型，但第一和第二MBPC模型的稳态增益因子不同。
在一实施例中，本文公开了一种控制系统，其中模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
本公开的另一方面涉及一种用于控制具有处理室的设备的方法，包括：
-从第一控制回路向所述设备提供控制输入，所述第一控制回路包括第一MBPC，其配置为从位于加热元件附近并与处理室间隔开的至少一个钉温度传感器接收传感器数据，并且所述控制输入至少部分地基于在预测时间水平内所述第一MBPC中的计算；以及
-向所述第一控制回路提供控制设定点，所述控制设定点由第二控制回路计算，该第二控制回路包括第二MBPC，其配置为从以下接收传感器数据：
(1)至少一个桨温度传感器，其位于处理室内部或附近并与加热元件间隔开；并且可选地，
(2)至少一个钉温度传感器，其位于加热元件附近并与处理室间隔开；
所述第二MBPC进一步配置为接收所述设备的控制过程序列，并且所述第二MBPC配置为至少部分地基于在预测时间水平内所述第二MBPC中的计算来计算所述控制设定点。
在一实施例中，在此公开的方法规定，第一和/或第二MBPC设置有表征热反应器的热响应的一个或多个通用线性动态模型。特别地，在第一和第二MBPC中采用相同的通用线性动态模型。更具体地，在第一和第二MBPC中采用相同的通用线性动态模型，但用于第一和第二MBPC模型的稳态增益因子不同。
在一实施例中，本文公开了一种方法，其中模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
Claims (15)
1.一种用于具有处理室的热反应器的温度控制系统，该控制系统包括：
-第一控制回路，包括第一基于模型的预测控制器(MBPC),使用钉温度传感器信号作为第一MBPC的输入，第一MBPC提供控制给热反应器的加热元件的功率的输出信号，钉温度传感器位于加热元件附近并与处理室间隔开，
其中，第一MBPC设置有代表热反应器的行为的第一预测模型，第一MBPC配置为使用第一预测模型基于预测时间水平内的计算来计算输出值，所述输出值控制功率输出信号；以及
-包括第二MBPC的第二控制回路，使用桨温度传感器信号和可选的钉温度传感器信号作为第二MBPC的输入，第二MBPC提供钉温度控制设定点作为输出，该设定点用作第一控制回路中的第一MBPC的输入，桨温度传感器与加热元件间隔开并位于处理室内或其附近，钉温度传感器位于加热元件附近并与处理室间隔开，
其中，第二MBPC设置有代表热反应器的行为的第二预测模型，第二MBPC配置为使用第二预测模型基于预测时间水平内的计算来计算输出值。
2.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中，所述第一和/或第二MBPC设置有一个或多个通用线性动态模型，其表征所述热反应器的热响应。
3.根据权利要求2所述的温度控制系统，其中，为所述第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型。
4.根据权利要求3所述的温度控制系统，其中，所述第一和第二MBPC模型的稳态增益系数不同。
5.根据权利要求2所述的温度控制系统，其中，模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
6.根据权利要求1所述的温度控制系统，其中，所述第一和/或第二MBPC包括轨迹规划器，当接近恒定温度控制设定点时，所述轨迹规划器自动降低指定斜坡率。
7.一种控制系统，包括：
-第一控制回路，其包括第一基于模型的预测控制器(MBPC),用于利用输出信号控制设备，该输出信号控制给所述设备的处理室中的加热元件的功率，所述第一MBPC配置成从位于加热元件附近并与处理室间隔开的至少一个钉温度传感器接收传感器数据，并且所述输出信号至少部分地基于在预测时间水平内所述第一MBPC中的计算；以及
-包括第二MBPC的第二控制回路，所述第二MBPC配置为向所述第一MBPC提供控制设定点，所述控制设定点至少部分地基于在预测时间水平内所述第二MBPC中的计算，所述第二MBPC进一步配置为从以下接收传感器数据：
(1)至少一个桨温度传感器，其位于处理室内部或附近并与加热元件间隔开；以及可选地，
(2)至少一个钉温度传感器，其位于加热元件附近并与处理室间隔开。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述第一和/或第二MBPC设置有一个或多个通用线性动态模型，其表征所述热反应器的热响应。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其中，为所述第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其中，所述第一和第二MBPC模型的稳态增益系数不同。
11.根据权利要求8所述的控制系统，其中，模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
12.一种用于控制具有处理室的设备的方法，包括：
-从第一控制回路向所述设备提供控制输入，所述第一控制回路包括第一MBPC，其配置为从位于加热元件附近并与处理室间隔开的至少一个钉温度传感器接收传感器数据，并且所述控制输入至少部分地基于在预测时间水平内所述第一MBPC中的计算；以及
-向所述第一控制回路提供控制设定点，所述控制设定点由第二控制回路计算，该第二控制回路包括第二MBPC，其配置为从以下接收传感器数据：
(1)至少一个桨温度传感器，其位于处理室内部或附近并与加热元件间隔开；以及可选地，
(2)至少一个钉温度传感器，其位于加热元件附近并与处理室间隔开；
所述第二MBPC进一步配置为接收所述设备的控制过程序列，并且所述第二MBPC配置为至少部分地基于在预测时间水平内所述第二MBPC中的计算来计算所述控制设定点。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一和/或第二MBPC设置有一个或多个通用线性动态模型，其表征所述热反应器的热响应。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，为所述第一和第二MBPC提供相同的通用线性动态模型，并且其中，所述第一和第二MBPC模型的稳态增益因子不同。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，模型失配校正因子被添加到模型预测计算和输出优化计算中。
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