CN202529851U - 还原炉控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种还原炉控制装置，该装置用于控制还原炉中加热硅棒的电流值，该装置包括：按照预设的采样周期获取所述硅棒的当前温度、所述硅棒上施加的当前电流值及一个目标温度值的采样模块；根据获取的当前温度值、当前电流值及目标温度值，通过预设的电流预测公式计算出从当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值的预测模块；按照预测电流值向硅棒输出从当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流的输出模块；所述电流预测公式为：y(k+i)=y(k)+[w-y(k)](1-e^{-T/ τ})。本实用新型提供的还原炉控制装置对温度调节过程中随机突变的各种复杂不确定因素有非常好的适应性。

Description

还原炉控制装置

技术领域

本实用新型涉及还原炉控制系统，尤其涉及一种还原炉控制装置。 

背景技术

现有的多晶硅还原炉，通常通过预先设定一个温度值，然后通过调节调功柜电流大小，使硅棒温度逐渐达到设定温度值。 

多晶硅还原炉的控制系统通常按照预先设定的温度变化曲线调节各个时刻加在硅棒上的电流值，从而实现对硅棒温度的逐渐加热。然而，这种预先设定的温度变化曲线无法在生产过程中进行调整，从而无法全面的对过程中众多不确定因素引起的温度、电流波动等进行有效控制。难以保证在整个生产过程的稳定，易产生裂棒，倒棒、中途停炉，造成电耗高、产量低的问题。 

实用新型内容

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于提供一种还原炉控制装置，该装置用于控制还原炉中加热硅棒的电流值，所述还原炉控制装置包括： 

采样模块，所述采样模块包括红外线测温仪、电流检测装置及输入装置，所述红外线测温仪按照预设的采样周期获取所述硅棒的当前温度，所述电流检测装置按照预设的采样周期获取所述硅棒上施加的当前电流值，所述输入装置设定一个目标温度值； 

预测模块，与所述红外线测温仪、电流检测装置及输入装置电连接，所述预测模块获取所述当前温度值、当前电流值及目标温度值，通过预设的电流预测公式计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值； 

输出模块，与所述预测模块电连接，所述输出模块获取所述预测电流值，并向所述硅棒输出从所述当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流； 

所述电流预测公式为： 

y(k+i)＝y(k)+[w-y(k)](1-e^-T/τ)，其中， 

y(k+i)为从所述当前温度值至目标温度值之间第i个采样周期向所述硅棒输出的电流值，i为自然数； 

y(k)为当前电流值； 

w为所述目标温度值对应的预设系数，当当前温度值小于目标温度值时，所述w的值等于y(k)+Δ，当当前温度值等于目标温度值时，所述w等于y(k)，当当前温度值大于目标温度值时，所述w等于y(k)-Δ，Δ大于零； 

T为采样周期； 

τ为第一参考轨迹时间常数，当当前温度值越低，τ取值越小。 

其中，所述采样模块还用于获取所述硅棒的当前电流的波动值。 

所述还原炉控制装置还包括： 

系数模块，用于获取所述当前电流的波动值所对应的预设波动区间，通过预设的系数预测公式计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的电流修正系数； 

修正模块，用于将各采样周期的所述预测电流值乘以所述电流修正系数获得各采样周期修正后的预测电流值； 

所述系数预测公式为： 

$K(k+i)=\frac{y\left(k\right)}{y\left(k\right)+[w-y\left(k\right)](1-e^{-T/\mathrm{\τ}2})},$

其中， 

K(k+i)为从所述当前温度值至目标温度值之间第i个采样周期向所述硅棒输出的电流的修正系数，i为自然数； 

τ2为第二参考轨迹时间常数，当前电流的波动值越大，τ取值越小。 

所述还原炉控制装置还包括： 

判断模块，用于判断当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值是否不同； 

当当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值不同时，所述系数模块获取所述当前电流的波动值所对应的预设波动区间，通过预设的系数预测公式计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的电流修正系数； 

当当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值相同时，选择模块获取前一个采样周期计算出的多个采样周期的电流修正系数。 

所述系数模块还包括一个调节模块，所述调节模块用于当当前电流的波动值小于所述预设的波动阈值时，将所述电流修正系数设置为所述预设的阈值系数。 

本实用新型提供的还原炉控制装置能够不断的根据当前电流值及目标温度值预测未来多个时刻的电流值，实现电流值的动态调整，从而能够保证在整个生产过程的稳定。同时由于向所述硅棒输出的电流值始终是不断根据当前状态自动动态调整的，所以对温度调节过程中随机突变的各种复杂不确定因素有非常好的适应性。减少硅棒生产过程中途裂棒、倒棒、停炉的几率。 

另外，由于根据电流波动不断对预测的电流值进行修正，从而能够有效控制电流波动。保证输入反应电流的稳定性。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是本实用新型提供的还原炉控制装置控制过程的第一实施例流程示意图； 

图2是图1的控制过程的温度变化的参考轨迹图； 

图3是本实用新型提供的还原炉控制装置第一实施例的示意图； 

图4是本实用新型提供的还原炉控制装置控制过程的第二实施例的流程示意图； 

图5是本实用新型提供的还原炉控制装置第二实施例的模块图。 

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。 

在本实用新型实施例中，利用对还原炉的生产过程中通过动态控制保证生产过程的稳定性。 

请一并参阅图1及图2，为本实用新型提供的还原炉控制装置的控制过程，该控制过程用于控制还原炉中加热硅棒的电流值，该控制过程包括以下步骤： 

步骤101，按照预设的采样周期获取所述硅棒的当前温度、所述硅棒上施加的当前电流值及一个目标温度值。本实施例中，在还原炉中设置有红外线测温仪，所述红外线测温仪获取所述硅棒的当前温度值。通过电流检测装置或控制向所述硅棒输出电流的控制装置获取所述硅棒上当前施加的电流值。所述目标温度值通过键盘、触控屏等输入装置设定。所述目标温度值通常为所述还原炉中所述硅棒的反应温度。本实施例中，所述采样周期是100毫秒。假设第一个采样周期获得的当前温度值为940℃，当前电流值为1000A，目标温度值为1080℃。 

步骤103，根据获取所述当前温度值、当前电流值及目标温度值，通过预设的电流预测公式计算出从所述当前温度值至所述目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值，所述电流预测公式为： 

y(k+i)＝y(k)+[w-y(k)](1-e^-T/τ)。 

其中，y(k+i)为从所述当前温度值至目标温度值之间第i个采样周期向所述硅棒输出的电流值，i为自然数； 

y(k)为所述当前电流值，即1000A； 

w为所述当前电流值对应的预设系数，当当前温度值小于目标温度值时，所述w等于y(k)+Δ，当当前温度值等于目标温度值时，所述w等于y(k)，当当前温度值大于目标温度值时，所述w等于y(k)-Δ，Δ大于零； 

T为采样周期； 

τ为第一参考轨迹时间常数，当当前温度值越低，τ取值越小。 

本实施例中，所述w及τ采用零阶T-S模型建立的数据库获得。具体地，先在多个电流区间设定不同的w值，通过对还原炉中的温度进行测量，从而试验出各个区间最好的w值。然后再将各个w值保存，建立与各个电流区间一一对应关系的数据库。当使用时，根据电流值查找相应的w值。本实施例中，划分0≤I＜600A，600A≤I≤1200A，1200A＜I≤3000A等多个区间，各区间对应的Δ分别为20，50，40...。当当前电流值y(k)满足600A≤y(k)≤1200A时，Δ＝50。当然，在其他实施例中，Δ也可以取其他数值。 

同时，将温度划分成多个区间，在各区间设定不同的τ值，根据需要的升温过程获得对应的τ值。然后再将各个τ值保存，建立与各个温度区间一一对应关系的数据库。当使用时，根据温度查找相应的τ值。 

本实施例中，将温度划分935℃～946℃、947℃～958℃、959℃～970℃等，各个区间的温度范围均为11℃，各区间对应的τ分别为30、40、50、...。温度区间的温度越低，τ越小，电流升高的速度越快。便于早期快速升温。由于940℃位于935℃～946℃区间，所述τ取30。 

当所述当前温度值小于所述目标温度值时，所述w等于y(k)+Δ，未来的多个采样周期向所述硅棒输出的电流值将升高，使所述硅棒上施加的电流不断增加。当温度升高到所述目标温度值时，所述w等于y(k)，未来的多个采样周期向所述硅棒输出的电流值将不再升高，保持所述硅棒上施加的电流不变。如果当前温度比所述目标温度值高，则所述w等于y(k)-Δ，未来的多个采样周期向所述硅棒输出的电流值将降低，从而降低所述硅棒的温度，使所述硅棒的温度降低至所述目标温度值。 

本实施例中，预测下一个采样周期向所述硅棒输出的预测电流值的计算结果如下： 

y(k+i)＝y(k)+[w-y(k)](1-e^-T/τ) 

＝1000+[y(k)+50-y(k)]×(1-e^-0.1/30) 

＝1000.16639A。 

依次类推预测其余采样周期向所述硅棒输出的预测电流值为： 

y(k+2)＝y(k+1)+[w-y(k+1)](1-e^-T/τ)； 

y(k+3)＝y(k+2)+[w-y(k+2)](1-e^-T/τ)； 

上述公式仅是针对935℃～946℃温度区间进行调整。当当前温度、当前电流值发生变化，w及τ也会相应发生变化。从而达到动态的调整未来i个时刻的电流变化。将上述预测出的多个预测电流值以时间为横坐标，电流值为纵坐标能够绘制出一条曲线，这条曲线为未来i个时刻电流变化的参考轨迹。预测出来的电流值沿着这条曲线逐渐到达设定值w，从而达到目标温度值。 

由于上述控制方法是按照采样周期不断获取参数，根据获取的参数不断预测未来i个时刻的所述硅棒输出的电流值。所以当当前温度值及所述硅棒施加的当前电流值已不再满足上述条件时，上述控制方法将会根据新的w及τ重新计算参考轨迹。向所述硅棒输出的电流值始终是不断根据当前状态自动动态调整的，所以对温度调节过程中随机突变的各种复杂不确定因素有非常好的适应性。 

在还原炉中，当温度值保持目标温度值一段时间，随着所述硅棒不断生长，向所述硅棒输出的电流值无法保持所述目标温度值，所述硅棒的温度将会下降，此时需要再次采用上述控制方法提高向所述硅棒输出的电流值。通过多次反复的加热、反应直到所述硅棒生产完毕。 

步骤105，按照所述预测电流值向所述硅棒输出从所述当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流。 

上述控制方法可以采用一个红外线测温仪对上述还原炉中的一组硅棒进行测量，也可以采用多个红外线测温仪对还原炉中的多组硅棒进行测量，并根据各组硅棒的实际温度进行分别控制。 

请参阅图3，一种还原炉控制装置100，该装置100用于控制还原炉中加热硅棒的电流值，所述还原炉控制装置100包括采样模块10、预测模块20及输出模块30。 

所述采样模块10用于按照预设的采样周期获取所述硅棒的当前温度、所述硅棒上施加的当前电流值及一个目标温度值。本实施例中，所述采样模块10利用所述步骤101的方法获取所述当前温度、所述当前电流值及所述目标温度值。 

所述预测模块20用于根据获取所述当前温度值、当前电流值及目标温度值，通过预设的电流预测公式计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值，所述电流预测公式为：y(k+i)＝y(k)+[w-y(k)](1-e-^T/τ)。本实施例中，所述预测模块20采用步骤103的方法计算出多个采样周期的的预测电流值。 

所述输出模块30用于按照所述预测电流值向所述硅棒输出从所述当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流。 

请参阅4为本实用新型提供的第二实施例的还原炉控制装置的控制过程，所述控制过程包括以下步骤： 

步骤401，按照预设的采样周期获取当前通过所述硅棒的当前温度、所述硅棒上施加的当前电流值、一个目标温度值及所述硅棒上当前电流的波动值。本实施例中，本步骤采用所述第一实施例的步骤101相同的方法以100毫秒为周期获取所述当前温度、所述硅棒上施加的当前电流值及所述目标温度值。另外，还通过比较器获得所述硅棒上当前电流的波动值。假设所述硅棒上的当前电流的波动值为13A。 

步骤403，根据获取所述当前温度值、当前电流值及目标温度值，通过预设的电流预测公式计算出从所述当前温度值至所述目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值，所述电流预测公式为：y(k+i)＝y(k)+[w-y(k)](1-e^-T/τ)。该步骤与第一实施例的步骤103相同，在此不再赘述。 

步骤405，判断当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值是否不同。本实施例中，利用比较器将当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值进行比较。本实施例中设第一个采样周期的判断结果为否。当然，在其他实施例中，也可以设第一个采样周期之前的电流的波动值为0，或根据实际电流中的电流波动值设定。 

步骤407，当当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值不同时，获取所述当前电流的波动值所对应的预设波动区间，通过预设的系数预测公式计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的电流修正系数。 

所述系数预测公式为： 

$K(k+i)=\frac{y\left(k\right)}{y\left(k\right)+[w-y\left(k\right)](1-e^{-T/\mathrm{\τ}2})},$ 其中， 

K(k+i)为从所述当前温度值至目标温度值之间第i个采样周期向所述硅棒输出的电流的修正系数，i为自然数； 

τ2为第二参考轨迹时间常数，当前电流的波动值越大，τ取值越小。 

τ2根据预先大量实验获得。 

本实施例中，所述τ2采用零阶T-S模型建立的数据库获得。具体地，先在多个电流波动区间设定不同的τ2值，试验出各个区间最好的τ2值。然后再将各个τ2值保存，建立与各个电流波动区间一一对应关系的数据库。当使用时，根据电流值查找相应的τ2值。本实施例中，划分10A～20A、20A～30A、30A～40A等多个区间，各区间对应的τ2分别为3、2.5、1.5。电流区间的电流越大，τ2越小，电流变化越慢，降低电流升高的速度，防止电流升温速度过快产生裂棒及倒棒。由于当前电流的波动值为13A位于10A～20A区间，所以所述τ2取3。 

本实施例中，预测下一个采样周期的电流修正系数计算结果如下： 

$K(k+i)=\frac{y\left(k\right)}{y\left(k\right)+[w-y\left(k\right)](1-e^{-T/\mathrm{\τ}2})},$

$=\frac{1000}{1000+[y\left(k\right)+50-y\left(k\right)](1-e^{-0.1/3})}$

＝0.99836。 

依次类推预测其余采样周期的电流修正系数为： 

$K(k+2)=\frac{y(k+1)}{y(k+1)+[w-y(k+1)](1-e^{-T/\mathrm{\τ}2})};$

$K(k+3)=\frac{y(k+2)}{y(k+2)+[w-y(k+2)](1-e^{-T/\mathrm{\τ}2})};$

上述公式仅是针对10A～20A电流区间进行调整。当当前电流的波动值发生变化，τ2也会相应发生变化。从而达到对不同的电流波动采用不同的预测方法。以适应不同时刻的当前电流的波动值，实现对各个采样周期的电流的动态修正。对温度调节过程中随机突变的电流波动有非常好的适应性。 

该步骤中还预设一个波动阈值及一个预设阈值系数。所述波动阈值为10A，所述阈值系数为1。当当前电流的波动值小于所述波动阈值时，所述电流修正系数等于所述阈值系数。从而无需对过小的电流波动进行调节，减少调节次数，提高调节效率。 

步骤409，当当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值相同时，获取前一个采样周期计算出的多个采样周期的电流修正系数。由于当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值相同，所以采用相同的电流修正系数，减少计算次数，提高调节效率。 

步骤411，各采样周期的所述预测电流值乘以所述电流修正系数获得各采样周期修正后的预测电流值。本实施例中，采用步骤407的电流修正系数，获得修正后的预测电流值。以预测的第一个采样周期为例，该采样周期的预测电流值为y’(k+1)＝y(k+1)·K(k+1)＝1000.16639×0.99836＝998.526A。若当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值相同时，将采用步骤409的电流修正系数。 

步骤413，按照所述修正后的预测电流值向所述硅棒输出从所述当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流。本实施例中，当到达相应的采样周期后，在所述硅棒上施加修正后的电流。 

请参阅图5，一种还原炉控制装置200，该还原炉控制装置200与第一实施例中的还原炉控制装置100基本相同，所述还原炉控制装置200包括采样模块110、预测模块120、判断模块130、系数模块140、选择模块150、修正模块160 及输出模块170。 

所述采样模块110用于按照预设的采样周期获取当前通过所述硅棒的当前温度、所述硅棒上施加的当前电流值、一个目标温度值及所述硅棒上电流的当前电流的波动值。所述采样模块110利用所述步骤401相同的方法获取上述各参数。 

所述预测模块120根据获取所述当前温度值、当前电流值及目标温度值，通过预设的电流预测公式计算出从所述当前温度值至所述目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值，所述电流预测公式为：y(k+i)＝y(k)+[w-y(k)](1-e^-T/τ)。本实施例中，所述预测模块120采用所述步骤403的方法计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值。 

所述判断模块130用于判断当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值是否不同。本实施例中，所述判断模块130采用所述步骤405的方法判断当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值是否相同。 

所述系数模块140用于当当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值不同时，获取所述当前电流的波动值所对应的预设波动区间，通过预设的系数预测公式计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的电流修正系数。所述系数预测公式为： 

$K(k+i)=\frac{y\left(k\right)}{y\left(k\right)+[w-y\left(k\right)](1-e^{-T/\mathrm{\τ}2})}.$

本实施例中，所述系数模块140采用所述步骤407的方法计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的电流修正系数。 

所述系数模块140还包括一个调节模块141，所述调节模块141用于当当前电流的波动值小于所述预设的波动阈值时，将所述电流修正系数设置为所述预设的阈值系数。 

所述选择模块150用于当当前电流的波动值与前一个采样周期的电流的波动值相同时，获取前一个采样周期计算出的多个采样周期的电流修正系数。 

所述修正模块160用于将各采样周期的所述预测电流值乘以所述电流修正系数获得各采样周期修正后的预测电流值。本实施例中，所述修正模块160采用步骤411的方法获得各采样周期修正后的预测电流值。 

所述输出模块170用于按照所述修正后的预测电流值向所述硅棒输出从所述当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流。本实施例中，当到达相应的采样周期后，所述输出模块170采用所述步骤413的方法在所述硅棒上施加修正后的电流。 

本实用新型提供的还原炉控制装置能够不断的根据当前电流值及目标温度 值预测未来多个时刻的电流值，实现电流值的动态调整，从而能够保证在整个生产过程的稳定。同时由于向所述硅棒输出的电流值始终是不断根据当前状态自动动态调整的，所以对温度调节过程中随机突变的各种复杂不确定因素有非常好的适应性。减少硅棒生产过程中途裂棒、倒棒、停炉的几率。 

另外，由于根据电流波动不断对预测的电流值进行修正，从而能够有效控制电流波动。保证输入反应电流的稳定性。 

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。 

Claims (1)

1.一种还原炉控制装置，该装置用于控制还原炉中加热硅棒的电流值，所述还原炉控制装置包括：

采样模块，所述采样模块包括红外线测温仪、电流检测装置及输入装置，所述红外线测温仪按照预设的采样周期获取所述硅棒的当前温度，所述电流检测装置按照预设的采样周期获取所述硅棒上施加的当前电流值，所述输入装置设定一个目标温度值；

预测模块，与所述红外线测温仪、电流检测装置及输入装置电连接，所述预测模块获取所述当前温度值、当前电流值及目标温度值，通过预设的电流预测公式计算出从所述当前温度值至目标温度值之间的多个采样周期的预测电流值；

输出模块，与所述预测模块电连接，所述输出模块获取所述预测电流值，并向所述硅棒输出从所述当前温度值至目标温度值之间各个采样周期的电流；

所述电流预测公式为：

y(k+i)＝y(k)+[w-y(k)](1-e^-T/τ)，其中，

y(k+i)为从所述当前温度值至目标温度值之间第i个采样周期向所述硅棒输出的电流值，i为自然数；

y(k)为当前电流值；

w为所述目标温度值对应的预设系数，当当前温度值小于目标温度值时，所述w的值等于y(k)+Δ，当当前温度值等于目标温度值时，所述w等于y(k)，当当前温度值大于目标温度值时，所述w等于y(k)-Δ，Δ大于零；

T为采样周期；

τ为第一参考轨迹时间常数，当当前温度值越低，τ取值越小。 

Images