DE60004855T2 - Verfahren und vorrichtung für einen proportional-integral-regler mit variabler verstärkung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals unter Verwendung eines PI-Reglers mit variabler Verstärkung, wobei das besagte Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • – Multiplikation eines Fehlersignals mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Proportionalsignals;
    • – Durchführen einer Integralfunktion einschließlich eines integralen Verstärkungsfaktors auf besagtem Fehlersignal zum Erzeugen eines Integralsignals, wobei der besagte integrale Verstärkungsfaktor eine Funktion eines Sollwertsignals ist.
  • Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen PI-Regler mit variabler Verstärkung, der folgendes umfasst:
    • – eine Proportionalfunktion zur Gewichtung eines Fehlersignals mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Proportionalsignals;
    • – eine Integralfunktion, die einen integralen Verstärkungsfaktor einschließt, zum Erzeugen eines Integralsignals, wobei besagter integraler Verstärkungsfaktor eine Funktion eines Sollwertsignals ist.
  • Solch ein Verfahren und ein solcher PI-Regler mit variabler Verstärkung sind aus der EP 0 732 636 A bekannt.
  • Zusätzlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Massendurchflussregler zur Regelung des Durchflusses einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Fertigungsprozess, wobei der besagte Massendurchflussregler folgendes umfasst:
    • – einen PI-Regler mit variabler Verstärkung, der ein Fehlersignal zwischen einem Sollwertsignal und besagtem Rückkopplungssignal in besagtes Ventilsteuersignal umwandelt, wobei der besagte PI-Regler mit variabler Verstärkung folgendes umfasst: eine Proportionalfunktion zur Gewichtung eines Fehlersignals mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Proportionalsignals; eine Integralfunktion zur Erzeugung eines gewichteten Integrals des besagten Fehlersignals mit einem integralen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Integralsignals, wobei besagter integraler Verstärkungsfaktor eine Funktion eines Sollwertsignals ist.
  • Das Dokument EP 0 732 636 A offenbart einen PI-Regler mit variabler Verstärkung für die Verwendung in einem Lichtbogenofen, der eine Proportionalfunktion zur Gewichtung eines Fehlersignals mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zur Erzeugung eines Proportionalsignals und einer Integralfunktion, die einen integralen Verstärkurgsfaktor zur Erzeugung eines Integralsignals einschließt, wobei das besagte Integralsignal in Abhängigkeit von einem Sollwertsignal variabel ist.
  • Weiterer Stand der Technik ist aus dem Dokument EP 0 281 849 A bekannt. In diesem Dokument wird eine Steuereinrichtung zur Verwendung in einem Getriebekupplungs-Steuersystem beschrieben, bei der ein Schleifenverstärkungs-Abgleichfaktor, der gleich einer ersten Verstärkungsfunktion ist für ein normiertes Sollwertsignal, das kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist, und gleich einer zweiten Verstärkungsfunktion für ein normiertes Sollwertsignal, das größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Proportional-Integral-Regler-System und -Verfahren und insbesondere einen Proportional-Integral-Regler-Verfahren zur Verwendung in einem Massendurchflussregler.
  • Viele Fertigungsprozesse erfordern, dass die Einbringungsrate von Prozessgasen in die Prozesskammer streng kontrolliert wird. Bei dieser Art von Prozessen werden Massendurchflussregler (MFC = mass flow controller) zur Steuerung der Flussmengen von Gasen eingesetzt. Ein Massendurchflussregler ist eine Einrichtung mit geschlossener Regelschleife, die den Fluss der Gasmenge in eine Prozesskammer bestimmt, misst und steuert.
  • Halbleiteranwendungen waren und sind immer noch die Antriebskraft der Produktentwicklung auf dem Gebiet der Massendurchflussreglertechnologie. Nichtsdestoweniger ist Massendurchflussregelung auch in anderen Industrien, wie der pharmazeutischen Industrie und der Nahrungsmittelindustrie nützlich.
  • Ein thermischer Massendurchflussregler besteht aus einer Fronthälfte, die einen Durchflusssensor aufweist und einer Rückhälfte, die ein Steuerventil umfasst. Der Durchflusssensor besteht oft aus Zwillings- Widerstandstemperatursensoren, die um eine Kapillarröhre gewunden sind. Wenn Gas durch den Sensor fließt, wird Wärmeenergie stromabwärts transportiert und die Temperaturdifferenz ist proportional der Mengendurchflussrate des Gases. Die Temperaturdifferenz erzeugt differentielle Widerstandsänderungen in den Sensorelementen. Das Steuerventil empfängt von den Durchflusssensoren über die Elektronik ein Signal, um den Gasfluss zu steuern. Magnetgesteuerte Ventile werden wegen ihrer Einfachheit, ihres schnellen Ansprechverhaltens, ihrer Robustheit und niedrigen Kosten oft als Steuerventile eingesetzt.
  • Traditionell werden Rückkopplungsregelverfahren oft eingesetzt, um den Gasfluss in einem Massendurchflussregler zu kontrollieren. In einem Massendurchflussregler umfasst das System einen Sollwert, der die gewünschte Gasdurchflussmenge im Massendurchflussregler repräsentiert, einen Sensor, der die tatsächliche Gasdurchflussrate im Massendurchflussregler erfasst, eine Steuerung und ein Stellglied. Die Steuerung besteht aus einer elektronischen Schaltung, die die Handlungen des Stellglieds steuert. Im Falle eines Massendurchflussreglers kann das Stellglied ein Magnetventil sein, das die Mengendurchflussrate eines Gases in eine Prozesskammer direkt steuert. Die elektronische Schaltung in der Steuerung kann auf Grund eines Fehlersignals ein Steuersignal (Ventilsteuersignal) erzeugen. Das Fehlersignal ist die Differenz zwischen dem Sollwertsignal und einem Rückkopplungssignal. im Falle eines Masserdurchflussreglers ist das Sollwertsignal eine Funktion der gewünschten Durchflussrate und das Rückkopplungssignal ist eine Funktion der tatsächlichen Durchflussrate.
  • Proportionalregelung, Integralregelung und Differentialregelung sind häufig angewendete Rückkopplungsregelungsarten. Bei Proportionalregelung ist das Steuersignal proportional zu einem Fehlersignal. Die Regelverstärkung kann eingestellt werden, um das Steuersignal empfindlich für kleine Abweichungen zwischen dem Sollwertsignal und dem Rückkopplungssignal zu machen. Die Auslegung der Regelverstärkung kann auch so gewählt werden, dass mit zunehmender oder abnehmender Abweichung zwischen Sollwertsignal und Rückkopplungssignal das Steuersignal zunimmt oder abnimmt. Ein charakteristischer Nachteil einer reinen Proportionalregelung ist der, dass sie nicht in der Lage ist, statische Fehler zu eliminieren.
  • Integralregelung wird häufig deshalb angewandt, weil sie den Vorteil aufweist, dass sie eine Restfehlerbeseitigung aufweist. Bei der Integralregelung ist das Steuersignal abhängig vom Integral des Fehlersignals über die Zeit. Bei einem statischen Betrieb des Systems wird, falls die Regelabweichung konstant ist, das Integral des Fehlersignals sich mit der Zeit ändern und eine Tätigkeit des Stellglieds veranlassen, was schließlich dazu führt, dass der Fehler gegen null geht. Integralregelung wird jedoch nicht oft allein eingesetzt, weil wenig Aktion des Stellglieds auftritt, bis ein Fehlersignal für einige Zeit angestanden hat. Proportionalregelung hingegen verstärkt das Fehlersignal sofort. Deshalb wird Integralregelung oft in Verbindung mit Proportionalregelung angewendet in sogenannten Proportional-Integralreglern (PI-Reglern), um das Ventilsteuersignal (Steuersignal) zu erzeugen.
  • Differentialregelung wird eingesetzt, um das Verhalten des Fehlersignals vorab zu erkennen. Bei Differentialregelung hängt das Steuersignal von der Änderungsrate des Fehlersignals ab. Differentialregelung dient auch dazu, die Zeit zu reduzieren, die das System braucht, um einen statischen Zustand zu erreichen. Differentialregelung wird in Verbindung mit entweder Proportionalregelung oder Proportional-Integralregelung angewendet.
  • Ein ständiges Problem von Massendurchflussreglern ist, dass die Magnetventilaktion keine lineare Funktion des Ventilsteuersignals (Steuersignal) ist. Das Verhältnis zwischen dem Ventilsteuersignal und dem tatsächlichen Durchfluss durch den Massendurchflussregler mit Magnetventil weist eine Hysterese auf. 1 ist eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen Ventilsteuersignal und dem tatsächlichen Durchfluss durch den Massendurchflussregler. Die Verstärkung des Ventils steigt mit dem Durchfluss. Das Ventilsteuersignal ist entlang der x-Achse aufgetragen und der tatsächliche Durchfluss durch den Massendurchflussregler ist entlang der y-Achse aufgetragen. Mit zunehmendem Ventilsteuersignal beginnt der tatsächliche Durchfluss durch den Massendurchflussregler nicht, bis das Ventilsteuersignal den Wert X3 erreicht hat. Die Zeit, die das Ventilsteuersignal braucht, um X3 zu erreichen, wird als Totzeit bezeichnet. Nachdem das Ventilsteuersignal den Wert X3 erreicht hat, beginnt der tatsächliche Durchfluss in proportionaler (aber nicht linearer) Abhängigkeit als Funktion des Ventilsteuersignals zu steigen. Nachdem das Ventilsteuersignal einen maximalen Wert X4 erreicht hat, führt ein Reduzieren des Ventilsteuersignals nicht sofort zu einer Reduzierung des tatsächlichen Durchflusses durch den Massendurchflussregler. Das Ventilsteuersignal muss auf einen Wert X2 reduziert werden, bis eine Reduzierung des tatsächlichen Durchflusses durch den Massendurchflussregler beginnt, in proportionaler (aber nicht linearer) Abhängigkeit als Funktion des Ventilsteuersignals zu sinken. Nachdem das Ventilsteuersignal den Wert X1 erreicht hat, kann der tatsächliche Durchfluss aufhören. Aus l ist ersichtlich, dass, wenn das Ventilsteuersignal schwach ist, die Reaktion des Ventils vernachlässigbar ist, aber wenn das Ventilsteuersignal einen bestimmten "Schwellwert" X3 überschreitet die Reaktion des Ventils deutlich zunimmt. Die Verstärkung des Ventils steigt mit dem Durchfluss. Diese Art nichtlinearer Charakteristik der Magnetventile ist extrem schwierig zu beherrschen und kann nicht völlig kompensiert werden.
  • Daraus ergibt sich schließlich die Notwendigkeit einer, Kompensation des nichtlinearen Verhaltens des tatsächlichen Durchflusses durch den Massendurchflussregler durch das nichtlineare Verhältnis zwischen Ventilsteuersignal und dem tatsächlichen Durchfluss durch Magnetventile.
  • Demzufolge ist es eine Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Erzeugen eines Ventilsteuersignals anzugeben, das die Nachteile und Probleme der bisher vorgestellten Systeme und Verfahren zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals im wesentlichen vermeidet oder reduziert.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch das zu Anfang erwähnte Verfahren, bei dem ein PI-Regler mit variabler Verstärkung in einem Massendurchflussregler verwendet wird, bei dem der integrale Verstärkungsfaktor gleich einer ersten Verstärkungsfunktion für ein normiertes Sollwertsignal abzüglich eines vorbestimmten Prozentsatzes eines maximalen normierten Sollwertsignals ist und eine zweite Verstärkungsfunktion für das normierte Sollwertsignal größer als ein vorbestimmter Prozentsatz des maximalen normierten Sollwertsignals ist und das Integralsignal und das Proportionalsignal addiert werden, um das Ventilsteuersignal zu bilden.
  • Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch den zu Anfang erwähnten PI-Regler, bei dem der integrale Verstärkungsfaktor gleich einer ersten Verstärkungsfunktion für ein normiertes Sollwertsignal abzüglich eines vorbestimmten Prozentsatzes eines maximalen normierten Sollwertsignals ist und eine zweite Verstärkungsfunktion für das normierte Sollwertsignal größer als ein vorbestimmter Prozentsatz des maximalen normierten Sollwertsignals ist und einen Addierer, in dem das Integralsignal und das Proportionalsignal addiert werden, um das Ventilsteuersignal zu bilden.
  • Daneben wird diese Aufgabe gelöst durch den zu Anfang erwähnten Massendurchflussregler, bei dem der integrale Verstärkungsfaktor gleich einer ersten Verstärkungsfunktion für ein normiertes Sollwertsignal abzüglich eines vorbestimmten Prozentsatzes eines maximalen normierten Sollwertsignals ist und eine zweite Verstärkungsfunktion für das normierte Sollwertsignal größer als ein vorbestimmter Prozentsatz des maximalen normierten Sollwertsignals ist und eine Ventilsteuerschaltung zur Ansteuerung eines Magnetventils, das eine tatsächliche Durchflussrate einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Fertigungsprozess steuert, einem Durchflusssensor, der die tatsächliche Durchflussrate der Substanz misst und ein erfasstes Durchflussratensignal abgibt, einem Differentialregler zur Umsetzung des erfassten Durchflussratensignals in ein Rückkopplungssignal, das die tatsächliche Durchflussrate besser abbildet als das erfasste Durchflussratensignal und einen Addierer, in dem das Proportionalsignal und das Integralsignal addiert werden, um ein Ventilsteuersignal zu bilden, das in die Ventilsteuerschaltung eingegeben wird.
  • Im allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals zur Verfügung, bei dem die Nachteile und Probleme der bisher vorgestellten Systeme und Verfahren zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals im wesentlichen vermieden oder reduziert werden.
  • Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein System und ein Verfahren zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals unter Verwendung eines PI-Reglers mit variabler Verstärkung in einem Massendurchflussregler zur Verfügung. Das Verfahren umfasst die Multiplikation eines Fehlersignals mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zur Erzeugung eines Proportionalsignals. Das Verfahren umfasst auch die Anwendung einer Integralfunktion bei dem Fehlersignal. Die Integralfunktion umfasst einen integralen Verstärkungsfaktor, der als die veränderliche Verstärkung im PI-Regler wirkt. Bei Sollwertsignalen unterhalb eines vorbestimmten normierten Prozentsatzes p des maximalen Sollwerts ist der integrale Verstärkungsfaktor gleich
    Figure 00090001
    ist, wobei A eine erste Verstärkungskonstante ist, B eine zweite Verstärkungskonstante ist und max (x) der Maximalwert des normierten Sollwertsignals. Andernfalls ist der integrale Verstärkungsfaktor gleich
    Figure 00100001
    wobei A eine erste Verstärkungskonstante ist, B eine zweite Verstärkungskonstante ist und x das normierte Sollwertsignal. Die Anwendung der Integralfunktion erzeugt ein Integralsignal. Schließlich werden das Integralsignal und das Proportionalsignal addiert, um das Ventilsteuersignal zu bilden. Das Fehlersignal ist eine Funktion der Differenz zwischen einem Sollwertsignal und einem Rückkopplungssignal. Das Sollwertsignal ist eine Funktion einer gewünschten Durchflussrate im Massendurchflussregler, während das Rückkopplungssignal eine Funktion der tatsächlichen Durchflussrate durch den Massedurchflussregler ist.
  • Die vorliegende Erfindung vermittelt einen wichtigen technischen Vorteil deshalb, weil sie ermöglicht, dass der integrale Verstärkungsfaktor im PI-Regler variabel ist. Der integrale Verstärkungsfaktor ist eine Funktion des Sollwertsignals. Somit kann bei einem niedrigen Sollwertsignal die Auswirkung der niedrigen Ventilverstärkung durch eine höhere Integralverstärkung kompensiert werden. Diese Anordnung erhält die gleiche Schleifenverstärkung des Rückkopplungsregelsystems unabhängig vom Arbeitspunkt aufrecht und ermöglicht gleichbleibendes Ansprechverhalten des Systems in Bezug auf Ansprechgeschwindigkeits- und Störunterdrückungseigenschaften, wobei verzögerte Sprungantwort und kriechende Erholung von Eingangsdruckstörungen beim Betrieb bei niedrigen Sollwerten (oder Arbeitspunkten) wirksam vermieden werden.
  • Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, dass die Totzeit, die mit der Verwendung des Ventils im Massendurchflussregler verbunden ist, reduziert wird, was erlaubt, dass das Ventilsteuersignal mit der gleichen Wirksamkeit durch die Totzeit ansteigt, unabhängig davon, ob der Massendurchflussregler auf 100 des maximalen Durchflusses aufregelt oder auf 5% des maximalen Durchflusses.
  • Die vorliegende Erfindung und deren Vorteile werden durch die folgende Beschreibung erläutert mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen, und in denen:
  • 1 die nichtlineare Beziehung zwischen dem Ventilsteuersignal und dem Durchfluss durch das Ventil zeigt.
  • 2 ist ein Blockschaltbild eines variablen PI–Reglers.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
  • 4 zeigt graphisch die Beziehung zwischen integralem Verstärkungsfaktor und Sollwertsignal.
  • In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt, in den verschiedenen Zeichnungen werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder entsprechende Elemente zu kennzeichnen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein System und ein Verfahren zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals unter Verwendung eines PI-Reglers mit variabler Verstärkung in einem Massendurchflussregler zur Verfügung. Das Verfahren umfasst das Eingeben eines Fehlersignals in einen PI-Regler mit variabler Verstärkung, der das Ventilsteuersignal ausgibt. Der integrale Verstärkungsfaktor des PI–Reglers mit variabler Verstärkung ist eine Funktion des Sollwerts. Das Fehlersignal ist eine Funktion der Differenz zwischen dem Sollwertsignal und einem Rückkopplungssignal. Das Sollwertsignal ist eine Funktion der gewünschten Durchflussrate im Massendurchflussregler, während das Rückkopplungssignal eine Funktion der tatsächlichen Durchflussrate des Massendurchflussreglers ist.
  • 2 ist ein Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 2 umfasst der PI-Regler 10 mit variabler Verstärkung. eine Proportionalverstärkerstufe 14, eine Integralverstärkerstufe 16, Integrator 18 und eine Addierstufe 24. Das Fehlersignal 12 wird in der Proportionalverstärkerstufe 14 mit dem proportionalen Verstärkungsfaktor Kp multipliziert, um das Proportionalsignal 20 zu erhalten. Das Fehlersignal 12 wird in der Integralverstärkerstufe 16 auch mit dem integralen Verstärkungsfaktor KI multipliziert und an den Integrator 18 weitergegeben, um das Intergralsignal 22 zu erzeugen. Die Reihenfolge von Integralverstärkerstufe 16 und Integrator 18 kann vertauscht werden, ohne das Integralsignal 22 zu verändern. In der Addierstufe 24 können das Integralsignal 22 und das Proportionalsignal 20 kombiniert werden, um das Steuersignal 26 zu erzeugen. Sowohl der integrale Verstärkungsfaktor KI als auch das Fehlersignal 12 sind Funktionen eines gewünschten Sollwerts.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem der PI-Regler 10 mit variabler Verstärkung in einem Massendurchflussregler 28 verwendet wird. In der
  • 3 kann das Sollwertsignal 30 mit dem Rückkopplungssignal 32 an einer Addierstufe 34 verglichen werden, um das Fehlersignal 12 zu erzeugen. Das Fehlersignal 12 kann in den PI-Regler 10 eingegeben werden. Der PI-Regler 10 umfasst eine Proportionalverstärkerstufe 14, eine Integralverstärkerstufe 16, einen Integrator 18 und eine Addierstufe 24. Das Fehlersignal 12 wird in der Proportionalverstärkerstufe 14 mit dem proportionalen Verstärkungsfaktor KP multipliziert, um das Proportionalsignal 20 zu erhalten. Das Fehlersignal 12 wird in der Integralverstärkerstufe 16 auch mit dem integralen Verstärkungsfaktor KI multipliziert und an den Integrator 18 weitergegeben, um das Integralsignal 22 zu erzeugen. In der Addierstufe 24 werden das Integralsignal 22 und das Proportionalsignal 20 kombiniert, um das Steuersignal 26 zu erzeugen. Das Steuersignal 26 wird zur Steuerung der Ventilantriebsschaltung 38 mit Ventil 40 verwendet, Das Ventil 40 produziert eine tatsächliche Durchflussrate 42 im Massendurchflussregler 28. Die tatsächliche Durchflussrate 42 wird mit dem Durchflusssensor 44 gemessen. Der Durchflusssensor 44 gibt ein erfasstes Durchflussratensignal 46 aus. Das erfasste Durchflussratensignal 46 wird in den Differentialrechner 48 eingegeben. Der Differentialrechner 48 produziert ein Rückkopplungssignal 32.
  • Der Proportionalverstärkungsfaktor Kp wird auf einen festen Wert eingestellt. Dieser Wert kann empirisch ermittelt werden, so dass das Ausgangssignal (Steuersignal 26) die gewünschte Antwort auf einen Sollwertsignal 30 Eingangssprung darstellt.
  • Der integrale Verstärkungsfaktor KI bei der Integralverstärkerstufe 16 ist eine Funktion des Sollwertsignals 30. Die Integralverstärkerstufe 16 ist so ausgelegt, dass die Ansprechverzögerung des Ventils bei niedrigen Sollwertsignalen 30 kompensiert wird.
  • 4 ist eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen integralem Verstärkungsfaktor KI und Sollwertsignal 30. Das Sollwertsignal (normiert) ist entlang der x-Achse aufgetragen, während der integralem Verstärkungsfaktor KI entlang der y-Achse aufgetragen ist. Das Verhältnis zwischen integralem Verstärkungsfaktor KI und Sollwertsignal 30 ist durch
    Figure 00140001
    gegeben, wobei x das normierte Sollwertsignal 30 ist, max(x) ein Maximalwert (max(x)=1) des Sollwertsignals 30 ist, A eine erste Konstante ist und B eine zweite Konstante ist. Anmerkung: Für Sollwertsignale unter 10% des Maximalwerts des Sollwertsignals 30 ist der integrale Verstärkungsfaktor KI begrenzt, um zu verhindern, dass der integrale Verstärkungsfaktor KI ins Unendliche zunimmt.
  • Die zweite Konstante B wird durch Beobachtung ermittelt, um die optimale Reaktion des Ventils 40 bei einem 0 → 100 Sprung des Sollwertsignals 30 zu erhalten. Zur Ermittlung der zweiten Konstante B wird ein Eingangsspannungssprung von 0 100% des maximalen Sollwertsignals angelegt. Das Ventilsteuersignal 26 kann mit Hilfe einer Datenakquisitionssoftware beurteilt werden. Die zweite Konstante B wird als Softwarevariable so eingestellt, dass sich bei dem Eingangsspannungssprung von 0 → 100% die gewünschte Reaktion einstellt. Mit dieser Einstellung allein kann die Reaktion des Ventils 40 bei niedrigen Werten des Sollwertsignals 30 zu langsam sein. Deshalb wird die erste Konstante A durch das gleiche Beobachtungsverfahren justiert, um die gleiche Qualität der Sprungantwort auch bei niedrigen Werten des Sollwertsignals 30 (0 → 10%) zu erhalten. Damit wird die korrekte Reaktion gleichmäßig bei allen angeforderten Sollwertsignalen 30 erreicht.
  • Sowohl der PI-Regler 10 als auch der Differentialrechner 48 können digital ausgeführt werden, wobei verschiedene Gleichungen in einem digitalen Signalprozessor (DSP = digital Signal processor) abgearbeitet werden. Wenn das Sollwertsignal 30 oder das erfasste Durchflussratensignal 46 Analogsignale sind, können diese Signale leicht in digitale Signale umgewandelt werden, indem vor der Eingabe des Sollwertsignals 30 in den PI-Regler oder des erfassten Durchflussratensignals 46 in den Differentialrechner 48 eine A/D-Wandlung durchgeführt wird. A/D-Wandler können extern oder intern in der DSP-Einrichtung angeordnet sein. Bei der Verwendung einer Lösung mit DSP sind das Fehlersignal 12, das Ventilsteuersignal 36 und das Rückkopplungssignal 32 digitale Signale.
  • Die DSP-Einrichtung kann auch so eingerichtet sein, dass sie mit einem Computer, wie z.B. einem PC (personal Computer) kommuniziert. Der Computer kann die DSP-Einrichtung bei umfangreichen mathematischen Berechnungen unterstützen. Der Computer kann über eine Verbindung zwischen Computer und DSP-Einrichtung die Ergebnisse der Berechnungen an die DSP-Einrichtung übertragen. Die DSP-Einrichtung kann zur Speicherung der vom Computer übertragenen Ergebnisse eine Speichereinrichtung, wie z.B. ein EEPROM aufweisen oder eine Schnittstelle dafür haben.
  • Der Differentialrechner 48 kann realisiert werden durch eine Standardlösung für das Bilden der ersten Ableitung, diese sind dem Fachmann geläufig. Alternativ dazu kann zur Erzielung einer besseren Annäherung der tatsächlichen Durchflussrate 42 und zur Kompensation der durch den Durchflusssensor eingebrachten Verzögerung der Differentialrechner 48 auch durch Anwendung des Verfahrens aufgebaut werden, das beschrieben wird in der US Patentanmeldung Serial No. 09/351,120, angemeldet am 9. Juli 1999 für E. Vyers et al. mit dem Titel "A System and Method For A Digital Mass Flow Controller".
  • Die DSP-Einrichtung kann auch die Linearisierung des erfassten Durchflusssignals 46 durchführen, bevor es in den Differentialrechner 48 eingegeben wird. Für die Linearisierung bestehen viele Verfahren wie "Least Squares" und andere Regressionstechniken. Es wird auch hingewiesen auf das Verfahren, das in der US Patentanmeldung Serial No. 09/350,747 angemeldet am 9. Juli 1999 für T.I. Pattantyus und F. Tarik mit dem Titel "Method and System for Sensor Response Linearization", beschrieben wird.
  • Der Sensor 44 kann aus zwei Widerstands-Temperatursensoren bestehen, die um eine Kapillarröhre gewunden sind. Die zwei Widerstands-Temperatursensoren können an eine Interfaceschaltung gekoppelt sein, die das von den zwei Widerstands-Temperatursensoren abgegebene Signal aufbereitet. Es wird besonders hingewiesen auf die Interfaceschaltung, die beschrieben wird in der US Patentanmeldung Serial No. 09/350,746 angemeldet am 9. Juli 1999 für T.I. Pattantyus und andere mit dem Titel "Improved Mass Flow Sensor Interface Circuit".
  • Das Ventil 40 kann ein Magnetventil sein. Es gibt viele Schaltungsauslegungen, die als Ventilsteuerschaltung 38 anwendbar sind. Diese Anordnungen können ein Ventilsteuersignal in einen Strom für eine Magnetspule umsetzen, die das Ventil 40 antreibt. Das Ventilsteuersignal 26 kann ein digitales Signal sein. Die meisten Schaltungen, die als Ventilsteuerschaltung 38 geeignet sind, umfassen ein Steuerelement, wie einen Transistor. Das Steuerelement schaltet kontinuierlich eine Spannung an die Magnetspule. Das Schalten ist eine Funktion des Ventilsteuersignals 26. Es kann auch ein mittlerer Spulenstrom in der Magnetspule erzeugt werden als Funktion der Schaltrate der Spannung über der Spule. Der Spulenstrom aktiviert das Ventil 40. Es wird besonders hingewiesen auf die Ventilsteuerschaltung, die beschrieben wird in der US Patentanmeldung Serial No. 09/351,111 angemeldet am 9. Juli 1999 für T.I. Pattantyus mit dem Titel "Method and System for Driving a Solenoid".
  • Bei Massendurchflussreglern kann ein Algorithmus zur Steuerung der geschlossenen Schleife angewendet werden. Hier wird Bezug genommen auf den fortschrittlichen digitalen Steueralgorithmus, der US Patentanmeldung Serial No. 09/350,744 angemeldet am 9. Juli 1999 für K. Tinsley mit dem Titel "System and Method of Operation of a Digital Mass Flow Controller".
  • Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung in einem Massendurchflussregler beschränkt ist, einschließlich der oben erwähnten Elemente und Verfahren.
  • Die vorliegende Erfindung bietet einen wichtigen technischen Vorteil deshalb, weil sie ermöglicht, dass der integrale Verstärkungsfaktor KI im PI-Regler 10 variabel sein kann. Der integrale Verstärkungsfaktor KI ist eine Funktion des Sollwertsignals 30. Damit kann für niedrige Sollwertsignale 30 die Reaktion des Systems beschleunigt werden.
  • Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der, dass die mit dem Ventil 40 verbundene Totzeit reduziert wird. Die Totzeit des Ventils 40 wird gleich wirksam reduziert, unabhängig davon, ob der Massendurchflussregler 28 auf 100 des maximalen Durchflusses aufgesteuert wird oder auf 5% des maximalen Durchflusses durch den Regler.
  • Ein zusätzlicher technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Reaktionsgeschwindigkeit des Ventils 40 stets gleich ist, unabhängig von der Größe der Änderung des Sollwertsignals 30. Mit anderen Worten, das Ventil 40 reagiert mit der gleichen Geschwindigkeit, wenn das Sollwertsignal 30 auf 100 des maximalen Durchflusses durch den Massendurchflussregler 28 gesetzt wird oder auf 5% des maximalen Durchflusses durch den Massendurchflussregler 28. Durch die Verwendung einer variablen Verstärkung als integraler Verstärkungsfaktor KI hat das Ventil 40 eine gleichbleibende Reaktionsgeschwindigkeit. Der integrale Verstärkungsfaktor KI kompensiert das mit dem Ventil 40 verbundene nichtlineare Verhalten.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine gleichbleibende Störunterdrückung (Eingangsdruckstörungen). Die Gesamtverstärkung der geschlossenen Regelschleife des PI-Reglers 10 ist konstant.
  • Ein weiterer technischer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Totzeit des Ventils 40 reduziert wird. Durch die Veränderbarkeit des integralen Verstärkungsfaktors KI ist die Totzeit des Ventils 40 durch Erhöhen der Verstärkung und Beschleunigung der Reaktion des Ventils 40 reduziert.

Claims (21)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals (26) unter Verwendung eines PI-Reglers (10) mit variabler Verstärkung in einem Massendurchflussregler, wobei das besagte Verfahren folgende Schritte umfasst: – Multiplikation eines Fehlersignals (12) mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Proportionalsignals (20); – Durchführen einer Integralfunktion einschließlich eines integralen Verstärkungsfaktors auf besagtem Fehlersignal (12) zum Erzeugen eines Integralsignals (22), wobei der besagte integrale Verstärkungsfaktor eine Funktion eines Sollwertsignals (30) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung in einem Massendurchflussregler (28) verwendet wird, wobei der besagte integrale Verstärkungsfaktor gleich ist: – einer ersten Verstärkungsfunktion für ein normiertes Sollwertsignal (30) abzüglich eines vorbestimmten Prozentsatzes eines normierten höchsten Sollwertsignals (30); – einer zweiten Verstärkungsfunktion für besagtes normierte Sollwertsignal (30), größer als ein vorbestimmter Prozentsatz eines normierten höchsten Sollwertsignals (30); – und Addition des besagten Integralsignals (22) und des besagten Proportionalsignals (20) zur Erzeugung des besagten Ventilsteuersignals (26).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte vorbestimmte Prozentsatz 10% ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die besagte erste
    Figure 00210001
    Verstärkungsfunktion gleich ist, wobei A eine erste Verstärkungskonstante ist und B eine zweite Verstärkungskonstante.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die besagte zweite
    Figure 00210002
    Verstärkungsfunktion gleich ist, wobei A die besagte erste Verstärkungskonstante ist, B die besagte zweite Verstärkungskonstante und x das besagte normierte Sollwertsignal.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei besagte zweite Verstärkungskonstante empirisch ermittelt wird, um eine gewünschte Reaktion auf einen Eingangsspannungssprung beim besagten PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung von 0% auf 100 des besagten normierten höchsten Sollwertsignals (30) zu erzielen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei besagte erste Verstärkungskonstante empirisch ermittelt wird, um eine gewünschte Reaktion auf einen Eingangsspannungssprung beim besagten PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung von 0% auf 10% des besagten normierten höchsten Sollwertsignals (30) zu erzielen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei besagtes Fehlersignal (12) eine Differenz ist zwischen einem Sollwertsignal (30), das eine Funktion eines gewünschten Durchflussratensignals in besagtem Massendurchflussregler (28) ist und einem Rückkopplungssignal (32), das eine Funktion eines tatsächlichen Durchflussratensignals (42) durch besagten Massendurchflussregler (28) ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei besagtes Sollwertsignal (30) und besagtes Rückkopplungssignal (32) digitale Signale sind.
  9. PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung in einem Massendurchflussregler, umfassend: – eine Proportionalfunktion zur Gewichtung eines Fehlersignals (12) mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Proportionalsignals (20); – eine Integralfunktion, die einen integralen Verstärkungsfaktor einschließt, zum Erzeugen eines Integralsignals (22), wobei besagter integraler Verstärkungsfaktor eine Funktion eines Sollwertsignals (30) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte integrale Verstärkungsfaktor gleich ist: – einer ersten Verstärkungsfunktion für ein normiertes Sollwertsignal (30) abzüglich eines vorbestimmten Prozentsatzes eines normierten höchsten Sollwertsignals (30); – einer zweiten Verstärkungsfunktion für besagtes normierte Sollwertsignal (30), größer als ein vorbestimmter Prozentsatz eines normierten höchsten Sollwertsignals (30); und – einem Summierer (24) zur Addition des besagten Proportionalsignals (20) und des besagten Integralsignals (22) zur Erzeugung des besagten Ventilsteuersignals (26).
  10. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei besagter vorbestimmter Prozentsatz 10% ist.
  11. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei die besagte erste
    Figure 00230001
    Verstärkungsfunktion gleich ist, wobei A eine erste Verstärkungskonstante ist und B eine zweite Verstärkungskonstante.
  12. Einrichtung nach Anspruch 11, wobei die besagte zweite
    Figure 00230002
    Verstärkungsfunktion gleich ist, wobei A die besagte erste Verstärkungskonstante ist, B die besagte zweite Verstärkungskonstante und x das besagte normierte Sollwertsignal.
  13. Einrichtung nach Anspruch 12, wobei besagte zweite Verstärkungskonstante empirisch ermittelt wird, um eine gewünschte Reaktion auf einen Eingangsspannungssprung beim besagten PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung von 0% auf 100 des besagten normierten höchsten Sollwertsignals (30) zu erzielen.
  14. Einrichtung nach Anspruch 13, wobei besagte erste Verstärkungskonstante empirisch ermittelt wird, um eine gewünschte Reaktion auf einen Eingangsspannungssprung beim besagten PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung von 0% auf 10% des besagten normierten höchsten Sollwertsignals (30) zu erzielen.
  15. Einrichtung nach Anspruch 9, wobei besagtes Fehlersignal (12) eine Differenz ist zwischen einem Sollwertsignal (30), das eine Funktion eines gewünschten Durchflussratensignals in einem Massendurchflussregler (28) ist und einem Rückkopplungssignal (32), das eine Funktion eines tatsächlichen Durchflussratensignals (42) durch besagten Massendurchflussregler (28) ist.
  16. Einrichtung nach Anspruch 15, wobei besagtes Sollwertsignal (30) und besagtes Rückkopplungssignal (32) digitale Signale sind.
  17. Massendurchflussregler (28) zur Regelung des Durchflusses einer Flüssigkeit oder eines Gases in einem Fertigungsprozess, wobei der besagte Massendurchflussregler (28), folgendes umfasst: – einen PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung, der ein Fehlersignal (12) zwischen einem Sollwertsignal (30) und besagtem Rückkopplungssignal (32) in besagtes Ventilsteuersignal (26) umwandelt, wobei der besagte PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung folgendes umfasst: eine Proportionalfunktion zur Gewichtung eines Fehlersignals (12) mit einem proportionalen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Proportionalsignals (20); eine Integralfunktion zur Erzeugung eines gewichteten Integrals des besagten Fehlersignals {12) mit einem integralen Verstärkungsfaktor zum Erzeugen eines Integralsignals (22), wobei besagter integraler Verstärkungsfaktor eine Funktion eines Sollwertsignals (30) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte integrale Verstärkungsfaktor gleich ist: einer ersten Verstärkungsfunktion für ein normiertes Sollwertsignal (30) abzüglich eines vorbestimmten Prozentsatzes eines normierten höchsten Sollwertsignals (30); einer zweiten Verstärkungsfunktion für besagtes normierte Sollwertsignal (30), größer als ein vorbestimmter Prozentsatz eines besagten normierten höchsten Sollwertsignals (30); und – eine Ventilantriebsschaltung (38) zur Steuerung eines Ventils (40) mit Hubmagnetantrieb, das eine momentane Durchflussrate (42) besagten Gases oder besagter Flüssigkeit in besagtem Fertigungsprozess steuert; – einen Durchflusssensor (44) zur Messung der momentanen Durchflussrate (42) besagter Substanz und zur Abgabe eines erfassten Durchflussratensignals (46); – einen Ableitungsregler (48) zur Umwandlung des besagten erfassten Durchflussratensignals (46) in ein Rückkopplungssignal (32), das eine bessere Annäherung für die besagte momentane Durchflussrate (42) ist als das besagte erfasste Durchflussratensignal (46); und – einem Summierer (24) zur Addition des besagten Proportionalsignals (20) und des besagten Integralsignals zur Erzeugung eines Ventilsteuersignals (26) als Eingangssignal für die besagte Ventilantriebsschaltung (38).
  18. Massendurchflussregler (28) nach Anspruch 17, wobei die besagte erste Verstärkungsfunktion gleich
    Figure 00250001
    ist, wobei A eine erste Verstärkungskonstante ist und B eine zweite Verstärkungskonstante.
  19. Massendurchflussregler (28) nach Anspruch 18, wobei die besagte zweite Verstärkungsfunktion gleich
    Figure 00250002
    ist, wobei A die besagte erste Verstärkungskonstante ist, B die besagte zweite Verstärkungskonstante und x das normierte Sollwertsignal (30).
  20. Massendurchflussregler (28) nach Anspruch 19, wobei besagte zweite Verstärkungskonstante empirisch ermittelt wird, um eine gewünschte Reaktion auf einen Eingangsspannungssprung beim besagten PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung von 0% auf 100 des besagten normierten höchsten Sollwertsignals (30) zu erzielen.
  21. Massendurchflussregler (28) nach Anspruch 20, wobei besagte erste Verstärkungskonstante empirisch ermittelt wird, um eine gewünschte Reaktion auf einen Eingangsspannungssprung beim besagten PI-Regler (10) mit variabler Verstärkung von 0% auf 10% des besagten normierten höchsten Sollwertsignals (30) zu erzielen.
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