CN1371490A - 可变增益比例积分控制器的系统和方法 - Google Patents

可变增益比例积分控制器的系统和方法 Download PDF

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Abstract

在质量流量控制器中使用可变增益PI控制器产生阀门驱动信号的方法。积分功能包括一个积分增益系数,它起着PI控制器中的可变增益的作用。对于小于最大的设置点信号的归一化的预定百分数的设置点信号,增益系数等于公式(I),式中A是第一增益常数,而B是第二增益常数。否则,该积分增益系数是公式(II),式中A是第一增益常数,B是第二增益常数,而x是该归一化设置点信号。

Description

可变增益比例积分控制器的系统和方法
本发明的技术领域：
本发明通常涉及比例积分(PI)控制系统和方法，特别地涉及在质量流量控制器中的比例积分控制方法。
本发明的背景：
许多制造工艺要求严格地控制处理气体进入处理腔的引入速率。这些类型的处理可以使用质量流量控制器(MFC)控制气体的流动速率。质量流量控制器是一个闭环设备，其设置、测量和控制处理气体进入处理腔的质量流量。半导体应用已经并且继续是质量流量控制器技术产品发展的驱动力。但是，质量流量控制在其它产业是有用的，比如配药学产业和食品产业。
热质量流量控制器是由包含一个流量传感器的一个前面一半和包含一个控制阀门的一个后面一半构成的。流量传感器常常是由围绕毛细管缠绕的双电阻温度传感器构成。当气体流量通过该传感器时，下行传送热量并且该温度差是与气体该质量流量速率成比例的。该温度差将引起该传感器单元中的微分电阻变化。控制阀门通过电子器件从该流量传感器接收一个信号以便调节气体流量。螺线管激活的阀门因为它们的简单、快速响应、稳定性和低成本常常用作控制阀门。
传统的反馈控制方法常常用于控制质量流量控制器中的气体的流动。在质量流量控制器中，系统包括表示在质量流量控制器中的期望的气体流量的一个设置点，一个传感器，它检测在质量流量控制器中的气体的实际流动速率，一个控制器和一个装备。该控制器由控制该装备动作的电子电路组成。在该质量流量控制器的情况下，该装备可以是一个螺线管激活阀门，它直接地控制进入处理腔的气体的实际流动速率。该控制器中的电子电路可以基于误差信号产生一个控制信号(阀门驱动信号)。误差信号是在该设置点信号和反馈信号之间的差。在质量流量控制器的情况下，该放置点信号是期望的流动速率的函数，而反馈信号是实际的流动速率的函数。
常常使用的反馈控制模式是比例控制、积分控制和导数控制。利用比例控制，该控制信号是与误差信号成比例的。控制器增益可以调节使得控制信号对设置点信号和反馈信号之间的小的偏移敏感。还可以选择控制器增益的设计使得控制信号随着设置点信号和反馈信号之间的偏移增加或减小而增加或减小。仅仅比例的控制的固有的缺陷是它不能消除稳态误差。
积分控制常常广泛地使用，因为它提供误差消除的优点。利用积分控制，该控制信号取决于误差信号对时间的积分。在该系统的稳态操作期间，如果控制误差是恒定的，该误差的积分将随着时间改变并且在该装备中产生一个动作，最后使得误差为零。积分控制器不常单独使用，因为直到误差信号持续一段时间为止才在该装备中出现小的控制动作。但是，比例控制立即放大该误差信号。因此，积分控制常常结合所谓比例积分(PI)控制器中的比例控制使用来产生阀门驱动信号(控制信号)。
导数控制起预期误差信号特性的作用。利用导数控制，该控制信号取决于误差信号变化的速率。导数控制也趋向减少达到稳态的过程需要的时间。导数控制或者与比例控制或者与比例积分控制结合使用。
典型的质量流量控制器的一个持久的问题是：电磁阀动作不是阀门驱动信号(控制信号)的线性函数。阀门驱动信号和通过电磁阀的质量流量控制器的实际的流量之间的关系是滞后的。图1是阀门驱动信号对通过质量流量控制器的实际流量的图形表示。阀门的增益随流量增加。阀门驱动信号是沿着X轴图示而通过质量流量控制器是的实际流量沿着Y轴图示。随着阀门驱动信号增加，通过质量流量控制器的实际流量直到该阀门驱动信号达到值X3为止不开始增加。阀门驱动信号达到X3花费的时间量表示为静寂时间。一旦阀门驱动信号达到值X3，实际流量开始以阀门驱动信号的函数的比例的(但是非线性)方式增加。一旦阀门驱动信号已经达到最大值X4，减少阀门驱动信号不立即引起通过质量流量控制器的实际的流量的减少。阀门驱动信号必须降低到X2的程度，直到实际流量开始以阀门驱动信号的函数的比例的(但是非线性)方式降低。一旦阀门驱动信号达到X1的程度，实际流量可能停止。从图1可以看到，当阀门驱动信号是弱的，阀门的响应是可忽略的，当阀门驱动信号通过某一个“阈值”(X3)时，阀门响应大大地增加。阀门的增益随流量增加。与电磁阀相关的这类非线性特性是很难于控制并且不能完全地补偿。
最后，需要补偿由阀门驱动信号和通过螺线管激活的阀门的实际的流量之间的非线性关系引起的质量流量控制器中的实际的流量的非线性特性。
本发明概要：
本发明提供用于产生阀门驱动信号的一个系统和方法，实质上消除或者减少与先前开发的用于产生阀门驱动信号的系统和方法相关的缺点和问题。
更具体地说，本发明提供使用质量流量控制器中的可变增益PI控制器产生阀门驱动信号的系统和方法。该方法包括误差信号与比例增益因数相乘产生一个比例的信号。该方法也包括在误差信号上实现积分功能。积分功能包括一个积分增益系数，它起着PI控制器中的可变增益的作用。对于小于最大的设置点的归一化的预定的百分数P的设置点信号，该积分增益系数等于
Figure A0081017500081
，式中A是第一增益常数，B是第二增益常数，而max(x)是归一化的设置点信号的最大值。否则，积分增益系数等于
Figure A0081017500082
式中A是第一增益常数，B是第二增益常数，而x是归一化的设置点信号。实现积分功能产生一个积分信号。最后，积分信号和比例信号求和产生阀门驱动信号。该误差信号是设置点信号和反馈信号之间的差的函数。该放置点信号是质量流量控制器期望的流动速率的函数，而反馈信号是通过该质量流量控制器的实际的流动速率的函数。
本发明提供一个重要的技术优点：它使PI控制器中的积分增益系数为一个可变增益。积分增益系数是设置点信号的函数。因此，对于低的设置点信号，低的阀门增益的影响可以以更高的积分增益补偿。这个机制保持相同的控制系统反馈环路增益而无论该工作点，并且允许系统响应的响应速度和干扰抑制特性呈现一致的，在低设置点(或者工作点)工作的同时，有效地掩盖了延迟的阶跃响应和从入口压力干扰中迟钝的恢复。
本发明的另一个技术优点是：它减少了与质量流量控制器中的阀门相关的静寂时间，容许通过阀门静寂时间控制信号以相同的效率向上倾斜，不论质量流量控制器是倾斜到最大流量的100％或者最大流量的5％。
附图的简要叙述：
参见下面的叙述、结合附图可以获得本发明的完整的理解和它的优点，其中同样的标号表示同样的特征，其中：
图1图解地说明阀门驱动信号和通过该阀门的流量之间的非线性关系。
图2是可变的PI控制器的方框图。
图3说明本发明的一个实施例；和
图4说明积分增益系数和设置点信号之间的曲线关系。
本发明的详细叙述：
在图中表示本发明的优选实施例，同样的数字用于指出不同附图的同样的和相应的部分。
本发明提供使用质量流量控制器中的可变增益PI控制器产生阀门驱动信号的系统和方法。该方法包括输入一个误差信号给输出阀门驱动信号的一个可变增益PI控制器。可变增益PI控制器的积分增益系数是设置点的函数。该误差信号是设置点信号和反馈信号之间的差的函数。该放置点信号是质量流量控制器期望的流动速率的函数，而反馈信号是通过该质量流量控制器的实际的流动速率的函数。
图2表示本发明的一个实施例的方框图。在图2中，可变增益PI控制器10包括比例增益级14、积分增益级16、积分电路18和相加级24。在比例增益级14误差信号12乘以比例增益常数Kp产生比例的信号20。在积分增益级16误差信号12也乘以积分增益系数KI并且输入积分电路18产生积分信号22。积分增益级16和积分电路18的顺序可以颠倒而并不改变积分信号22。在相加级24，积分信号22和比例的信号20可以组合形成驱动信号26。积分增益系数KI和误差信号12是期望的设置点的函数。
图3表示本发明的一个实施例，其中可变增益PI控制器10用于质量流量控制器28中。在图3中，在相加级34设置点信号30可以与反馈信号32比较，产生误差信号12。误差信号12可以输入PI控制器10。PI控制器10包括比例增益级14、积分增益级16、积分电路18和相加级24。在比例增益级14误差信号12乘以比例增益常数Kp产生比例信号20。在积分增益级16误差信号12也可以乘以积分增益系数KI并且输入积分电路18产生积分信号22。比例的信号20和积分信号22输入相加级24，产生驱动信号26。驱动信号26可用于控制阀门驱动电路38和阀门40。阀门40产生在质量流量控制器28内的实际的流动速率42。实际的流动速率42可以由流量传感器44测量。流量传感器44输出检测的流动速率信号46。检测的流动速率信号46可以输入导数控制器48。导数控制器48可以产生反馈信号32。
比例增益常数Kp设置为一个固定值。这个值可以实验地确定，使得该输出(驱动信号26)是对等于步进输入的设置点信号30的期望响应。
积分增益级16的积分增益系数KI是设置点信号30的函数。设计积分增益级16补偿在设置点信号30低时阀门38响应的延迟。
图4是积分增益系数KI和设置点信号30之间的曲线表示。沿着X轴绘出设置点信号30(归一化)，而沿着Y轴绘出积分增益系数KI。积分增益系数KI和设置点信号30之间的关系由下式给出：
Figure A0081017500111
式中x是归一化设置点信号30，max(x)是(max(x)＝l)设置点信号30的最大值，A是第一常数，而B是第二常数。注意，对于比设置点信号30的最大值的10％低的设置点信号30，该积分增益系数KI是饱和的，以防止积分增益系数KI增长到无穷大。
通过观察调节第二常数B以便在设置点信号30的0→100％步进中从阀门40获取最佳的响应。为了计算第二常数B，设置点信号30设置为在最大的设置点信号的0→100％的一个步进输入。驱动信号26可以使用数据收集软件观察。在软件中调节第二常数B为一个变量以便获得0→100％步进输入的期望的阶跃响应。单独利用这个设置，阀门40对设置点信号30的低值的响应可能太慢。因此，调节第一常数A以便使用相同的观察方法获取对于低值设置点信号30(0→10％)的相同的阶跃响应质量。利用第一常数A和第二常数B，在所有的设置点信号30的请求，适当的响应变成一致的。
PI控制器10和导数控制器48二者可以在数字信号处理器(DSP)控制器中使用差分方程式数字地实现。如果设置点信号30或者检测的流动速率信号46是模拟信号，在输入设置点信号30到PI控制器10或者输入检测的流动速率信号46到导数控制器48前，这些信号可以通过实现模-数转换器容易地转换成数字信号。模-数转换器可以是在DSP控制器的外部或者在DSP控制器的内部。当使用DSP控制器时，误差信号12、驱动信号36和反馈信号32是数字信号。
DSP控制器也可以可被操作与计算机诸如个人计算机(PC)通信。该计算机可以以大量的数学计算辅助该DSP控制器。该计算机可以通过在该计算机和DSP控制器之间的连接下载执行计算的结果给DSP控制器。DSP控制器可以具有或者接口到一个存储设备，诸如EEPROM，以便存储从计算机下载的计算。
导数控制器48可以使用本领域的技术人员已知的标准的第一导数执行过程实现。做为选择，为了获得实际的流动速率42的更准确的近似和补偿由流量传感器44引入的延迟，导数传感器48可以使用1999年7月9日由E.Vyers等人提交的、名称为“A System and Method For ADigital Mass Flow Controller”的美国专利申请顺次号No.09/351,120中披露的方法实现。
该DSP控制器也可以在输入检测的流动速率信号46到导数控制器48前实现检测的流动速率信号46的线性化。用于线性化有许多方法，诸如最小二乘方和其它逐步回归技术。参考1999年7月9日由T.I.Pattantyus和F.Tariq提交的、名称为“Method and System for SensorResponse Linearization”的美国专利申请顺次号No.09/350,747披露的方法。
传感器44可以包括围绕毛细管缠绕的两个电阻性的温度传感器。两个电阻性的温度传感器可以耦合到接口电路，用于调节由两个电阻性的温度传感器产生的信号。特别参考1999年7月9日由T.I.Pattantyus等人提交的、名称为“Improved Mass Flow Sensor Interface Circuit”的美国专利申请顺次号No.09/350,746中披露的接口电路。
阀门40可以是一个螺线管激活的阀门。有许多电路配置可用于阀门驱动电路38。这些配置可以转换驱动信号26为驱动阀门40的螺线管的驱动电流。驱动信号26可以是一个数字信号。可用于阀门驱动电路38的大多数的电路包括一个控制元件，诸如一个晶体管。该控制元件连续地转换在螺线管两端的电压。该转换是驱动信号26的函数。反过来，平均螺线管电流可以在螺线管中产生，它是在该螺线管两端的电压的转换速率的函数。该螺线管电流激活阀门40。特别参考1999年7月9日由T.I.Pattantyus提交的、名称为“Method and System for DrivingSolenoid”的美国专利申请顺次号No.09/351,111披露的阀门驱动电路。
质量流量控制器可以实现闭环控制算法。参考1999年7月9日由K.Tinsley提交的、名称为“System and Method of Operation of a DigitalMass Flow Controller”的美国专利申请顺次号No.09/350,744中揭露的高级数字控制算法。
重要的是注意，本发明不限制为在上面引用的包括该部件和方法的质量流量控制器中使用。
本发明提供一个重要的技术优点：它使PI控制器中的积分增益系数KI为一个变量。积分增益系数KI是设置点信号30的函数。因此，对于低的设置点信号30，该系统响应可以加速。
本发明的另一个技术优点是减少了与阀门40相关的静寂时间。阀门40的静寂时间以相同的效率减少，不论质量流量控制器28倾斜到流过该控制器可能的最大值的100％或者流过该控制器可能的最大值的5％。
本发明的又一个技术优点是阀门40的均匀的响应速度，不管设置点信号30变化的幅度。换句话说，当设置点信号30设置为流过质量流量控制器28可能的最大值的100％或者流过质量流量控制器28可能的最大值的5％时，阀门40以相同的速度响应。通过使用积分增益系数KI的可变增益，阀门40具有均匀的响应速度。积分增益系数KI补偿阀门40先天的非线性特性。
本发明的另一个技术优点是均匀的干扰抑制(入口压力干扰)。PI控制器10的闭环总增益是恒定的。
本发明的另一个技术优点是减少了阀门40的静寂时间。由于积分增益系数KI的可校准的增益，通过增加增益且加速阀门40的响应减少了阀门40的静寂时间。
虽然在此参见说明的实施例详细描述了本发明，但是应该懂得，仅仅通过举例叙述并且不是在限制意义中的解释。因此另外应当懂得，本领域的普通的技术人员参考这个叙述将明白并且可以进行本发明的实施例细节的很多的变化和本发明的另外的实施例。所有的这样的变化和另外的实施例是在按照权利要求书的本发明的精神和真正的范围内。

Claims (21)

1.在质量流量控制器中使用可变增益PI控制器产生阀门驱动信号的一种方法，所述方法包括步骤：
一个误差信号乘以比例增益因数产生一个比例的信号；
实现包括对所述误差信号的积分增益系数的积分功能，以产生一个积分信号，所述积分增益系数等于：
第一增益函数，用于小于最大的归一化设置点信号的预定百分数的一个归一化设置点信号；
第二增益函数，用于大于所述归一化最大的设置点信号的预定百分数的所述归一化设置点信号；和求和所述积分信号与所述比例信号，以产生所述阀门驱动信号。
2.根据权利要求1的方法，其中所述预定的百分数是10％。
3.根据权利要求1的方法，其中所述第一增益函数等于
Figure A0081017500021
式中A是第一增益常数，而B是第二增益常数。
4.根据权利要求3的的方法，其中所述第二增益函数等于
Figure A0081017500022
式中A是所述第一增益常数，B是所述第二增益常数，而x是所述归一化设置点信号。
5.根据权利要求4的方法，其中实验地获得所述第二增益常数以便达到对步进输入所述最大的归一化设置点信号的0％至100％的所述可变增益PI控制器的期望的响应。
6.根据权利要求5的方法，其中实验地获得所述第一增益常数以便达到对步进输入所述最大的归一化设置点信号的0％至10％的所述可变增益PI控制器的期望的响应。
7.根据权利要求1的方法，其中所述误差信号是设置点信号和反馈信号之间的差，该设置点信号是所述质量流量控制器中的期望的流动速率信号的函数，而该反馈信号是通过通过所述质量流量控制器的实际的流动速率的函数。
8.根据权利要求7的方法，其中所述设置点信号和所述反馈信号是数字信号。
9.一种可变增益PI控制器，包括：
一个比例函数，用于以比例增益因数加权误差信号，产生一个比例信号；
一个积分函数，包括产生积分信号的一个积分增益系数，所述积分增益系数等于：
第一增益函数，用于小于最大的归一化设置点信号的预定百分数的一个归一化设置点信号；
第二增益函数，用于大于所述最大的归所述化设置点信号的所述预定百分数的所述归所述化设置点信号；和
一个加法器，用于求和所述比例的信号和所述积分信号，产生一个控制信号。
10.根据权利要求9的系统，其中所述预定的百分数是10％。
11.根据权利要求9的系统，其中所述第一增益函数等于
Figure A0081017500031
式中A是第一增益常数，而B是第二增益常数。
12.根据权利要求11的系统，其中所述第二增益函数等于
Figure A0081017500032
式中A是所述第一增益常数，B是所述第二增益常数，和x是所述归一化设置点信号。
13.根据权利要求12的系统，其中实验地获得所述第二增益常数以便达到对步进输入所述最大的归一化设置点信号的0％至100％的所述可变增益PI控制器的期望的响应。
14.根据权利要求13的系统，其中实验地获得所述第一增益常数以便达到对步进输入所述最大的归一化设置点信号的0％至10％的所述可变增益PI控制器的期望的响应。
15.根据权利要求9的系统，其中所述误差信号是设置点信号和反馈信号之间的差，该设置点信号是所述质量流量控制器中的期望的流动速率信号的函数，而该反馈信号是通过通过所述质量流量控制器的实际的流动速率的函数。
16.根据权利要求15的系统，其中所述设置点信号和所述反馈信号是数字信号。
17.在制造工艺中控制液体或者气体的流量的质量流量控制器，所述质量流量控制器包括：
阀门驱动电路，用于控制螺线管激活的阀门，该阀门控制所述制造工艺中所述液体或者气体的实际的流动速率；
一个流量传感器，用于测量所述物质的所述实际的流动速率并且输出检测的流动速率信号；
一个导数控制器，用于转换所述检测的流动速率信号为反馈信号，比所述检测的流动速率信号更接近地近似所述实际的流动速率；和
一个可变增益PI控制器，它转换设置点信号和所述反馈信号之间的误差信号为所述阀门驱动信号，所述可变的PI控制器包括：
一个比例函数，用于以比例增益因数加权误差信号，以产生一个比例信号；
一个积分函数，用于实现以积分增益系数加权的所述误差信号的积分，产生积分信号，所述积分增益系数等于：
第一增益函数，用于小于最大的归一化设置点信号的预定百分数的一个归一化设置点信号；
第二增益函数，用于大于所述最大的归所述化设置点信号的所述预定百分数的所述归一化设置点信号；和
一个加法器，用于求和所述比例信号和所述积分信号，以产生输入所述阀门驱动电路的阀门驱动信号。
18.根据权利要求17的质量流量控制器，其中所述第一增益函数等于 式中A是第一增益常数，而B是第二增益常数。
19.根据权利要求18的质量流量控制器，其中所述第二增益函数等于 式中A是所述第一增益常数，B是所述第二增益常数，和x是所述归一化设置点信号。
20.根据权利要求19的质量流量控制器，其中实验地获得所述第二增益常数以便达到对所述最大的归一化设置点信号的0％至100％的所述可变增益PI控制器输入的一个步进的期望的响应。
21.根据权利要求20的质量流量控制器，其中实验地获得所述第一增益常数以便达到对所述最大的归一化设置点信号的0％至10％的所述可变增益PI控制器输入的一个步进的期望的响应。
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