DE60127693T2

DE60127693T2 - Iterative lernaktualisierung für batchverfahrensbearbeitung

Info

Publication number: DE60127693T2
Application number: DE60127693T
Authority: DE
Inventors: Dimitry M. Palo Alto GORINEVSKY
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-18
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: EP1319202B1; DE60127693D1; EP1319202A2; CA2423281A1; US6647354B1; WO2002025384A2; WO2002025384A3; ATE358837T1; AU2001292712A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Prozesssteuerungsverfahren, und insbesondere Verfahren zur iterativen Lernsteuerung von Batch-Modusprozessen.
Um eine maximale ökonomische Effizienz und optimale Produktqualität zu erreichen, hat die Nachfrage nach einer umfassenderen Automatisierung der Prozesssteuerung sowohl in quantitativer Hinsicht als auch hinsichtlich der technischen Ausgereiftheit immer weiter zugenommen. In diesem Zusammenhang wurden wesentliche Fortschritte in Bezug auf die Möglichkeit erzielt, Eingabedaten von einer Vielzahl von Sensoren schnell zu erfassen und hoch zuverlässige Ausgabekommandos zum Steuern eines physikalischen Prozesses zu erzeugen.
Allerdings beruhten sich die meisten Prozesssteuerungsverfahren traditionell auf der Benutzung von Rückkopplungssignalen, um einen oder mehrere Proportional-Integral-Derivativ-(„PID")-Algorithmen zu lenken, und so einen gewünschten Sollwert zu erzielen. Obwohl dieser Ansatz der Prozesssteuerung zweifellos effektiv war, ist er im Wesentlichen reaktiver Natur. Entsprechend kann die Benutzung einer rückkopplungsbasierten Steuerung zu einer trägen Gesamtreaktion des Systems führen, und/oder die Durchführung einer Anpassung veranlassen, die größer ist, als es anderenfalls wünschenswert wäre.
Die Batch-Modusverarbeitung ist ein Beispiel einer Herausforderung für die Prozesssteuerung, bei der eine rückkopplungsbasierte Steuerung kein gleichmäßig optimales Ergebnis erzielen kann. Batch-Modusprozesse sind Prozesse, die sequentiell ausgeführte Batch-Abläufe aufweisen, die jeweils im Wesentlichen identisch sind, und jeweils ein Endmaterial oder Endergebnis erzeugen. Die Batch-Modussteuerung beinhaltet typischerweise das Bewegen von Sollwerten, Prozessverzögerungen, großer Trägheit, Nichtlinearitäten, ungemessenen Störungen und/oder einer Vielzahl von Steuerungsversuchen. Entsprechend ist Information von den Sensoren zum aktuellen Status des Batch-Prozesses in Bezug darauf wichtig, den existierenden Sollwert zu erzielen, doch es kann sein, dass diese Information für sich alleine nicht ausreicht, um einen nachfolgenden Sollwert zu erzielen, ohne dass es zu einer unerwünschten Verzögerung in der Änderung eines Prozessparameters kommt, wie z.B. der Temperatur oder des Drucks.
Während ein dynamisches Nachlaufen eines Prozessparameters überwunden werden kann, indem eine signifikante Änderung an einem manipulierten Parameter vorgenommen wird (z.B. einem Wärmeelement), wird es im Allgemeinen als weniger wünschenswert betrachtet, einem Prozesssteuerungssystem große Veränderungen aufzuzwingen. Außerdem besteht eines der Hauptziele jedes Batch-Steuerungsprozesses in der Möglichkeit, die Produktvariabilität von einem Batch zum nächsten zu minimieren. Entsprechend existiert ein ständiger Bedarf, Prozesssteuerungsverfahren, die dazu in der Lage sind, die Produktvariabilität in Batch-Prozessen zu minimieren, sowie andere Steuerungsanwendungen für variierende Prozesse zu entwickeln.
Die Steuerung von Batch-Prozessen ist, insbesondere auf den Seiten 245 bis 250, in folgendem Dokument umrissen: D. GORINEVSKY: „DISTRIBUTED SYSTEM LOOP SHAPING DESIGN OF ITERATIVE CONTROL OF BATCH PROCESSES" PROCEDINGS OF THE 38TH CONFERENCE ON DECISION AND CONTROL, Band. 1, Dezember 1999 (1999-12), XP002197216USA.
Entsprechend besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Erzeugen eines Ausgangs zu einem ausgewählten Zeitpunkt eines aktuellen Batch-Ablaufs, um eine Batch-Ablaufvariable zu steuern, wobei sich der Batch-Ablauf über eine Zeitdauer erstreckt, und ein gewünschtes Prozesswertprofil aufweist, wobei das Verfahren Folgen des aufweist:
Erhalten einer Abweichungshistorie-Wertemenge für einen unmittelbar vorhergehenden Batch-Ablauf, wobei die Abweichungshistorie-Wertemenge eine Abweichung zwischen der Batch-Ablaufvariable und dem gewünschten Prozesswertprofil zu ausgewählten Zeitintervallen während des vorhergehenden Batch-Ablaufs darstellt;
Erhalten einer Ausgabehistorie-Wertemenge für den unmittelbar vorhergehenden Batch-Ablauf, wobei die Ausgabehistorie-Wertemenge die Ausgaben darstellt, die zu ausgewählten Zeitintervallen während des vorhergehenden Batch-Ablaufs bereitgestellt wurden;
Erzeugen einer Glättungsaktualisierung als eine Funktion einer Untermenge der vorhergehenden Ausgabehistorie-Wertemenge nahe dem ausgewählten Zeitpunkt in dem vorhergehenden Batch-Ablauf, und als eine Funktion eines Glättungsfaltungsfensters;
Erzeugen einer Entkopplungsaktualisierung als eine Funktion einer Untermenge der vorhergehenden Abweichungshistorie-Wertemenge nahe dem ausgewählten Zeitpunkt in dem vorhergehenden Batch-Ablauf, und als eine Funktion eines Entkopplungsfaltungsfensters; und
Erzeugen der Ausgabe als eine Funktion der Glättungsaktualisierung und der Entkopplungsaktualisierung.
Die vorliegende Erfindung stellt so ein Verfahren zum Steuern von Batch-Modusprozessen bereit, um die Steuerung der Batch-Prozesse zu verbessern, und insbesondere von einem Batch-Ablauf zum nächsten. Die Abweichung von Fehlern von einem ersten Batch-Ablauf, zusammen mit den Ausgaben, die bereitgestellt werden, um den ersten Batch-Ablauf zu steuern, werden benutzt, um einen Ausgabewert zu erzeugen, der benutzt wird, um einen zweiten Batch-Ablauf zu steuern. In einem Verfahren wird jeder Batch-Ablauf in mehrere Zeitschlitze unterteilt.
Für einen ersten Batch-Ablauf kann der Abweichungswert von gemessenen gegenüber gewünschten Prozesswerten historisch im Verlauf des ersten Batch-Ablaufs gespeichert werden. Ebenso können auch die Ausgabewerte, die benutzt werden, um den Prozess zu steuern, im Verlauf des ersten Batch-Ablaufs gespeichert werden. Ein Verfahren benutzt eine Datenstruktur wie z.B. ein Array oder eine Datei, wobei für jeden Zeitschlitz ein oder mehrere Werte in der Datenstruktur gespeichert werden. In einem zweiten Batch-Ablauf werden für jeden Zeitschlitz oder jede abgelaufene Zeit des zweiten Batch-Ablaufs Daten von der ersten Ablaufabweichungshistorie und Ausgabehistorie zusammen mit Gewichtungsfaktoren benutzt, um eine Aktualisierung oder ein Inkrement zu erzeugen, die oder das dem Ausgabewert, der während des ersten Batch-Ablaufs benutzt wurde, für denselben Zeitschlitz in dem zweiten Batch-Ablauf hinzugefügt werden kann. Ebenso können die Batch-Ablauf-Abweichungen und -Ausgaben benutzt werden, um die dritten Batch-Ablaufausgaben zu erzeugen. Vorzugsweise werden die oben beschriebenen Ausgaben in überwachend steuernder Weise benutzt, indem überwachende Steuersollwerte an eine lokale (PID)-Steuerung bereitgestellt werden, die schließlich die Steuereingaben zum Steuern der Batch-Abläufe bereitstellt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird für einen jeweiligen Zeitschlitz in einem Batch-Ablauf eine Untermenge von Abweichungswerten an einem entsprechenden Zeitpunkt in dem unmittelbar vorhergehenden Batch ausgewählt, sowie eine Untermenge von Ausgabewerten, die um den entsprechenden Zeitwert herum in diesem vorhergehenden Batch angeordnet sind. Die ausgewählte Untermenge von Abweichungswerten kann in einem Gleitfenster liegen, das um den ausgewählten Zeitpunkt herum angeordnet ist, wobei die Abweichungswerte jeweils in geeigneter Weise von einem Abweichungsgewichtungsfaktor gewichtet und summiert werden, um einen Gesamtabweichungsbeitrag zu bilden. Die Abweichungsgewichtungsfaktoren werden als das Entkopplungsfaltungsfenster bezeichnet. Ebenso kann die ausgewählte Untermenge von Ausgabewerten von dem unmittelbar vorhergehenden Batch jeweils in geeigneter Weise durch Ausgabegewichtungsfaktoren gewichtet werden, die summiert werden, um einen Gesasamtausgabebeitrag zu bilden. Die Ausgabegewichtungsfaktoren werden als Glättungs- oder Ausgabefaltungsfenster bezeichnet.
Eine Menge von Gewichtungsfaktoren kann für jeden Zeitschlitz in dem Abweichungsfenster bereitgestellt werden, und eine Menge von geeigneten Gewichtungsfaktoren kann für jeden Zeitschlitz im Ausgabefenster bereitgestellt werden. Die Breite und die Werte für das Entkopplungs- und Glättungsfaltungsfenster können durch Berechnungen bestimmt werden, die auf einem Prozessmodell, oder vorzugsweise auf der Prozessantwort auf eine Serie von Schritten oder Impulseingaben basieren. Der Gesamtabweichungsbeitrag und der Gesamtausgabebeitrag für jeden jeweiligen Zeitschlitz können kombiniert werden, um ein Inkrement oder eine Aktualisierung zu bilden, die dem Ausgabewert hinzugefügt werden kann, der während des ersten Batch-Ablaufs in dem entsprechenden Zeitschlitz benutzt wurde, um eine neue Ausgabe für den aktuellen Zeitschlitz in dem zweiten Batch-Ablauf bereitzustellen.
Die Ausgabe an den zweiten Batch beinhaltet also Beiträge von dem vorhergehenden Batch-Fehler oder der vorhergehenden Batch-Abweichung, und den vorhergehenden Batch-Ausgaben zum Steuern des Prozesses. Die vorhergehende Batch-Abweichung beinhaltet Beiträge von dem unmittelbar vorhergehenden Batch, während die Ausgabewerte des vorhergehenden Batch inhärente Beiträge sowohl von unmittelbar vorhergehenden als auch früheren Batches beinhalten. Die vorliegende Erfindung stellt ein rechnerisch einfaches Verfahren zum Bereitstellen einer iterativen Aktualisierung von Batch zu Batch bereit, um eine gründlichere Batch-zu-Batch-Steuerung zu erreichen.
In den Figuren ist:
1A eine schematische Ansicht eines Batch-Prozesses mit einem Ofen, einem Erwärmersteuereingang, einer Heizvorrichtung, einem erwärmten Teil, und einer gemessenen Temperaturausgabe;
1B eine schematische Ansicht eines Batch-Prozesses mit einem Ofen, einer Vielzahl von Erwärmersteuereingängen, einer Vielzahl von Heizvorrichtungen, einer Vielzahl von erwärmten Teilen, und einer Vielzahl gemessener Temperaturausgaben;
2A eine Gegenüberstellung von Temperatur und Zeit, mit einem gewünschten Temperaturprofil und einer gemessenen Temperaturhistorie für einen Batch;
2B eine stark schematisierte Gegenüberstellung von Zeit und Temperatur für die Steuerausgaben, die an die Erwärmersteuerung bereitgestellt werden, und benutzt werden, um die gemessene Temperaturhistorie aus 2A zu erreichen;
3A eine schematische Ansicht eines gewünschten Temperaturprofilspeichers, der sich über die Länge eines Batch wie dem aus 2A erstreckt, wobei das gewünschte Temperaturprofil eine Anzahl von Zeitschlitzen enthält, in denen gewünschte Temperaturen gespeichert sind;
3B eine schematische Ansicht einer Ausgabehistorie zum Steuern einer Heizvorrichtung wie dem aus 2B, die eine Anzahl von Zeitschlitzen und ein gleitendes Zeitfenster enthält, das um den aktuellen Zeitschlitz t herum angeordnet ist;
3C eine schematische Ansicht einer Abweichungshistorie, die aus einer Anzahl von Zeitschlitzen gebildet ist, wobei jede eine Anzeige der Abweichung oder des Fehlers zwischen der gemessenen und der gewünschten Temperatur anzeigt, wie in 2A gezeigt, sowie ein gleitendes Zeitfenster, das um einen aktuellen Zeitschlitz t herum angeordnet ist;
3D eine schematische Ansicht eines Speichers eines neu erzeugten Batch-Steuerungsausgabeprofils, der eine Anzahl von Zeitschlitzen aufweist, die mit Ausgaben zum Steuern der Heizvorrichtung aus 1 bestückt ist;
4A eine schematische Ansicht des gleitenden Ausgabehistorie-Zeitfensters aus 3B, das um einen aktuellen Zeitpunkt t zentriert ist;
4B eine schematische Ansicht des gleitenden Abweichungshistorie-Zeitfensters aus 3C, das um einen aktuellen Zeitpunkt t zentriert ist;
5 ein vereinfachtes Datenflussdiagramm eines Verfahrens, das benutzt wird, um unter Benutzung von historischen Abweichungswerten und historischen Ausgabe des vorhergehenden Batch eine einzelne überwachende Steuerungsausgabe für einen nachfolgenden Batch zu erzeugen;
6 eine schematische Ansicht des Datenflusses für ein Verfahren, das mit den historischen Ausgaben aus 5 arbeitet;
7 eine schematische Ansicht des Datenflusses für ein Verfahren, das mit den historischen Abweichungen aus 5 arbeitet;
8 eine stark schematisierte Ansicht eines Entkopplungsfaltungsfensters, das Gewichtungsfaktoren aufweist, um mit den Abweichungsausdrücken aus 6 zu arbeiten;
9 eine schematische Ansicht eines Glättungsfaltungsfensters, das Gewichtungsfaktoren aufweist, um mit den Abweichungsausdrücken aus 7 zu arbeiten;
10 eine schematische Ansicht einer überwachenden Steuervorrichtung, die benutzt wird, um den Prozess aus 1 unter Benutzung der Verfahren aus 2 bis 9 und 11 bis 12 zu steuern;
11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Batch-Prozesses; und
12 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen von Glättungs- und Entkopplungsfaltungsfenster- Werten und Breiten.
1A zeigt einen Batch-Prozess 30 mit einer Umschließung oder einem Ofen 32 mit einem Inneren 33, wobei eine Heizvorrichtung 34 eine erwärmten Teil 36 im Inneren erwärmt. In dem dargestellten Beispiel wird eine Steuerungsausgabe 40 benutzt, um mehrere Heizvorrichtungen 42 zu steuern. Ein gemessener oder tatsächlicher Temperaturwert kann, wie unter 44 angezeigt, durch ein gemessenes Temperatursignal ausgegeben werden. Bei einer Nutzungsweise der Erfindung kann die Heizvorrichtung 34 für eine Wärmeschnellverarbeitung Infrarot-Heizvorrichtung aufweisen, und an dem erwärmten Teil 36 kann die gemessene oder tatsächliche Temperatur direkt durch nahe angeordnete Thermoelemente oder andere Messvorrichtungen abgefühlt werden. In einigen Ausführungsformen kann die gemessene Temperatur 42 anstelle einer direkten Messung des erwärmten Teils 36 die Umgebungstemperatur von Kammer 32 sein. In einer anderen Ausführungsform wird die gemessene Temperatur 44 unter Benutzung von Infrarotverfahren gemessen, wobei kein direkter Kontakt erforderlich ist.
Der Prozess 30 kann jeden Batch-Prozess aufweisen, für den eine Ablauf-zu-Ablauf-Wiederholbarkeit gewünscht wird. Batch-Wärmeschnellverarbeitung, die in der Halbleiterfertigung benutzt wird, ist eine Anwendung der vorliegenden Erfindung. Der Batch-Prozess 30 kann beispielsweise auch ein Härtungsprozess oder eine Verkohlung von Teilen in einem Hochtemperaturofen sein.
1B zeigt einen Batch-Prozess 35 mit einem Ofen 31, der eine Vielzahl von Steuereingaben 40A bis 40E, eine Vielzahl von Heizvorrichtungen 34A bis 34E, eine Vielzahl von erwärmten Teilen 36A bis 36E, und eine Vielzahl von gemessenen Temperaturausgaben 44A bis 44E aufweist. 1B zeigt einen Aspekt der Schwierigkeit, einen Batch-Prozess mit einer Vielzahl von Eingaben zu steuern, auch wenn dieselbe Eigenschaft gesteuert wird.
Insbesondere können die Heizvorrichtungen 34A und 34E Randeffekte aufweisen, denen die Heizvorrichtungen 34A und 34B nicht ausgesetzt sind. Die Heizvorrichtungen 34B bis 34D können signifikante Entkopplungsprobleme aufweisen, die sich teilweise aus der sich überlagernden Erwärmung ergeben, die von benachbarten Heizvorrichtungen in benachbarten Zonen bereitgestellt wird.
2A zeigt eine Gegenüberstellung 60 von Prozesswert und Zeit, wobei es sich in diesem Fall um eine Gegenüberstellung von Temperatur und Zeit für einen Batch-Erwärmungsprozess handelt. Gegenüberstellung 60 weist ein gewünschtes oder Sollwertprofil 62 auf, das im Allgemeinen eine Anlaufphase 64, eine stabile Phase 66, und eine Auslaufphase 68 beinhaltet. Außerdem ist ein gemessenes oder tatsächliches Temperaturprofil 70 dargestellt, für das gezeigt ist, dass es dem gewünschten Temperaturprofil 62 folgt oder zu folgen versucht. Wie die Betrachtung von 2A ergibt, beispielsweise bei 72, 82 und 84, liegen Fehler oder Abweichungen der aktuellen von der gewünschten Temperatur vor. Die Abweichung oder der Fehler können sowohl positive Regionen, wie bei 82 gezeigt, als auch negative Regionen, wie bei 84 gezeigt, beinhalten. Für Gegenüberstellung 60 kann eine Zeitdauer oder Länge vorliegen, die Gegenüberstellung 60 zugeordnet ist. 2B zeigt eine Gegenüberstellung 76 von Spannung oder Strom und Zeit für die Steuerungsausgabe 40 aus 1, die einem Batch-Prozess wie dem durch Gegenüberstellung 60 gezeigten aus 2A entspricht. Gegenüberstellung 76 ist stark schematisiert, und soll nicht die Ausgabe eines bestimmten Steuerungsalgorithmus darstellen.
3A zeigt die Speicherung eines gewünschten Temperaturprofils 100, das dem gewünschten Temperaturprofil 62 aus 2A entspricht. In dem dargestellten Beispiel beinhaltet das gewünschte Temperaturprofil 100 eine Anzahl von Zeitschlitzen oder Elementen 102, in denen jeweils eine gewünschte Temperatur oder ein Sollwert gespeichert sein können. In einer Ausführungsform kann das gewünschte Temperaturprofil 100 ein Array beinhaltet, das eine Anzahl von Elementen aufweist, wobei jedes einen gewünschten Temperaturwert enthält, und optional einen Zeitwert. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Zeitwert durch die Position abgeleitet, und die Zeitschlitze können durch gleiche Zeitinkremente geteilt oder beabstandet sein. Das gewünschte Temperaturprofil 100 und die Zeitschlitze 102 können als einzelne Temperaturen gespeichert sein, oder können nach Bedarf aus Modellen oder Gleichungen in einer Steuerung oder einem Computer erzeugt werden. Bei dem gewünschten Temperaturprofil 100 kann zum Zeitpunkt „t" ein aktueller Zeitschlitz 106 angeordnet sein. In einer Ausführungsform wird die aktuelle gewünschte Temperatur 106 benutzt, um Abweichungen und Steuerungsausgaben zu erzeugen.
3B zeigt eine Ausgabehistorie 110, die eine Anzahl von Ausgabezeitschlitzen 112 und ein gleitendes Ausgabehistoriefenster 114 beinhaltet, das einen aktuellen Zeitschlitz 116 beinhaltet, der nahe der Mitte des Gleitfensters 114 angeordnet ist, wie durch „t" angezeigt, sowie eine Anzahl von Zeitschlitzen 118, die in Bezug auf den aktuellen Zeitschlitz 116 zeitlich nachfolgenden angeordnet sind, und Zeitschlitze 120, die in Bezug auf den aktuellen Zeitschlitz 116 zeitlich früher angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Untermenge von Zeitschlitzen in dem Gleitfenster 114 zusammen mit einem Glättungsfaltungsfenster benutzt, um Steuerungsausgaben für einen nachfolgenden Batch zu erzeugen.
3C zeigt eine Abweichungshistorie 130, die aus einer Anzahl von Abweichungshistorie-Zeitschlitzen 132 gebildet ist, und ein Abweichungshistorie-Gleitfenster 134, das einen aktuellen Zeitschlitz 136 beinhaltet, der dem aktuellen Zeitschlitz 106 aus 3A entsprechen kann. Wie sich aus der Betrachtung von 3C ergibt, ist eine Anzahl von Abweichungshistorie-Zeitschlitzen 138 an Zeitpunkten angeordnet, die auf den zentralen Zeitschlitz 136 folgen, wobei eine Anzahl von Zeitschlitzen 140, die Zeitwerte aufweisen, die früher sind als der zentrale Zeitschlitz 136, ebenfalls im Gleitfenster 134 angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Untermenge der Abweichungshistorie, die in Gleitfenster 134 dargestellt ist, zusammen mit einem Entkopplungsfaltungsfenster benutzt, um ein Inkrement oder eine Aktualisierung bereitzustellen, die dann dem vorhergehenden Ausgabesignal 116 hinzugefügt wird, um an Zeitpunkt „t" die Steuerungsausgabe für einen nachfolgenden Batch bereitzustellen.
3A, 3B, und 3C stellen historische Daten für einen Batch dar, der bereits abgelaufen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt 3A ein gewünschtes Temperaturprofil dar, das von Batch zu Batch, oder von Ablauf zu Ablauf, unverändert bleibt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur der aktuelle Zeitschlitz 106 benutzt, um eine einzelne Ausgabe zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform stellen 3B und 3C historische Daten dar, die für einen Batch aufgezeichnet werden, und sich wahrscheinlich von einem Batch zum nächsten ändern. 3B und 3C können als Darstellung der historischen Ausgabe- und Abweichungsdaten von einem ersten Batch betrachtet werden, die zusammen mit Faltungsfenstern benutzt werden können, um ein Inkrement oder eine Aktualisierung zu erzeugen, das oder die dann dem vorhergehenden Ausgabesignal 116 hinzugefügt wird, um an Zeitpunkt „t" die Steuerungsausgabe für einen nachfolgenden, vorzugsweise unmittelbar nachfolgenden Batch bereitzustellen.
3D zeigt ein Steuerungsausgabeprofil 160 zur Benutzung in einem Batch, der vorzugsweise unmittelbar auf den Batch aus 3B und 3C folgt. Das zweite Batch-Ausgabeprofil 160 beinhaltet eine Anzahl von Zeitschlitzen 162 und einen aktuellen Zeitschlitz 164, der dem aktuellen Zeitschlitz 106 aus 3A entspricht, sowie jeweils dem aktuellen Zeitschlitz 116 und 136 aus 3B bzw. 3C. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Daten von Zeitschlitz 106 aus 3A zusammen mit den Daten des Gleitfensters 114 aus 3B und des Gleitfensters 134 aus 3C benutzt, um nach hier beschriebenen geeigneten Berechnungen in Zeitschlitz 164 eine zweite Batch-Ausgabe zu erzeugen.
Es ist vorgesehen, dass jeder Zeitschlitz aus 3A bis 3D eine Vielzahl von Dateneinträgen beinhaltet. Beispielsweise kann in einem Batch-Prozess, der eine Vielzahl von Heizvorrichtungen und Sensoren beinhaltet, bei Bedarf jeder Zeitschlitz in dem gewünschten Temperaturprofil 100 eine entsprechende gewünschte Temperatur für jeden Sensor des Systems speichern. Ebenso kann jeder Zeitschlitz in dem Ausgabehistorieprofil 110 den Ausgabewert speichern, der jeder Heizvorrichtung des Systems während der vorhergehenden Batch-Ablaufs bereitgestellt wurde. Ebenso kann jeder Zeitschlitz in dem Abweichungshistorieprofil 130 den Abweichungswert an jedem Sensor des Systems während des vorhergehenden Batch-Ablaufs speichern. Schließlich kann jeder Zeitschlitz in dem neuen Ausgabeprofil 160 den neuen Ausgabewert für jeden Erhitzer des Systems speichern.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Werte zum Bestücken von Zeitschlitz 164 des zweiten Batch-Ausgabeprofils 160 nach Bedarf erzeugt, zu einem Zeitpunkt nahe dem Zeitpunkt, für den die Steuerungsausgabe benötigt wird. Die Ausgabewerte von 164 können in einer Ausführungsform benutzt werden, um Heizvorrichtungen direkt zu steuern, während in einer anderen Ausführungsform die Werte von Zeitschlitz 164 als überwachende Sollwerte benutzt werden, die an eine PID-Steuerung bereitgestellt werden, um die Heizvorrichtungen indirekt zu steuern.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das zweite Batch-Ausgabeprofil 160 vollständig, von Anfang bis Ende, nach Abschluss eines ersten Batch-Ablaufs erzeugt, der die Ausgabehistorie 110 und die Abweichungshistorie 130 vollständig bestücken kann. Bei diesem Verfahren kann ein Ausgabeprofil für einen zweiten Batch vollständig vor dem Beginn des zweiten Batch erzeugt werden. In einer anderen Ausführungsform kann ein zweites Batch-Ausgabeprofil nach Abschluss der Datenerfassung in den geeigneten Gleitfenstern erzeugt werden, beispielsweise den Gleitfenstern 114 und 134 aus 3B bzw. 3C. In dieser Ausführungsform können die Werte zum Bestücken von Zeitschlitz 164 aus 3D berechnet werden, sobald die Hinterkante der Gleitfenster den entsprechenden Zeitschlitz passiert, wie z.B. Zeitschlitze 116 und 136 aus 3A und 3B. Die Zeitschlitze aus 3A bis 3D dienen der Veranschaulichung, und können in einigen Ausführungsformen der Erfindung benutzt werden. Allerdings kann die vorliegende Erfindung unter Benutzung von Verfahren der Kurvenanpassung, Modellierung, Interpolierung und/oder Datenkomprimierung realisiert werden, welche Fachleuten gut bekannt sind.
4A zeigt Gleitfenster 114 aus 3B, wobei der zentrale Zeitschlitz 116 einen Zeitpunkt gleich „t", einen Vorderkantenzeitschlitz 170 an Zeitpunkt (t + n), und einen Hinterkantenzeitschlitz 172 an Zeitpunkt (t – n) aufweist. Zeitpunkt „t" entspricht dem aktuellen Zeitpunkt 106 aus 3A. In der dargestellten Ausführungsform weist Fenster 114 eine Breite von 11 auf, wobei n gleich 5 ist. Es ist vorgesehen, dass, anstatt + n für das Gleitfenster zu benutzen, das Gleitfenster unter Benutzung von +n und –m berechnet werden kann, wobei m ≠ n.
4B zeigt Abweichungsgleitfenster 134 aus 3C, das einen zentralen Zeitschlitz 136 an Zeitpunkt „t", einen Vorderkantenzeitschlitz 180 an Zeitpunkt (t + n), und einen Hinterkantenzeitschlitz 182 an Zeitpunkt (t – n) aufweist. Gleitfenster 134 aus 4B weist so eine Breite von 11 Zeitschlitzen auf, wobei n gleich 5 ist. In einer Ausführungsform weisen das Ausgabe- und das Abweichungsfenster dieselbe Breite auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird nur die Untermenge historischer Werte in den Gleitfenstern 114 und 134 benutzt, um die Steuerungsausgaben für einen nachfolgenden Batch zu beeinflussen, anstatt die gesamte Menge von Werten der Ausgabehistorie 120 und 130 zu benutzen.
5 ist ein Blockdiagramm, das einen Datenfluss darstellt, der benutzt wird, um eine neue Steuerungsausgabe 202 für den aktuellen Zeitpunkt „t" zu berechnen. Abweichungen 208 werden als Eingabe benutzt, und können dem Gleitfenster 134 aus 3C und 4B entsprechen. Die Abweichungen 208 können direkt bereitgestellt werden, oder können unter Benutzung gewünschter Werte 204 und historischer gemessener Werte 205 hergeleitet werden, die an 207 verglichen werden, um an 208 Abweichungen oder Fehler zu erzeugen. Abweichungen 208 können mit einem Entkopplungsfaltungsfenster 201 bearbeitet werden, um einen in geeigneter Weise gewichteten Abweichungsbeitrag zu erzeugen. Eine Untermenge von alten Ausgaben 209 kann benutzt werden, und kann der Bestückung von Gleitfenster 114 aus 3B und 4A entsprechen.
Die alten Eingaben 209 können von einem Glättungsfaltungsfenster 203 bearbeitet werden, um einen in geeigneter Weise gewichteten Ausgabebeitrag zu erzeugen. Die Faltungsoperationen, und eine Kombination der Ausgabe- und Abweichungsbeiträge können durchgeführt werden, wie an Berechnungsblock 210 angezeigt, um einen Inkrement- oder Aktualisierungswert zu erzeugen. Der Inkrement- oder Aktualisierungswert kann dann an Zeitpunkt „t" der alten Ausgabe hinzugefügt werden, um einen neuen Ausga bewert 202 zu erzeugen.
Bezug nehmend auf 6 ist der Datenfluss für einen Prozess 220 gezeigt, der benutzt wird, um die in geeigneter Weise gewichtete Ausgabe zu erzeugen. Die Eingaben werden als Eingaben für ein Verfahren oder einen Algorithmus 222 benutzt, wobei es sich in einer Ausführungsform um eine einfache Summierung von Produkten handelt. Wie die Betrachtung von Verfahren 220 ergibt, wird eine Anzahl von Ausgaben mit einer Anzahl von Faktoren multipliziert, die summiert werden, um Glättungsinkrement oder -aktualisierung 206 zu bilden. In dem dargestellten Beispiel wird eine Ausgabe zu Zeitpunkt [t + n], die Vorderkantenausgabe 232, mit einem Gewichtungsfaktor [n] 234 multipliziert. Die Ausgabe zu Zeitpunkt [t + n] 232 kann dem Vorderkantenzeitschlitz 170 aus 4A entsprechen. Die Gewichtungsfaktoren können aus einem Array von Konstanten stammen, wobei es sich um ein Faltungsfenster handeln kann. Ein unmittelbar vorhergehender Zeitschlitz leistet einen Beitrag, wobei eine Ausgabe an Zeitpunkt [t + n – 1] 228 mit einem Gewichtungsfaktor [n – 1] 230 multipliziert wird. Eine zentrale Ausgabe an Zeitpunkt [t] 224 wird mit einem Gewichtungsfaktor [0] 226 multipliziert. Ebenso wird eine Ausgabe an der Hinterkante des Gleitfensters, oder eine Ausgabe an Zeitpunkt [t – n] 240, mit einem Gewichtungsfaktor [–n] 242 multipliziert. Die Ausgabe an Zeitpunkt [t – n] 240 kann in einigen Ausführungsformen dem Hinterkantenzeitschlitz 172 aus 4A entsprechen.
Wie im Folgenden erörtert, können die Gewichtungsfaktoren für jeden Batch-Prozess in geeigneter Weise angepasst werden, und vorzugsweise nicht identisch für jeden Zeitschlitz in einem Gleitfenster. In einer Ausführungsform entsprechen Ausgaben, einschließlich 232, 228, 224 und 240 aus 6, der Untermenge historischer Ausgabewerte, die das Gleitfenster 114 aus 3B bestücken. Die Gewichtungsfaktoren 234, 230, 226 und 242 können den Werten entsprechen, die das Glättungsfaltungsfenster 320 bestücken, wie weiter unten in Bezug auf 9 erörtert.
7 zeigt eine ähnliche Behandlung für einen Prozess oder ein Verfahren 250, der oder das benutzt wird, um ein in geeigneter Weise gewichtetes Entkopplungsinkrement 251 zu berechnen. Genauer ausgedrückt, wird eine Abweichung an Zeitpunkt [t + n] 252 mit einem Abweichungsgewichtungsfaktor [n] 254 multipliziert. Eine Abweichung an Zeitpunkt [t] 256 wird mit einem Abweichungsgewichtungsfaktor [0] 258 multipliziert. Eine Abweichung an Zeitpunkt [t – n] 262 wird mit einem Abweichungsgewichtungsfaktor [–n] 263 multipliziert. Ein Verfahren 264 kann mit den bereitgestellten Eingaben arbeiten, und ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine einfache Summierung der gewichteten Werte.
Die Verfahren 222 aus 6 und 264 aus 7 können in den Berechnungsblock 210 aus 5 aufgenommen werden. In einer Ausführungsform entsprechen Abweichungen, darunter 252, 256 und 262 aus 7, der Untermenge von historischen Abweichungswerten, die das Gleitfenster 134 aus 3C bestücken. Die Gewichtungsfaktoren 254, 258 und 263 können den Werten entsprechen, die das Entkopplungsfaltungsfenster 300 bestücken, das weiter unten unter Bezugnahme auf 8 besprochen werden soll. Die geeigneten Gewichtungen, die benutzt werden, um das Glättungsfaltungsfenster und das Entkopplungsfaltungsfenster zu bestücken, können für jeden Batch-Prozess in geeigneter Weise bestimmt werden.
Ein neuer Ausgabewert an Zeitpunkt [t] wird berechnet, indem einfach Glättungsinkrement oder Aktualisierung 206, Entkopplungsinkrement oder Aktualisierung 251 und die vorhergehende Ausgabe an Zeitpunkt [t] 224 addiert werden, wie unter 270 gezeigt. Dies ergibt ein rechnerisch einfaches Verfahren zum Bereitstellen einer iterativen Aktualisierung von Batch zu Batch, um eine gründlichere Batch-zu-Batch-Steuerung zu erreichen.
8 zeigt die Verteilung der Abweichungsgewichtungsfaktoren, wie sie in einer Ausführungsform der Erfindung benutzt werden. Ein Abweichungs- oder Entkopplungsfaltungsfenster 300 ist gezeigt. Abweichungsfenster 300 ist als eine Gegenüberstellung der Gewichtungsfaktorgröße und der Zeitschlitznummer gezeigt. Das Abweichungsgewichtungsfaktor-Fenster 300 beinhaltet einen zentralen Schlitz [0] 306, einen Vorderkantenschlitz [5] 304, und einen Hinterkantenschlitz [–5] 304. Wie aus der Betrachtung von 8 hervorgeht, weist das Abweichungsgewichtungsfaktor-Fenster 300 einen zentralen, negativen Gewichtungsanteil 310, sowie einen positiven Gewichtungsanteil 308 auf. 8 weist eine Breite von 11 Zeitschlitzen auf.
Die Breite des Entkopplungsfaltungsfenster wird vorzugsweise experimentell für jeden einzelnen Batch-Prozess bestimmt. Die Werte der Gewichtungsanteile aus 8 werden ebenfalls vorzugsweise experimentell für jeden einzelnen Batch-Prozess bestimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Abweichungsgewichtungsfaktor-Fenster 300 für einen Batch ermittelt, und ist für jede zeitliche Region des Batch gleich. Insbesondere bleibt, während die Abweichungs-, Ausgabe- und gewünschten Temperaturwerte sich in jedem Gleitfenster verändern, während das Fenster über die Dauer der Batch-Periode gleitet, die Werte des Abweichungsgewichtungsfaktor-Fensters vorzugsweise für den gesamten Batch konstant. In einer Ausführungsform werden die Werte in dem Abweichungsgewichtungsfaktor-Fenster zunächst mit Prozessstörungen bestimmt, und werden im Folgenden entweder unverändert gelassen oder anhand von Prozessinformation leicht verändert, die aus fortlaufenden Messungen des Prozesses ermittelt wurde.
9 zeigt ein Ausgabegewichtungsfaktor-Fenster oder Glättungsfaltungsfenster 320, das als eine Gegenüberstellung des Gewichtungsfaktors und der Zeitschlitznummer dargestellt ist. Das Ausgabegewichtungsfaktor-Fenster 320 beinhaltet einen zentralen Schlitz [0] 322, einen Vorderkantenschlitz [5] 324, und einen Hinterkantenschlitz [–5] 326. Es kann eine zentrale positive Gewichtungsregion 330 beobachtet werden, sowie eine negative Gewichtungsregion 332. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Breite und die Werte für das Ausgabegewichtungsfaktor-Fenster 320 experimentell bestimmt und bleiben über die Länge eines jeweiligen Batch-Ablaufs gleich. Die Breite und die Werte können bestimmt werden, indem eine ansonsten normale Ausgabe mit Schrittänderungen, Impulsänderungen oder kleineren Erregungen überlagert wird, wobei die Prozessantwort analysiert wird, um die Bestückung des Glättungsfaltungsfensters zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung lässt sich unter Bezugnahme auf ein Beispiel weiter verdeutlichen. In diesem Beispiel wird die gemessene Temperatur des aktuellen Batch-Ablaufs in einem Speicher für die gemessene Temperaturhistorie gespeichert, und die Ausgabe zum Steuern des Batch-Ablaufs wird in einem Ausgabehistoriespeicher gespeichert. Um das Ausgabeprofil für den nächsten Batch-Ablauf zu erzeugen, wird das gewünschte Temperaturprofil benutzt, um eine Abweichungs- oder Fehlerhistorie zu erzeugen, indem das gewünschte Temperaturprofil mit der gemessenen Temperatur verglichen wird. Jeder Ausgabezeitschlitz für den nächsten Batch-Ablauf kann erzeugt werden, wie unten in den Schritten (a) bis (c) beschrieben.

(a) Für jeden Zeitschlitz innerhalb der Breite des Glättungsfaltungsfensters und des historischen Ausgabe-Gleitfensters ist der Ausgabegewichtungsfaktor, der diesem Zeitschlitz entspricht, mit der Ausgabe für diesen Zeitschlitz zu multiplizieren, und die Summe der Produkte für alle Zeitschlitze in dem Glättungsfal tungsfenster zu addieren, um ein Glättungsinkrement oder eine Aktualisierung 206 für diesen Zeitschlitz im nächsten Batch-Ablauf zu erhalten;
(b) Für jeden Zeitschlitz innerhalb der Breite des Entkopplungsfaltungsfensters und des historischen Abweichungs-Gleitfensters ist der Abweichungsgewichtungsfaktor, der diesem Zeitfenster entspricht, mit der Abweichung für diesen Zeitschlitz zu multiplizieren, und die Summe der Produkte für alle Zeitschlitze in dem Entkopplungsfaltungsfenster zu addieren, um ein Entkopplungsinkrement oder eine Aktualisierung 251 für diesen Zeitschlitz im nächsten Batch-Ablauf zu erhalten;
(c) Für denselben Zeitschlitz wie in den Schritten (a) und (b) sind Glättungsinkrement oder Aktualisierung 206 und Entkopplungsinkrement oder Aktualisierung 251 zu addieren, und das Ergebnis dem Ausgabewert des aktuellen Zeitfensters von dem vorhergehenden Batch hinzuzuaddieren, um eine Ausgabe zu erhalten, die für den Zeitschlitz im nächsten Batch-Ablauf zu benutzen ist.

In einer Variation dieses Beispiels wird die gemessene Temperatur des aktuellen Batch-Ablaufs sofort mit der gewünschten Temperatur des aktuellen Zeitschlitzes verglichen, und eine aktuelle Abweichungstemperatur wird berechnet. Die aktuelle Abweichungstemperatur kann in einer Abweichungstemperaturhistorie gespeichert werden, anstatt die gemessene Temperaturhistorie zu speichern. Auf diese Weise kann das gewünschte Temperaturprofil in die Berechnungen zum Zeitpunkt der Abweichungs- oder Fehlerberechnung einfließen, was entweder vor oder nach der Durchführung der historischen Speicherung erfolgen kann.
Bezug nehmend auf 10 ist eine schematische Ansicht einer Anlage 501 und eines Computers oder einer Steuerung 504 gezeigt. Anlage 501 beinhaltet einen Batch- Prozess 500, und empfängt eine lokale Steuerungsausgabe 506, die von einer lokalen Steuerung 508 in Reaktion auf einen Sollwert erzeugt wird, der durch eine Sollwertübertragungsleitung 510 empfangen wird. Die Sollwertübertragungsleitung 510 kann an die Ausgabeübertragungsleitung oder eine Überwachungsausgabeleitung 511 der vorliegenden Erfindung gekoppelt sein. Ein Messwert 508 kann von dem Prozess 500 abgelesen werden, und wird in einer Ausführungsform von der lokalen Steuerung 508 als ein Rückkopplungssignal benutzt. In der gezeigten Ausführungsform wird der Messwert 508 auch von der Steuerung oder dem Computer 504 durch eine Messdatenübertragungsleitung 551 gelesen werden.
Computer 504 kann ein geeigneter allgemein verwendbarer Computer oder eine dedizierte Rechenvorrichtung sein, der oder die dazu in der Lage ist, die benötigten Berechnungen, Eingaben, Ausgaben und Ausführungen von Programmen durchzuführen, welche die hier beschriebenen Verfahren verkörpern. In einer Ausführungsform wird ein allgemein verwendbarer Computer benutzt. In einer anderen Ausführungsform wird eine dedizierte, an der Anlage montierte oder darin eingebettete Mikroprozessor-Vorrichtung als Computer 504 benutzt. Der Computer 504 kann einen Rechen- und Steuerabschnitt 514 aufweisen, der mit einem Messwert/Abweichungswertabschnitt 520, einer Ausgabespeicherregion 522, einer Wunschwertprofilregion 524, und einem Abschnitt eines erzeugten neuen Ausgabeprofils 526 kommuniziert. Computer 504 kann auch einen Abschnitt eines Nutzer-E/A 530 und einen Abschnitt eines Datenspeichers 531 enthalten. Wie zuvor erörtert, können in einer Ausführungsform der Erfindung Abweichungen oder Fehler direkt historisch aufgezeichnet werden, oder indirekt als die gemessenen Werte aufgezeichnet werden, wobei die Abweichungen später durch Vergleich mit den gewünschten Werten berechnet werden. In der gezeigten Ausführungsform weist der Computer 504 einen Glättungsfaltungsfenster-Abschnitt 521 und einen Entkopplungsfaltungsfenster- Abschnitt 523 auf.
In einem Beispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Wunschwertprofil von Steuerabschnitt 514 in Reaktion auf eine Eingabe durch einen Mensch oder eine Maschine an 530 eingegeben. In einer Ausführungsform beinhaltet das Wunschwertprofil 524 Temperaturen einschließlich der gewünschten Temperatur-Anlauf- und Auslaufabschnitte für einen Wärmeprozess. In einer bevorzugten Ausführungsform bleibt das Wunschwertprofil 524 für jeden Ablauf eines Batch-Prozesses unverändert. In einem Beispiel der vorliegenden Erfindung gelangt der Messwert 508 über Übertragungsleitung 551 in den Computer 504, und wird mit dem aktuellen Wunschwert verglichen, und wird von Computer 504 im historischen Abweichungs/Messwertabschnitt 520 als eine Abweichung oder ein Fehler für den aktuell aktiven Ablauf gespeichert. Ebenso wird die aktuelle Ausgabe, die von Computer 504 erzeugt wird, nämlich Ausgabe 534, der historischen Ausgaberegion 522 für den aktuell ausführenden Batch-Ablauf zugeführt.
Nach Abschluss des aktuellen Ablaufs, oder bei Abschluss eines ausreichenden Teils des vorliegenden Ablaufs, kann Rechenabschnitt 514 unter Benutzung von Entkopplungsfaltungsfenster 523 mit den historischen Abweichungs/Messdaten 520, und unter Benutzung von Glättungsfaltungsfenster 521 mit den historischen Ausgabedaten 522 arbeiten, um einen Speicherabschnitt für eine neue Ausgabe 526 für jeden der geeigneten Zeitschlitze zu bestücken. Nach Abschluss der Bestückung der Speicherregion für die neue Ausgabe 526 kann die Ausgabespeicherregion benutzt werden, um über Übertragungsleitung 510 einen Sollwert an Anlage 501 zu erzeugen. In dem dargestellten Beispiel ist dargestellt, dass der Zeitschlitz 534 eine Ausgabe an Übertragungsleitung 511 bereitstellt, und einen Sollwert durch Übertragungsleitung 510 treibt. Während der Ausgabewert in Zeitschlitz 534 den Sollwert treibt, werden neue historische Abweichungs- und Ausgabewerte aufgezeichnet, um die Ausgaben für den nachfolgenden Batch-Ablauf zu erzeugen.
Wie durch Betrachtung von 10 deutlich wird, liegt, während die Batch-Erwärmungssteuerung von der vorliegenden Erfindung profitieren würde, keine Beschränkung der Benutzung der vorliegenden Erfindung auf einen bestimmten Batch-Prozess vor. Insbesondere geht aus der Betrachtung von 10 hervor, dass der Computer 504 die physikalische Natur des gesteuerten Prozesses ignorieren kann, und mit skalierten Einheiten arbeiten kann, die keinen Zugriff auf Maschineneinheiten besitzen. Insbesondere können der Sollwert an Übertragungsleitung 510, der Ausgabewert an Ausgabeleitung 511, und der Messwert an Messleitung 551 Maschineneinheiten oder keine Maschineneinheiten für jeden gemessenen physikalischen Wert aufweisen. In einem Beispiel können der Sollwert, der Ausgabewert und der Messwert skalierte Werte sein, beispielsweise 4 bis 20 Milliampere, oder ein zufälliger Prozentanteil von Originalgrößenwerten.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren 550, das benutzt werden kann, um einen Batch-Prozess zu steuern. In Schritt 552 werden das Glättungs- und das Entkopplungsfaltungsfenster bereitgestellt, beispielsweise entweder experimentell oder durch Prozessmodellierung. Das gewünschte Prozesswertprofil oder Rezept wird in Schritt 554 bereitgestellt. Die Abweichungshistorie kann in Schritt 556 auf null initialisiert werden, und die vorhergehende Ausgabehistorie kann als gleich dem Wunschwertprofil initialisiert werden.
Der erste Batch kann an Schritt 560 ausgeführt werden, unter Benutzung des Ausgabeprofils, das zuvor als das Wunschwertprofil initialisiert wurde. In dem ersten Batch liegt kein Einfluss von einer vorhergehenden Ausgabe oder Abweichungshistorie vor. Die Ausgabehistorie und die Abweichungshistorie des aktuellen Batch können in Schritt 562 aufgezeichnet werden. Nach Abschluss des Batch-Ablaufs, oder nachdem ein ausreichender Teil des ersten Batch-Ablaufs abgeschlossen wurde, kann in Schritt 564 unter Benutzung der Faltungsfenster, der Abweichungshistorie und der Ausgabehistorie ein neues Ausgabeprofil erzeugt werden. In Schritt 560 kann unter Benutzung der neuen Ausgaben ein neuer Batch ausgeführt werden.
12 zeigt ein Ablaufdiagramm der höheren Ebene eines Verfahrens 580 zum Ermitteln von Werten zur Bestückung des Glättungs- und des Entkopplungsfaltungsfensters. In Schritt 582 wird dem Prozess ein Impuls oder eine Schrittausgabe zugeführt, wobei die Prozessreaktionsdaten in Schritt 584 gesammelt werden. Die Breite und die geeigneten Werte für das Glättungsfaltungsfenster können in Schritt 586 bestimmt werden. Die Breite und die geeigneten Werte für das Entkopplungsfaltungsfenster können in Schritt 588 bestimmt werden.
Wie oben erörtert, können die Breite der Gleitfenster und die Form der Abweichungs- oder Entkopplungsfaltungsfenster-Gewichtungsfaktoren und der Ausgabe- oder Glättungsfaltungsfenster-Gewichtungsfaktoren für einen jeweiligen Batch-Prozess experimentell bestimmt werden. Die Prozesscharakteristika, die zum Bestücken des Abweichungsgewichtungsfaktor-Fensters und des Ausgabegewichtungsfaktor-Fensters benötigt werden, können experimentell bestimmt werden. Die Einstellungsberechnungen zum Bestücken der Fenster und zum Bestimmen der Fensterbreite können ein gemitteltes FIR-(Finite Impulse Response – endliche Impulsantwort)-Modell des Prozessimpulses oder der Schrittantwort benutzen, sowie ein Unsicherheitsmodell für diese Antwort.
Das Berechnen der iterativen Aktualisierungssteuerfenster-Folgen kann gemäß einem der veröffentlichten Verfahren erfolgen, wie beispielsweise von D. Gorinevsky in „Distributed System Loop Shaping Design of Iterative Control or Batch Processes", Proc. of IEEE Conference on Decision and Control, Seiten 203 bis 208, Phoenix, AZ, Dezember 1999 erörtert, was hiermit durch Querverweis zitiert wird. Das Modell für eine gemittelte Impulsprozess-Impulsantwort kann aus einem verfügbaren Hauptsatz-Prozessmodell oder als Ergebnis einer experimentellen Identifizierung eines Prozesses ermittelt werden. Das erforderliche Unsicherheitsmodell kann aufgrund der zugrunde liegenden Prozess-Nichtlinearität eine Variation der Prozessimpulsantwortform für den Batch-Ablauf beschreiben. Das Unsicherheitsmodell kann zusammen mit dem Prozessantwortmodell automatisch bestimmt werden. Alternativ kann ein Nutzer den Modellunsicherheitsgrad als einen Einstellungsparameter bereitstellen. Dieser Einstellungsparameter definiert in praktischer Weise den grundsätzlichen Kompromiss zwischen Steuerung oder Leistung und Robustheit oder Steuerenergie im Restfehler im dem aufgegebenen Ansatz der Steuerungsaktualisierung mit iterativer Aktualisierung.
In den meisten Fällen wird eine experimentelle Ermittlung im Prozess benutzt. Ein Modell der gemittelten Impuls- oder Sollantwort des Prozesses kann erzielt werden, indem ein Batch-Ablauf gebildet wird, wobei dem Sollwert oder dem gewünschten Temperaturprofil eine spezielle Erregungssequenz hinzugefügt wird. Indem die Daten während des Identifizierungsexperiments gesammelt werden und mit Grundliniendaten verglichen werden, die ohne Erregungssequenz gesammelt wurden, und indem eine Signalverarbeitung wie z.B. die Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt wird, kann die Sollantwort aus den Daten ermittelt werden.
Ein FIR-Modell der Schritt- oder Impulsantwort kann unter Benutzung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate und Algorithmen, die Fachleuten gut bekannt sind, aus den gesammelten Daten ermittelt werden. In einer Ausführungsform werden ein erster Batch-Ablauf und eine Schritt- oder Impulsprüfung durchgeführt, um die notwendige Prozessdynamik zu ermitteln. Die gesammelten Daten können benutzt werden, um die empfohlene Gleitfensterlänge und -form des Entkopplungsfaltungsfensters (Abweichungsgewichtungsfaktor-Fensters) und des Glättungsfaltungsfensters (Ausgabegewichtungsfaktor-Fensters) zu erzeugen, wie in der Arbeit von Gorinevsky erörtert, die zuvor durch Querverweis zitiert wurde.
Wie in Bezug auf 1B erörtert, kann die vorliegende Erfindung mit MIMO-(Multiple Input Multiple Output)-Prozessen sowie mit SISO-(Single Input Single Output)-Prozessen benutzt werden. Eine vorteilhafte Nutzungsweise der vorliegenden Erfindung ist die Wärmeschnellverarbeitung von Material, beispielsweise von Halbleitermaterial in Wärmekammern. Die Kammern weisen eine Vielzahl von Wärmelampen und Temperatursensoren auf. Die Temperatursensoren und Wärmevorrichtungen können in Kanälen gruppiert sein, wobei die Sensorausgaben gemittelt werden können, und die Heizvorrichtungen in Gruppen gesteuert werden können.
Die vorliegende Erfindung soll nun mathematisch unter Bezugnahme auf einzelne und mehrere Kanäle erörtert werden. Dabei soll „k" für die Batch-Ablaufnummer des vorhergehenden Batch-Ablaufs stehen, und „k + 1" die Batch-Nummer des aktuellen Batch-Ablaufs sein. Unter Bezugnahme auf 1A kann eine Ausgabe 40 als u bezeichnet werden, und soll im Folgenden als u(t|k + 1) für die Ausgabe in einem jeweiligen Zeitschlitz „t" in dem aktuellen Batch „k + 1" erörtert werden. u(t|k) ist die Ausgabe von dem vorhergehenden Batch-Ablauf in Zeitschlitz „t". M soll die Breite der Faltungsfenster sein, wobei die Variable „j" für die Iteration durch die Zeitschlitze der Faltungsfenster benutzt wird. Die Variablen „+n" und „–m" stellen den Abschnitt des Faltungsfensters dar, der sich zeitlich von der aktuellen Zeit „t" jeweils in positive bzw. negative Richtung erstreckt. Das kleine e(t – j|k) stellt den Abweichungs- oder Fehlerausdruck dar, der dem „j"-ten Zeitschlitz in Bezug auf den aktuellen Zeitpunkt „t" in dem vorhergehenden Batch-Ablauf „k" entspricht. D(j) stellt das Entkopplungsfaltungsfenster oder das Fenster dar, das die Gewichtungsfaktoren für die Abweichungs- oder Fehlerausdrücke enthält. S(j) ist das Glättungsfaltungsfenster oder Ausgabegewichtungsfaktor-Fenster. Die unten stehenden Gleichungen können auch in Vektor- oder Arrayschreibweise betrachtet werden, um als Vektoren oder Arrays in die benannten Variablen indiziert zu werden. Die Ausgabe u(t|k + 1) in einem jeweiligen Zeitschlitz „t" kann wie folgt ausgedrückt werden:
Es ist zu beachten, dass „j" durch die Fenster e(t – j) und u(t – j) iterieren kann, wobei die Fenster Verschiebungen aufweisen, um die entsprechenden Positionen in den entsprechenden historischen Speicherungsbereichen anzuzeigen.
Wenn eine Vielzahl von Zonen oder Kanälen benutzt wird, die jeweils durch „y" dargestellt werden, kann die Ausgabe u_y(t|k + 1) eines jeweiligen Zeitschlitzes „t" wie folgt ausgedrückt werden:
Nachdem so die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden Fachleute leicht verstehen, dass die hierin enthaltenen Lehren innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche auch auf weitere Ausführungsformen angewandt werden können.

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer Ausgabe (202) zu einer ausgewählten Zeit (t) eines aktuellen Batch-Ablaufs, um eine Batch-Ablaufvariable zu steuern, wobei sich der Batch-Ablauf über eine Zeitdauer erstreckt, und ein gewünschtes Prozesswertprofil (62) aufweist, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Erhalten einer Abweichungshistorie-Wertemenge (130) für einen unmittelbar vorhergehenden Batch-Ablauf, wobei die Abweichungshistorie-Wertemenge eine Abweichung (208) zwischen der Batch-Ablaufvariable (70) und dem gewünschten Prozesswertprofil (62) zu ausgewählten Zeitintervallen (132) während des vorhergehenden Batch-Ablaufs darstellt; Erhalten einer Ausgabehistorie-Wertemenge (110) für den unmittelbar vorhergehenden Batch-Ablauf, wobei die Ausgabehistorie-Wertemenge die Ausgaben (209) darstellt, die zu ausgewählten Zeitintervallen (112) während des vorhergehenden Batch-Ablaufs bereitgestellt wurden; Erzeugen einer Glättungsaktualisierung (206) als eine Funktion einer Untermenge (114) der vorhergehenden Ausgabehistorie-Wertemenge nahe der ausgewählten Zeit in dem vorhergehenden Batch-Ablauf, und als eine Funktion eines Glättungsfaltungsfensters (203); Erzeugen einer Entkopplungsaktualisierung (251) als eine Funktion einer Untermenge (134) der vorhergehenden Abweichungshistorie-Wertemenge nahe dem ausgewählten Zeitpunkt in dem vorhergehenden Batch-Ablauf, und als eine Funktion eines Entkopplungsfaltungsfensters (300); Erzeugen der Ausgabe als eine Funktion der Glättungsaktualisierung und der Entkopplungsaktualisierung.
Verfahren zum Erzeugen einer Ausgabe (202) nach Anspruch 1, wobei die Ausgabehistorie-Untermenge (114) eine Anzahl von Schlitzen (120, 116, 118) aufweist, und wobei das Glättungsfaltungsfenster (203) Ausgabegewichtungsfaktoren (234, 230, 226, 242) für jeden der Zeitschlitze enthält, wobei die Glättungsaktualisierung (206) berechnet wird, indem die Ausgabeuntermengenwerte mit den entsprechenden Ausgabegewichtungsfaktoren multipliziert werden.
Verfahren zum Erzeugen einer Ausgabe (202) nach Anspruch 1, wobei die Abweichungsuntermenge (134) eine Anzahl von Zeitschlitzen (140, 136, 138) aufweist, und wobei das Entkopplungsfaltungsfenster (300) Abweichungsgewichtungsfaktoren (254, 258, 263) für jeden der Zeitschlitze enthält, wobei die Entkopplungsaktualisierung (251) berechnet wird, indem die Abweichungsuntermengenwerte mit den entsprechenden Abweichungsgewichtungsfaktoren multipliziert werden.
Verfahren zum Erzeugen einer Ausgabe (202) nach Anspruch 1, wobei: die Ausgabehistorie-Untermenge (114) eine Anzahl von Zeitschlitzen (120, 116, 118) aufweist, und wobei das Glättungsfaltungsfenster (203) Ausgabegewichtungsfaktoren (234, 230, 226, 242) für jeden der Zeitschlitze enthält, wobei die Glättungsaktualisierung (206) berechnet wird, indem die Ausgabeuntermengenwerte mit den entsprechenden Ausgabegewichtungsfaktoren multipliziert werden; und die Abweichungsuntermenge (134) eine Anzahl von Zeitschlitzen (140, 138, 138) aufweist, und wobei das Entkopplungsfaltungsfenster (300) Abweichungsgewichtungsfaktoren (254, 258, 263) für jeden der Zeitschlitze enthält, wobei die Entkopplungsaktualisierung (251) berechnet wird, indem die Abweichungsuntermengenwerte mit den entsprechenden Abweichungsgewichtungsfaktoren multipliziert werden.
Verfahren zum Erzeugen einer Ausgabe (202) nach Anspruch 1, wobei die Ausgabe erzeugt wird, indem die Glättungsaktualisierung (206) und die Entkopplungsaktualisierung (251) zu dem Ausgabewert der ausgewählten Zeit (t) in dem vorhergehenden Batch-Ablauf hinzuaddiert werden.