JP2002318602A - Device and method for controlling discrete time sliding mode for process system having dead time - Google Patents

Device and method for controlling discrete time sliding mode for process system having dead time

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JP2002318602A
JP2002318602A JP2001191840A JP2001191840A JP2002318602A JP 2002318602 A JP2002318602 A JP 2002318602A JP 2001191840 A JP2001191840 A JP 2001191840A JP 2001191840 A JP2001191840 A JP 2001191840A JP 2002318602 A JP2002318602 A JP 2002318602A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a discrete time sliding mode control system whose robust stability and adaptive controllability is excellent for a process system having a dead time. SOLUTION: In this discrete time sliding mode controller designated for the model of a linear transmission function expressing an object 11 to be controlled, the model of the object 11 to be controlled includes a linear approximate formula obtained by Pad approximating the dead time elements of the object 11 to be controlled. A disturbance observer 12 estimates state variables x1 and x2 and disturbance d from an input u and an output y of the object 11 to be controlled. A supervisor 13 is provided with a function of optimizing a target value r in the process according to the history of a disturbance estimated value from the disturbance observer 12, and stabilizing an integrated value z of a deviation between a target value r and the output y of the object 11 to be controlled. Sliding mode arithmetic parts 14-23 calculates a control input u to the object 11 to be controlled based on the target value r and the output y of the object 11 to be controlled and the estimated values of the stage variables x1 and x2 from the disturbance observer 12.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、むだ時間を有する
プロセス系に対する離散時間スライディングモード制御
に関する。
The present invention relates to discrete-time sliding mode control for a process system having a dead time.

【0002】[0002]

【従来の技術】PID制御がプロセス系の制御方法として
広く採用されている。一般にプロセス系はむだ時間要素
を有するが、PID制御のゲインの調整などにより、そこ
そこ望ましい制御特性を達成することができる。
2. Description of the Related Art PID control is widely used as a control method for a process system. Generally, a process system has a dead time element, but a moderately desirable control characteristic can be achieved by adjusting the gain of PID control or the like.

【0003】ここで、従来からPID制御が適用されてき
たプロセス系の一例として、半導体製造装置においてウ
ェハの高速冷却に用いられているクーリングプレートを
挙げる。図1は、そのようなクーリングプレートの一構
造例の大まかな断面図である。
Here, as an example of a process system to which PID control has been conventionally applied, there is a cooling plate used for high-speed cooling of a wafer in a semiconductor manufacturing apparatus. FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of the structure of such a cooling plate.

【0004】図1に示すクーリングプレート1は、内部
に冷却水路をもった円板形の水冷板2と、その上に重ね
られた、ペルチェ効果を利用して電力で熱を片面から反
対面へと移動させる円板形の熱電変換モジュール3と、
その上に重ねられた、熱伝導率の良い円板形の表面プレ
ート4とを有する。表面プレート4の上面の数箇所には
微小高さのシム6があり、それらのシム6の上に半導体
ウェハ5が載置されることになる。シム6は、半導体ウ
ェハ5を表面プレート5から微小高さだけ持ち上げて支
えることになる。表面プレート5内には、温度センサ7
が埋め込まれている。
A cooling plate 1 shown in FIG. 1 has a disc-shaped water cooling plate 2 having a cooling water passage therein, and heat is transferred from one side to the other side by electric power using the Peltier effect, which is superposed thereon. A disk-shaped thermoelectric conversion module 3 to be moved;
And a disc-shaped surface plate 4 having good thermal conductivity superposed thereon. There are shims 6 having a very small height at several places on the upper surface of the front plate 4, and the semiconductor wafer 5 is placed on the shims 6. The shim 6 lifts and supports the semiconductor wafer 5 from the surface plate 5 by a very small height. A temperature sensor 7 is provided in the surface plate 5.
Is embedded.

【0005】図1に示すクーリングプレート1は例えば
次のように制御される。一定流量で冷却水が水冷板2に
流され続ける。このクーリングプレート1上に、(例え
ば150℃程度の)熱い半導体ウェハ5が載置される。
その半導体ウェハ5を高速かつスムーズに目標温度(例
えば23℃程度)まで冷却するように、図示しない制御
装置が、温度センサ7から表面プレート4の温度をフィ
ードバックし、そのフィードバック値に応じて熱電変換
モジュール3の入力電力(又は電流値)を操作し、それ
により、表面プレート4の温度を制御する。
The cooling plate 1 shown in FIG. 1 is controlled, for example, as follows. Cooling water continues to flow through the water cooling plate 2 at a constant flow rate. On this cooling plate 1, a hot semiconductor wafer 5 (for example, about 150 ° C.) is placed.
A control device (not shown) feeds back the temperature of the surface plate 4 from the temperature sensor 7 so that the semiconductor wafer 5 is cooled quickly and smoothly to a target temperature (for example, about 23 ° C.), and the thermoelectric conversion is performed according to the feedback value. Manipulate the input power (or current value) of the module 3 and thereby control the temperature of the face plate 4.

【0006】図2は、上記の制御が目指す、ウェハ5の
温度(以下、ウェハ温度という)と表面プレート4の温
度(以下、プレート温度という)と熱電変換モジュール
3の入力電力(以下、操作量という)の時間的変化の軌
跡を示している。図2において、温度値Tcは、ウェハ温
度をその目標値に維持するためのプレート温度の目標値
である。
FIG. 2 is a graph showing the temperature of the wafer 5 (hereinafter, referred to as a wafer temperature), the temperature of the front plate 4 (hereinafter, referred to as a plate temperature), and the input power of the thermoelectric conversion module 3 (hereinafter, referred to as an operation amount). ) Is shown. In FIG. 2, a temperature value Tc is a target value of the plate temperature for maintaining the wafer temperature at the target value.

【0007】図2に示すように、ウェハが載置された時
点で、まず、最大の操作量-maxで冷却が行われ、ウェハ
温度を速やかに降下させる。プレート温度が目標値Tcよ
り所定値Tmだけ低い温度Tc-Tmまで低下した時点で、プ
レート温度のフィードバックPID制御が開始される。こ
のフィードバックPID制御により、プレート温度は目標
値Tcに向かって上昇していき、それに伴い、ウェハ温度
はその目標温度に向かって降下していく。そして、プレ
ート温度とウェハ温度は、理想的には図示のようにスム
ーズに、それぞれの目標温度に到達し整定する。なお、
以下の説明では、図2に示すプレート温度の軌跡におい
て、温度Tc-Tmに達した点、つまり、下降から上昇に転
じる点を、「折り返し点」と呼ぶ。
As shown in FIG. 2, when the wafer is placed, first, cooling is performed with the maximum operation amount -max, and the wafer temperature is rapidly lowered. When the plate temperature falls to a temperature Tc-Tm lower than the target value Tc by a predetermined value Tm, feedback PID control of the plate temperature is started. By the feedback PID control, the plate temperature increases toward the target value Tc, and accordingly, the wafer temperature decreases toward the target temperature. Then, the plate temperature and the wafer temperature ideally smoothly reach the respective target temperatures and settle as shown in the figure. In addition,
In the following description, in the locus of the plate temperature shown in FIG. 2, a point at which the temperature reaches Tc-Tm, that is, a point at which the temperature changes from falling to rising is referred to as a "turning point".

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のクーリ
ングプレート1のPID制御には次のような問題がある。
The above-described conventional PID control of the cooling plate 1 has the following problems.

【0009】(1) ウェハ冷却整定時間(=図2に示
す、ウェハを載置してからウェハ温度が目標温度に整定
するまでの時間)を短縮したいという要求がある。例え
ば、従来はウェハ冷却整定時間に30秒程度かかってい
るところ、これを20秒未満に短縮したいという要求が
ある。図2の操作量の軌跡から分かるように、ウェハ冷
却整定時間のうち、フィードバックPID制御が利くのは
最後の部分だけである。ウェハ冷却整定時間を例えば1
8秒程度まで短縮したとしたならば、フィードバックPI
D制御を利かすことができる期間は最後のわずか数秒間
程度になる。よって、この数秒間という短時間に制御量
を確実に目標値に整定させる制御能力が必要になる。そ
のためには、プロセス系のもつむだ時間をきちんと考慮
した制御系を設計が必要である。しかし、従来のPID制
御系の設計では、むだ時間は曖昧に取り扱われている。
よって、上述の要求を満たすことは難しい。
(1) There is a demand for shortening the wafer cooling settling time (= the time from when the wafer is placed until the wafer temperature is settled to the target temperature as shown in FIG. 2). For example, conventionally, it takes about 30 seconds for the wafer cooling settling time, but there is a demand to reduce this to less than 20 seconds. As can be seen from the trajectory of the operation amount in FIG. 2, the feedback PID control is effective only in the last part of the wafer cooling settling time. Set the wafer cooling settling time to, for example, 1
If it is shortened to about 8 seconds, feedback PI
The period during which D control can be used is only the last few seconds. Therefore, a control ability for surely stabilizing the control amount to the target value in the short time of several seconds is required. To do so, it is necessary to design a control system that takes into account the dead time of the process system. However, in the design of the conventional PID control system, dead time is treated vaguely.
Therefore, it is difficult to satisfy the above requirements.

【0010】(2) 図1に示したクーリングプレート1
に流れる冷却水の温度は、例えば15℃〜30℃位の範
囲で変動する。この冷却水温の変動により、このクーリ
ングプレート1のシステムパラメータが大きく変動す
る。システムパラメータが変わった場合、PID制御で
は、制御パラメータを調整しない限り、制御特性が悪化
してしまう。例えば、冷却水温が高くなると、プレート
温度軌跡にオーバーシュートが現れ、逆に低くなるとア
ンダーシュートが現れてしまう。そこで、制御パラメー
タを調整することなしにシステムパラメータの変動に対
応できるというロバスト安定性、及び、常に希望の制御
軌跡にきちんと拘束させ得るという適応制御性におい
て、より優れた制御系が望まれている。従来、ロバスト
安定性と適応制御性に優れた制御手法の一つとして、ス
ライディングモード制御が知られている。しかし、スラ
イディングモード制御においても、上記(1)で述べたよ
うなむだ時間を正面から取り扱った制御は従来知られて
いない。
(2) Cooling plate 1 shown in FIG.
The temperature of the cooling water flowing through the chamber fluctuates, for example, in the range of about 15 ° C. to 30 ° C. Due to the fluctuation of the cooling water temperature, system parameters of the cooling plate 1 largely fluctuate. If the system parameters change, the control characteristics of PID control deteriorate unless the control parameters are adjusted. For example, when the cooling water temperature increases, an overshoot appears on the plate temperature trajectory, and when the cooling water temperature decreases, an undershoot appears. Therefore, there is a demand for a control system that is more excellent in robust stability, which can cope with fluctuations in system parameters without adjusting control parameters, and in adaptive controllability, which can always be properly constrained to a desired control trajectory. . Conventionally, sliding mode control is known as one of the control methods excellent in robust stability and adaptive controllability. However, even in the sliding mode control, there has not been known a control in which dead time is dealt with from the front as described in (1) above.

【0011】(3) ウェハの初期温度も、例えば70℃
〜150℃位の範囲で変動する。つまり、大きさの異な
る初期外乱が存在する。図2を参照して説明した従来の
制御では、プレート温度が折り返し点(温度Tc-Tmの
点)に達した時点でフィードバックPID制御を開始して
いる。つまり、それ以前におけるウェハの初期温度の影
響は何も考慮していない。そのため、ウェハの初期温度
が違えば、プレート温度が折り返し点に到達するまでの
時間が変わってしまい、よって、ウェハ冷却整定時間が
変わってしまう。このように、従来の制御は、初期外乱
に対する適応制御性の面でも問題がある。
(3) The initial temperature of the wafer is, for example, 70 ° C.
It fluctuates in the range of about 150 ° C. That is, there are initial disturbances having different magnitudes. In the conventional control described with reference to FIG. 2, feedback PID control is started when the plate temperature reaches a turning point (point of temperature Tc-Tm). That is, no consideration is given to the influence of the initial temperature of the wafer before that. Therefore, if the initial temperature of the wafer is different, the time required for the plate temperature to reach the turning point changes, and accordingly, the wafer cooling settling time changes. As described above, the conventional control also has a problem in adaptive controllability with respect to the initial disturbance.

【0012】(4) 図1に例示したクーリングプレート
1は、1入力1出力系である。しかし、プレートの表面
領域が複数のゾーンに分割されていて、各ゾーンごとに
動特性及び外部からの熱外乱の大きさが異なり、各ゾー
ンごとに別の制御系を適用する必要があるような、多入
力多出力系のクーリングプレートが存在する。このよう
な多入力多出力系の制御において、制御パラメータの調
整なしに、全ての出力を均しく制御できるような制御系
も望まれている。
(4) The cooling plate 1 illustrated in FIG. 1 is a one-input one-output system. However, the surface area of the plate is divided into a plurality of zones, and the dynamic characteristics and the magnitude of external thermal disturbance are different for each zone, so that it is necessary to apply a different control system to each zone. And a cooling plate of a multi-input multi-output system. In such control of a multi-input multi-output system, a control system capable of uniformly controlling all outputs without adjusting control parameters is also desired.

【0013】従って、本発明の目的は、むだ時間を有す
るプロセス系に対する、ロバスト安定性及び適応制御性
に優れた離散時間スライディングモード制御系を提供す
ることにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a discrete time sliding mode control system which is excellent in robust stability and adaptive controllability for a process system having a dead time.

【0014】本発明の別の目的は、多入力多出力のプロ
セス系に対する、制御パラメータの調整なしに、全ての
出力をできるだけ均しく制御できるような制御系を提供
することにある。
It is another object of the present invention to provide a control system for a multi-input multi-output process system which can control all outputs as evenly as possible without adjusting control parameters.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の観点に従
う制御装置は、制御対象を表した線形の伝達関数のモデ
ルに対して設計された離散時間スライディングモード制
御装置であって、そのモデルは、制御対象の持つむだ時
間要素を線形近似した線形近似式を含んでいる。そし
て、この離散時間スライディングモード制御装置は、制
御対象の入力と出力から前記モデルの状態変数と外乱を
推定する外乱オブザーバと、与えられた目標値と制御対
象の出力と前記外乱オブザーバからの状態変数の推定値
とに基づいて、制御対象への制御入力を演算するスライ
ディングモード演算部とを備える。この制御装置は、む
だ時間を有するプロセス系に対して、ロバスト安定性と
適応性制御性に優れた制御を行うことができる。
A control device according to a first aspect of the present invention is a discrete-time sliding mode control device designed for a model of a linear transfer function representing a control object, the control device comprising: Includes a linear approximation formula that linearly approximates a dead time element of the control target. The discrete-time sliding mode controller includes a disturbance observer for estimating a state variable and a disturbance of the model from an input and an output of the control object, a given target value, an output of the control object, and a state variable from the disturbance observer. And a sliding mode calculation unit that calculates a control input to the control target based on the estimated value of the control mode. This control device can perform control excellent in robust stability and adaptive controllability on a process system having a dead time.

【0016】制御入力の演算では、目標値と制御対象の
出力との偏差を積分した積分値が用いられる。好適な実
施形態では、制御対象の出力に基づいて上記積分値につ
いての安定値を計算して、プロセス中の所定の時点で上
記積分値を前記安定値に設定することにより、高速な制
御が計られる。
In the calculation of the control input, an integrated value obtained by integrating the deviation between the target value and the output of the controlled object is used. In a preferred embodiment, a high-speed control is achieved by calculating a stable value for the integrated value based on the output of the controlled object and setting the integrated value to the stable value at a predetermined point in the process. Can be

【0017】また、好適な実施形態は、プロセス中に、
外乱オブザーバからの外乱の推定値の履歴に基づいて、
目標値を最適化するオンライン最適化機構を更に備え
る。これにより、外乱に対する適応制御性を向上する。
Also, a preferred embodiment is that during the process
Based on the history of disturbance estimates from the disturbance observer,
The system further includes an online optimization mechanism for optimizing the target value. Thereby, adaptive controllability against disturbance is improved.

【0018】また、好適な実施形態は、外乱オブザーバ
が、むだ時間を線形近似することによる近似差を演算す
る近似誤差システムを有し、その近似誤差と前記制御対
象の出力とに基づいて状態変数及び外乱を推定する。こ
れにより、近似誤差に起因するチャタリングなどが抑制
され、ロバスト安定性が向上する。
In a preferred embodiment, the disturbance observer has an approximation error system for calculating an approximation difference obtained by linearly approximating the dead time, and a state variable is calculated based on the approximation error and the output of the controlled object. And the disturbance is estimated. Thereby, chattering or the like due to the approximation error is suppressed, and robust stability is improved.

【0019】好適な実施形態では、外乱オブザーバは、
所定の最適極配置アルゴリズムによって定められたゲイ
ンを持つ。
In a preferred embodiment, the disturbance observer is
It has a gain determined by a predetermined optimal pole assignment algorithm.

【0020】本発明の制御装置は、1自由度の非常にシ
ンプルな制御構造であり、また演算負荷も小さいにもか
かわらず、従来法と比較して、目標値応答特性を大幅に
改善することができる。
The control device of the present invention has a very simple control structure with one degree of freedom, and has a significantly improved target value response characteristic as compared with the conventional method despite a small calculation load. Can be.

【0021】本発明の第2の観点に従う制御装置は、多
入力多出力のプロセス系に対するものであり、その多入
力多出力系を構成する複数の単入出力系の中から選ばれ
た1つの基準系を表したモデルに対して設計された離散
時間スライディングモード制御装置と、基準系以外の他
の各系を表したモデルに対して設計された離散時間スラ
イディングモード制御装置とを備える。そして、他の各
系に対する離散時間スライディングモード制御装置は、
上記基準系のモデルを規範モデルとするモデル規範形の
制御装置として構成されている。
The control device according to the second aspect of the present invention is for a multi-input multi-output process system, and one of the plurality of single input / output systems constituting the multi-input multi-output system. A discrete-time sliding mode controller designed for a model representing a reference system and a discrete-time sliding mode controller designed for a model representing each system other than the reference system are provided. And the discrete-time sliding mode controller for each of the other systems is:
It is configured as a model reference type control device using the model of the reference system as a reference model.

【0022】本発明の第3の観点に従うオブザーバ設計
方法は、制御対象を表した線形の伝達関数のモデルであ
って、制御対象の持つむだ時間要素を線形近似した線形
近似式を含んだモデルの状態変数と外乱を、制御対象の
入力と出力から推定する外乱オブザーバの極(例えば後
述の最適極)を所定の最適極配置アルゴリズムを用いて
算出するステップと、算出した極を用いて外乱オブザー
バのゲインを定めるステップとを有する。
An observer design method according to a third aspect of the present invention is a model of a linear transfer function model representing a controlled object, the model including a linear approximation formula obtained by linearly approximating a dead time element of the controlled object. Calculating a state variable and a disturbance by using a predetermined optimum pole arrangement algorithm to calculate a pole (for example, an optimum pole described later) of the disturbance observer for estimating the state variable and the disturbance from the input and output of the control object; Determining a gain.

【0023】本発明の第4の観点に従うコンピュータプ
ログラムは、制御対象を表した線形の伝達関数のモデル
であって、制御対象の持つむだ時間要素を線形近似した
線形近似式を含んだモデルの状態変数と外乱を、制御対
象の入力と出力から推定する外乱オブザーバの極(例え
ば後述の最適極)を算出する算出ステップをコンピュー
タに実行させるためのコンピュータプログラムである。
A computer program according to a fourth aspect of the present invention is a computer program, comprising: a model of a linear transfer function representing a control target, the model including a linear approximation formula that linearly approximates a dead time element of the control target. A computer program for causing a computer to execute a calculation step of calculating a pole (for example, an optimum pole described later) of a disturbance observer that estimates a variable and a disturbance from inputs and outputs of a control target.

【0024】好適な実施形態では、上記算出ステップ
は、外乱オブザーバの推定速度の制限の観点から作成さ
れた条件を基に上記極を算出する。
In a preferred embodiment, the calculation step calculates the pole based on a condition created from the viewpoint of limiting the estimated speed of the disturbance observer.

【0025】また、好適な実施形態では、上記コンピュ
ータプログラムは、算出した極を用いて外乱オブザーバ
のゲインを定めるステップを更にコンピュータに実行さ
せる。
In a preferred embodiment, the computer program causes the computer to further execute a step of determining a gain of the disturbance observer using the calculated pole.

【0026】本発明の制御装置は、専用ハードウェア、
プログラムされたコンピュータ、又はそれらの組み合わ
せのいずれによっても実現することができる。
The control device according to the present invention comprises dedicated hardware,
It can be realized by any of a programmed computer or a combination thereof.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】A. 第1の実施形態 図1に示した構造をもつクーリングプレート1の温度制
御に適用した本発明の一実施形態について説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A. First Embodiment An embodiment of the present invention applied to temperature control of a cooling plate 1 having the structure shown in FIG. 1 will be described.

【0028】A.0 制御系の設計仕様 本実施形態が目指した設計仕様は、一例として下記の通
りである。
A.0 Design Specifications of Control System The design specifications aimed at by the present embodiment are as follows as an example.

【0029】1) ウェハを150→23[℃]に冷却、ウェハ
面内の温度分布±0.2[℃]、冷却水温=25[℃]の条件下
で、ウェハ冷却整定時間を18[s]以内とする。因みに、
従来のPID制御の製品では、同条件下でのウェハ冷却整
定時間は30秒近くである。
1) The wafer is cooled from 150 to 23 [° C], the wafer cooling settling time is within 18 [s] under the conditions of temperature distribution in the wafer surface ± 0.2 [° C] and cooling water temperature = 25 [° C]. And By the way,
In conventional PID control products, the wafer cooling settling time under the same conditions is nearly 30 seconds.

【0030】2) 水温の変動幅15〜30[℃](時変系;静
特性および動特性が大きく変動)に対して、適応性・ロバ
スト性を確立し、制御パラメータの調整なしに上記1)と
同等の冷却性能を実現する。因みに、従来のPID制御の
製品では、ウェハ冷却整定時間は25〜35[s](製品のバラ
ツキ含む)程度の範囲で大きく変動する。
2) Adaptability and robustness to water temperature fluctuation range of 15 to 30 ° C. (time-varying system; static characteristics and dynamic characteristics greatly fluctuate) are established, and the above 1 is adjusted without adjusting control parameters. The same cooling performance as that of (1) is realized. Incidentally, in a conventional PID control product, the wafer cooling settling time greatly varies in the range of about 25 to 35 [s] (including product variation).

【0031】3) ウェハ初期温度の変動幅70〜150[℃]
(大きさの異なる外乱)に対して、適応性を確立し、制御
パラメータの調整なしに上記1)と同様の冷却整定時間を
実現する。
3) Variation range of initial temperature of wafer 70 to 150 [° C]
Adaptability to (disturbances having different magnitudes) is established, and a cooling settling time similar to the above 1) is realized without adjusting the control parameters.

【0032】A.1 制御対象システムのモデリング 図1に示した構造における熱電変換モジュール3の動特
性は大きな非線形性を有し、物理モデルの作成が困難で
ある。そこで、ここでは、他のプロセス系に対する汎用
制御機器への応用も考えて、システムを下記(1)式に示
すような「一次遅れ+むだ時間」で近似し、そのシステム
パラメータを閉ループ遂次最小2乗法により推定する。
A.1 Modeling of Controlled System The dynamic characteristics of the thermoelectric conversion module 3 having the structure shown in FIG. 1 have large nonlinearity, and it is difficult to create a physical model. Therefore, here, considering the application to general-purpose control equipment for other process systems, the system is approximated by “first-order delay + dead time” as shown in the following equation (1), and the system parameters are closed-loop Estimate by the square method.

【0033】A.1.1 パラメータ遂次推定A.1.1 Parameter successive estimation

【数1】 (Equation 1)

【0034】まず、(1)式をサンプリング間隔Tsで離散
化した次の(2)式を考える。
Firstly, consider the following equation (2) obtained by discretizing the sampling interval T s of formula (1).

【数2】 ここで、kは離散時間系におけるむだ時間を示してお
り、L>kTsを満足する最大整数を表す。
(Equation 2) Here, k represents a dead time in a discrete time system, and represents a maximum integer satisfying L> kT s .

【0035】さらに、(2)式に対応した次の(3)式を考え
る。
Further, consider the following equation (3) corresponding to equation (2).

【数3】 ここで、kmはむだ時間の最小推定値を示しており、mとk
mはkm<k<km+mを満足するように設定する。次に、(3)
式におけるパラメータ
(Equation 3) Here, it indicates a minimum estimate of the time it k m ham, m and k
m is set so as to satisfy the k m <k <k m + m. Next, (3)
Parameters in expressions

【数4】 を以下の遂次最小2乗法により推定する。(Equation 4) Is estimated by the following successive least squares method.

【0036】[0036]

【数5】 ここで、ωは忘却係数で、0<ω<1として与える。ε
(t)は予測誤差信号を示している。また、
(Equation 5) Here, ω is a forgetting factor, given as 0 <ω <1. ε
(t) indicates the prediction error signal. Also,

【数6】 は未知パラメータθの推定値である。ψ(t−1)はデータ
ベクトルであり、次式により与えられる。
(Equation 6) Is an estimated value of the unknown parameter θ. ψ (t−1) is a data vector, which is given by the following equation.

【数7】 (Equation 7)

【0037】このとき、前記数4に示したシステムパラ
メータの推定値を用いると、プロセスゲイン
At this time, using the estimated value of the system parameter shown in the above equation (4), the process gain

【数8】 、時定数(Equation 8) , Time constant

【数9】 およびむだ時間(Equation 9) And dead time

【数10】 は次式により計算できる。(Equation 10) Can be calculated by the following equation.

【0038】[0038]

【数11】 [Equation 11]

【0039】A.1.2 設計用モデル 図1の構造をもつ或る具体的なクーリングプレートにつ
いて、その動作点(23[℃]/平衡点;25[℃])近傍でのス
テップ応答(目標温度を22℃から28℃へステップ上昇、
及び28℃から22℃へステップ降下)について比例制御
(P=13.0[%/℃])を施した実験結果をベースにして、上
記の遂次パラメータ推定を実際に行った。その結果、プ
ロセスゲイン、時定数およびむだ時間の大きな変動が存
在することがわかったが、このパラメータ推定結果に関
して目標温度をステップ変更した時からプレート温度が
整定するまでの区間の値を平均すると以下のようになっ
た。
A.1.2 Design Model For a specific cooling plate having the structure shown in FIG. 1, a step response (target temperature is set near the operating point (23 ° C./equilibrium point; 25 ° C.)) is set. Step rise from 22 ° C to 28 ° C,
Based on the experimental results of performing proportional control (P = 13.0 [% / ° C.]) on the step drop from 28 ° C. to 22 ° C.), the above-described successive parameter estimation was actually performed. As a result, it was found that there were large fluctuations in the process gain, the time constant, and the dead time.The average of the values from the step change of the target temperature until the plate temperature settled for this parameter estimation result was as follows. It became like.

【0040】[0040]

【数12】 (Equation 12)

【0041】よって、平均的に動作点近傍の制御対象は
次の(10)式のように表される。
Accordingly, the controlled object near the operating point on average is represented by the following equation (10).

【0042】[0042]

【数13】 (Equation 13)

【0043】さらに、設計用モデルとして(10)式のむだ
時間要素に一次のパディ近似を適用した次の(11)式を考
える。
Further, consider the following equation (11) in which a first-order Paddy approximation is applied to the dead time element of equation (10) as a design model.

【0044】[0044]

【数14】 [Equation 14]

【0045】次に、(11)式を状態方程式と出力方程式の
対に書き換えると次の(12)式になる。
Next, when the equation (11) is rewritten into a pair of a state equation and an output equation, the following equation (12) is obtained.

【0046】[0046]

【数15】 (Equation 15)

【0047】(12)式は、正準系への座標変換xa=Txによ
って次の(13)式のようになる。
[0047] (12) is by the coordinate transformation x a = Tx to canonical systems as follows in equation (13).

【0048】[0048]

【数16】 (Equation 16)

【0049】(13)式は連続時間系であるので、サンプリ
ング間隔h=0.05[s]で離散時間系に変換すると次の(1
4)式のようになる。ただし、系の不確かさd(k)を含
む。ここで、kは、(前述の(2)式などに示した連続時間
系における無駄時間ではなく)時間t=Khを満足する値
である
Since the equation (13) is a continuous time system, if it is converted to a discrete time system at a sampling interval h = 0.05 [s], the following (1)
4) It becomes like the formula. However, it includes the system uncertainty d (k). Here, k is a value that satisfies the time t = Kh (not the dead time in the continuous time system shown in the above equation (2)).

【数17】 [Equation 17]

【0050】また、上記プレート温度y≡Tpに対して、
ウェハ温度の動特性は、次の(15)式で表される。
Further, with respect to the above plate temperature y≡T p ,
The dynamic characteristic of the wafer temperature is expressed by the following equation (15).

【数18】 ここで、Cwはウェハの熱容量、αwはプレート/ウェハ間
の等価熱伝達率、Swはプレート/ウェハ間の等価熱伝達
面積、αは大気への熱伝達率、Tは大気温度であ
る。また、λは外乱を入力uと同様の単位に換算する係
数、αcは水冷板への熱伝達率、Scは水冷板への熱伝達
面積、Tcは冷却水温である。
(Equation 18) Where C w is the heat capacity of the wafer, α w is the equivalent heat transfer coefficient between the plate and wafer, Sw is the equivalent heat transfer area between the plate and wafer, α is the heat transfer coefficient to the atmosphere, and T is the atmosphere Temperature. Λ is a coefficient for converting disturbance into the same unit as the input u, α c is a heat transfer coefficient to the water cooling plate, S c is a heat transfer area to the water cooling plate, and T c is a cooling water temperature.

【0051】(15)式において、ウェハからの熱外乱dw
よび時変の水冷板への放熱・吸熱dcは、下記(16)式の定
義により、マッチング条件を満たす。
[0051] In (15), the thermal disturbance d w and the heat endothermic d c of the time to varying water cooling plate from the wafer, the following definitions (16), the matching condition is satisfied.

【数19】 ここで、Hmaxは所定の上限値である。[Equation 19] Here, Hmax is a predetermined upper limit value.

【0052】A.2 制御系設計 非線形、パラメータ変動、時変、未知外乱を有する系に
対して、スライディングモード制御と外乱推定オブザー
バを併用した制御系を以下のように構築する。
A.2 Control System Design For a system having non-linearity, parameter fluctuation, time-variation, and unknown disturbance, a control system using sliding mode control and a disturbance estimation observer is constructed as follows.

【0053】A.2.1 サーボ系の離散時間スライディン
グモード制御 まず、(14)式において、1型のサーボ系を設計する必要
がある。そこにおいて、(14)式の状態変数に目標値rと
出力yとの差の積分値zを付加した拡大系を用いる。観測
できない状態変数は外乱推定オブザーバによる推定値を
用いる。
A.2.1 Discrete Time Sliding Mode Control of Servo System First, in equation (14), it is necessary to design a type 1 servo system. In this case, an expansion system is used in which the integral value z of the difference between the target value r and the output y is added to the state variable of the equation (14). For the state variables that cannot be observed, the values estimated by the disturbance estimation observer are used.

【数20】 ここで、σ(k)は切換関数である。(Equation 20) Here, σ (k) is a switching function.

【0054】A.2.1.1 等価制御系の設計 離散時間系のスライディングモードにおいては、σ(k)=
σ(k+1)=σ(k+1)=…から、等価制御入力ueq(k)は外乱を
考慮しないとすれば、
A.2.1.1 Design of Equivalent Control System In the sliding mode of the discrete time system, σ (k) =
From σ (k + 1) = σ (k + 1) =…, if the equivalent control input u eq (k) does not consider disturbance,

【数21】 となり、等価制御系は次式で表される。(Equation 21) And the equivalent control system is expressed by the following equation.

【数22】 (Equation 22)

【0055】A.2.1.2 超平面の設計 切換え行列Sの決定には、安定余有(等価制御系の固有値
の実部が−ε以下)を指定する設計法を適用する。すな
わち、次の離散系代数リカッチ方程式の解Pを用いて超
平面の切換え行列Sを決定する。
A.2.1.2 Design of Hyperplane In order to determine the switching matrix S, a design method that specifies a stability margin (the real part of the eigenvalue of the equivalent control system is −ε or less) is applied. That is, the switching matrix S of the hyperplane is determined using the solution P of the following discrete system algebraic Riccati equation.

【数23】 (Equation 23)

【0056】ここでは、Q=I、ε=0.075とし、設計され
たSによる等価制御系の固有値は以下となる。
Here, it is assumed that Q = I and ε = 0.075, and the eigenvalue of the designed equivalent control system using S is as follows.

【数24】 (Equation 24)

【0057】A.2.1.3 スライディングモードコントロ
ーラの設計 制御入力uは、次の(22)式のように、線形制御入力ul
非線形制御入力unlの2つから構成される。
A.2.1.3 Design of Sliding Mode Controller As shown in the following equation (22), the control input u is composed of a linear control input u l and a non-linear control input u nl .

【数25】 ここで、線形制御入力ulは前述の等価制御入力ueqとす
る。β(k)は、非線形制御入力のうちの外乱抑圧項であ
る。
(Equation 25) Here, the linear control input u l is the equivalent control input u eq described above. β (k) is a disturbance suppression term in the nonlinear control input.

【0058】ここで、外乱の影響を考える。(17)式のサ
ーボシステムに対して、マッチング条件を満たす外乱が
次のように入るとする。
Here, the influence of disturbance will be considered. It is assumed that a disturbance that satisfies the matching condition for the servo system of Expression (17) is as follows.

【数26】 (Equation 26)

【0059】このとき、β(k)≡0とすると状態の切換面
からの偏差は次の(24)式
At this time, if β (k) ≡0, the deviation of the state from the switching plane is expressed by the following equation (24).

【数27】 の関係を持つ。(24)式の[Equation 27] Have a relationship. (24)

【数28】 がほぼ一定とみなせる場合には、0<η<2ならば[Equation 28] Is almost constant, if 0 <η <2,

【数29】 となる。よって、ηは安定な範囲で大きくすれば、定常
偏差は減少する。また、一般にサンプリング周期を十分
小さくしていくと、Γの要素も比較的小さくなることか
ら、定常偏差も小さくなり、外乱に対してロバストにな
る。
(Equation 29) Becomes Therefore, if η is increased within a stable range, the steady-state deviation decreases. In general, when the sampling period is made sufficiently small, the element of Γ becomes relatively small, so that the steady-state deviation also becomes small, and it becomes robust against disturbance.

【0060】A.2.2 離散時間外乱推定オブザーバの構
成 前述の(14)式において、外乱推定オブザーバを構成す
る。この外乱推定オブザーバの目的は、ウェハからの熱
外乱および冷却水温の変動を入力に重畳した外乱として
推定し、外乱の熱履歴を考慮した状態を推定・フィード
バックすることである。
A.2.2 Configuration of Discrete-Time Disturbance Estimation Observer In equation (14), a disturbance estimation observer is configured. The purpose of the disturbance estimation observer is to estimate the thermal disturbance from the wafer and the fluctuation of the cooling water temperature as a disturbance superimposed on the input, and to estimate and feed back the state in consideration of the thermal history of the disturbance.

【数30】 [Equation 30]

【0061】オブザーバゲインGは、シミュレーション
において試行錯誤的に極配置を行なて、例えば以下とす
る。
The observer gain G is pole-arranged by trial and error in a simulation.

【数31】 (Equation 31)

【0062】A.2.3 ブロック線図 図3に、以上のようにして設計された最終的な離散時間
スライディングモードコントローラのブロック線図を示
す。
A.2.3 Block Diagram FIG. 3 shows a block diagram of the final discrete-time sliding mode controller designed as described above.

【0063】図3において、ブロック11は、制御対象
システム(この実施形態では図1に示したクーリングプ
レート1)を示す。外乱オブザーバ12は、制御対象1
1の出力y(図1のセンサ7で検出されたプレート温
度)を入力して、上述の(26)式に従い、システムの状態
(状態変数x1,x2と外乱d)を推定し、その推定値
In FIG. 3, a block 11 indicates a system to be controlled (in this embodiment, the cooling plate 1 shown in FIG. 1). The disturbance observer 12 is the control target 1
The output y of 1 (the plate temperature detected by the sensor 7 in FIG. 1) is input, and the state of the system (state variables x 1 , x 2 and disturbance d) is estimated according to the above equation (26). Estimate

【数32】 を出力する。スーパバイザ13は、後述するように、サ
ーボ系積分値z(k)の安定値を供給する機構とプレート温
度軌跡をオンラインで最適化する機構とを有し、制御対
象システムの出力(プレート温度)yと外乱オブザーバ
2からの外乱(d)推定値とを入力して、z(k)の安定値
と最適化されたプレート温度の目標値rとを出力する。
(Equation 32) Is output. As will be described later, the supervisor 13 has a mechanism for supplying a stable value of the servo system integrated value z (k) and a mechanism for optimizing the plate temperature trajectory online, and the output (plate temperature) y of the control target system. And the disturbance (d) estimated value from the disturbance observer 2, and outputs a stable value of z (k) and a target value r of the optimized plate temperature.

【0064】ブロック14〜23は、前述の(22)式等に
基づくスライディングモードコントローラである。ブロ
ック15は積分器であり、差分器14からプレート温度
目標値rとプレート温度yとの偏差を入力して、その積
分値z(k)を出力する。ブロック16はベクトル化器であ
り、積分器15からの積分値z(k)と、外乱オブザーバ1
2からの状態変数x1,x2の推定値とをベクトル化して
(つまり、前述の(17)式における切換関数σ(k)を計算
するためのベクトルxs(k)を生成して)出力する。ブロ
ック17は、前述の(21)式に示した切り換え行列Sとの
乗算器であり、(17)式に示したように、切り換え行列S
にベクトル化器16からのベクトルxs(k)を乗じて切換
関数σ(k)の値を求める。ブロック18は平滑関数であ
り、(22)式に示した非線形制御項のうちの||σ(k)||・s
gn[σ(k)]に実質的に相当する値を計算する。ブロック
19は、平滑関数8の計算値を入力して、(22)式に示し
た非線形制御項unl(k)を計算する。ここでは、(22)式の
非線形制御項unl(k)内の外乱抑圧項β(k)は、β(k)≡0
としている。ブロック20〜22は、(22)式の線形制御
項ul(k)を計算する。ブロック23にて、(22)式の制御
入力u(k)=ul(k)+unl(k)が求まる。
Blocks 14 to 23 are sliding mode controllers based on the above equation (22) and the like. The block 15 is an integrator, which inputs the deviation between the plate temperature target value r and the plate temperature y from the differencer 14 and outputs the integrated value z (k). A block 16 is a vectorizer that integrates the integral value z (k) from the integrator 15 and the disturbance observer 1.
Vectorized with the estimated values of the state variables x 1 , x 2 from (2) (ie, generate a vector x s (k) for calculating the switching function σ (k) in the above-mentioned equation (17)) Output. Block 17 is a multiplier with the switching matrix S shown in the above equation (21), and as shown in the equation (17), the switching matrix S
Is multiplied by the vector x s (k) from the vectorizer 16 to determine the value of the switching function σ (k). Block 18 is a smoothing function, and || σ (k) || · s of the nonlinear control term shown in the equation (22).
Calculate a value substantially corresponding to gn [σ (k)]. The block 19 receives the calculated value of the smoothing function 8 and calculates the nonlinear control term u nl (k) shown in the equation (22). Here, the disturbance suppression term β (k) in the nonlinear control term u nl (k) in equation (22) is β (k) ≡0
And Blocks 20 to 22 calculate the linear control term u l (k) in equation (22). At block 23, (22) a control input u (k) = u l ( k) + u nl (k) is obtained.

【0065】A.2.4 高速冷却制御のためのサーボ系積
分値z(k)の安定化機構 図3に示した制御ブロック線図において、スーパバイザ
13は、前述したように、サーボ系積分値z(k)の安定値
を積分器5に供給する機構を有する。前述のように積分
器15は、差分器14から入力されるプレート温度目標
値rとプレート温度yとの偏差を積分するが、プレート
温度yが図2に示した温度Tc-Tmに達した時点で、積分
値(z)を、スーパバイザ13から供給されるz(k)の安定
値に強制的に設定する。それにより、ハンチング現象の
生じない高速冷却制御が達成される。
A.2.4 Mechanism for Stabilizing Servo System Integral Value z (k) for High-Speed Cooling Control In the control block diagram shown in FIG. 3, the supervisor 13 includes the servo system integral value z (k) as described above. A mechanism for supplying the stable value of k) to the integrator 5 is provided. As described above, the integrator 15 integrates the deviation between the plate temperature target value r input from the differentiator 14 and the plate temperature y. When the plate temperature y reaches the temperature Tc-Tm shown in FIG. Then, the integral value (z) is forcibly set to a stable value of z (k) supplied from the supervisor 13. Thereby, high-speed cooling control without hunting phenomenon is achieved.

【0066】図4は、このスーパバイザ13がもつサー
ボ系積分値z(k)の安定値供給機構の動作の流れを示す。
FIG. 4 shows an operation flow of the mechanism for supplying a stable value of the integrated value z (k) of the servo system of the supervisor 13.

【0067】図4に示すように、プレート温度yが図2
に示したウェハの冷却目標温度Tc(例えば23℃)より
例えば0.2℃以上高くはないときには(ステップS1でYe
s)、この機構は、プレート温度yが冷却目標温度Tcに
整定しているとみなし、プレート温度の目標値r(k)を冷
却目標温度Tcから平衡点の温度25℃を差し引いた値に
設定する(ステップS2)。なお、コントローラは、目標
値r(k)の原点を平衡点温度25℃にしているので、ステ
ップS2は、目標値r(k)を冷却目標温度Tcに設定すること
を実質的に意味する。
As shown in FIG. 4, the plate temperature y
Is not higher than the target cooling temperature Tc (for example, 23 ° C.) of the wafer shown in FIG.
s) This mechanism assumes that the plate temperature y is settled at the cooling target temperature Tc, and sets the target value r (k) of the plate temperature to a value obtained by subtracting the equilibrium point temperature 25 ° C. from the cooling target temperature Tc. (Step S2). Note that, since the controller sets the origin of the target value r (k) to the equilibrium point temperature of 25 ° C., step S2 substantially means to set the target value r (k) to the cooling target temperature Tc.

【0068】プレート温度yが図2に示した(ウェハの)
冷却目標温度Tc(例えば23℃)より例えば0.2℃以上
高くなると(ステップS1でNo)、この機構は、クーリン
グプレート上にウェハが載置されたとみなし、プレート
温度の目標値r(k)を図2に示した折り返し点の温度(つ
まり、冷却目標温度Tcから平衡点温度25℃を差し引い
た値から更に所定温度Tmを差し引いた値)に設定する
(ステップS3)。その後、プレート温度がその折り返し
点に達した時点で(ステップS4でYes)、この機構は、
ステップS5へ進み、z(k)の安定値として z(k)=-(S2/S1)×(r(k)/Ω01)-0.65 (28) を計算して、この値を図3に示すように積分器15に出
力する。(28)式で、右辺の第1項は、プレート温度yが
初めからずっと上記設定値Tc-Tmであったと仮定したと
きの積分値z(k)の値であり、その内のS1、S2は(21)式に
示した切り換え行列Sの最初と2番目の要素値であり、
Ω01は前述の(26)式における
The plate temperature y is shown in FIG. 2 (of the wafer).
If the temperature is higher than the cooling target temperature Tc (for example, 23 ° C.) by, for example, 0.2 ° C. or more (No in step S1), this mechanism assumes that the wafer is placed on the cooling plate, and sets the target value r (k) of the plate temperature to The temperature at the turning point shown in FIG. 2 (that is, the value obtained by further subtracting the predetermined temperature Tm from the value obtained by subtracting the equilibrium point temperature of 25 ° C. from the cooling target temperature Tc) is set (step S3). Thereafter, when the plate temperature reaches the turning point (Yes in step S4), the mechanism
The process proceeds to step S5, z z (k) as a stable value (k) = - by calculating (S 2 / S 1) × (r (k) / Ω 01) -0.65 (28), FIG this value The signal is output to the integrator 15 as shown in FIG. In the equation (28), the first term on the right side is the value of the integral value z (k) assuming that the plate temperature y has always been the set value Tc-Tm from the beginning . S 2 is the first and second element values of the switching matrix S shown in equation (21),
Ω 01 in the above-mentioned equation (26)

【数33】 の行列の1番目(左端)の要素値である。(28)式の右辺
の第2項である-0.65は、制御をより安定化させるため
に、プレート温度が上記設定値Tc-Tmよりも更に若干低
かったように修正を加える役目をする調整値である。
[Equation 33] This is the first (leftmost) element value of the matrix. -0.65, the second term on the right-hand side of equation (28), is an adjustment value that serves to modify the plate temperature to be slightly lower than the set value Tc-Tm in order to further stabilize the control. It is.

【0069】A.2.5 ウェハ温度の最短時間冷却整定の
ためのプレート温度軌跡オンライン最適化機構 図3に示したスーパバイザ13は、また、前述したよう
に、プレート温度軌跡をオンラインで最適化する機構を
有する。すなわち、スーパバイザ13のこの最適化機構
は、冷却水温(水冷板からの熱外乱)およびウェハ初期温
度(ウェハからの熱外乱)の変動に応じて、ウェハ温度を
最短時間で冷却目標温度に整定させるための最適なプレ
ート温度軌跡を、プロセス中にオンラインで決定する。
より具体的には、この機構は、図3に示した外乱推定オ
ブザーバ12で推定される熱外乱d(k)の履歴を、水冷
板からの熱外乱d(k)とウェハからの熱外乱d(k)に分
離し、それぞれに対して、図5に示す手順で、三次元的
に最適なプレート温度軌跡(つまり、図2に示す折り返
し点を決める温度Tmの最適値)を決定する。これによ
り、冷却水温やウェハ初期温度の変動による図2に示し
たウェハ温度の最短時間冷却整定が実現できる。
A.2.5 Plate Temperature Trajectory Online Optimization Mechanism for Minimum Time Cooling and Settling of Wafer Temperature The supervisor 13 shown in FIG. 3 also has a mechanism for optimizing the plate temperature trajectory online as described above. Have. That is, this optimization mechanism of the supervisor 13 sets the wafer temperature to the cooling target temperature in the shortest time in accordance with the fluctuation of the cooling water temperature (thermal disturbance from the water cooling plate) and the initial wafer temperature (thermal disturbance from the wafer). The optimal plate temperature trajectory to determine online during the process.
More specifically, this mechanism compares the history of the thermal disturbance d (k) estimated by the disturbance estimation observer 12 shown in FIG. 3 with the thermal disturbance d c (k) from the water cooling plate and the thermal disturbance from the wafer. d w (k), and a three-dimensionally optimum plate temperature trajectory (that is, an optimum value of the temperature Tm that determines the turning point shown in FIG. 2) is determined for each of them by the procedure shown in FIG. . Thereby, it is possible to realize the shortest time cooling settling of the wafer temperature shown in FIG.

【0070】図5に示すように、この最適化機構は、初
期に、温度Tm(以下、「折り返し点の高さ」という)を所
定のデフォルト値に設定する(例えば、1.5℃)(ステ
ップS11)。その後、プレート温度が図2に示したウェ
ハの冷却目標温度Tc(例えば23℃)より例えば0.2℃
以上高くはないとき(ステップS12でNo)であって、且
つ、プレート温度が定常状態にある(ステップS13でYe
s)ときには、この機構は、現在の状態を、前回のウェ
ハ冷却プロセスでプレート温度が定常状態になってから
次の新ウェハが載置されるまでの間の状態であるとみな
し、このときには、水冷板からの熱外乱d(k)を、外乱
オブザーバにより推定された熱外乱d(k)の平均値として
算出する(ステップS14)。その後、プレート温度はま
だ冷却目標温度Tc(例えば23℃)より0.2℃以上高く
はなっていない(ステップS12でNo)が、プレート温度
が定常状態ではなくなったなった(ステップS13でNo)
ならば、この機構は、現在の状態を、新しいウェハがク
ーリングプレートに載置された当初で、まだウェハから
の熱外乱の影響がプレート温度に現れていないときであ
るとみなし、このときには、水冷板からの熱外乱d(k)
を、その直前の最後の上記ステップS14で決定された水
冷板からの熱外乱d(k)の値に設定する(ステップS1
5)。
As shown in FIG. 5, the optimizing mechanism initially sets the temperature Tm (hereinafter referred to as “height of the turning point”) to a predetermined default value (for example, 1.5 ° C.) (step S11). ). Thereafter, the plate temperature is, for example, 0.2 ° C. lower than the wafer cooling target temperature Tc (for example, 23 ° C.) shown in FIG.
(Step S12: No), and the plate temperature is in a steady state (Ye in Step S13).
s) In some cases, the mechanism considers the current state to be a state between the time when the plate temperature becomes steady state in the previous wafer cooling process and the time when the next new wafer is placed, The thermal disturbance d c (k) from the water cooling plate is calculated as an average value of the thermal disturbance d (k) estimated by the disturbance observer (step S14). Thereafter, the plate temperature has not yet become higher than the cooling target temperature Tc (for example, 23 ° C.) by 0.2 ° C. or more (No in step S12), but the plate temperature is no longer in a steady state (No in step S13).
If this is the case, the mechanism considers the current condition to be the time when a new wafer is initially placed on the cooling plate and when the effects of thermal disturbance from the wafer have not yet appeared on the plate temperature, Thermal disturbance d c (k) from plate
Is set to the value of the thermal disturbance d c (k) from the water-cooled plate determined in the last step S14 immediately before (step S1).
Five).

【0071】その後、プレート温度が冷却目標温度Tc
(例えば23℃)より0.2℃以上高くなると(ステップS
12でYes)、この機構は、現在の状態を、クーリングプ
レート上に新しいウェハが載置され、そのウェハからの
熱外乱の影響がプレート温度に現れ出した後の状態であ
るとみなし、このときには、ウェハからの熱外乱d(k)
を、今まで推定された熱外乱d(k)の最大値に設定する
(ステップS16)。そして、この機構は、ステップS17へ
進み、所定の計算式を使って、ウェハからの熱外乱d
(k)の現在の設定値と水冷板からの熱外乱d(k)の現
在の設定値とに基づいて、所定の計算式を使って、折り
返し点の高さTmを計算する。
Thereafter, the plate temperature is set to the cooling target temperature Tc.
(For example, 23 ° C.) higher than 0.2 ° C. (Step S
At 12), the mechanism considers the current state as a state after a new wafer is placed on the cooling plate and the influence of thermal disturbance from the wafer appears on the plate temperature. , Thermal disturbance from the wafer d w (k)
Is set to the maximum value of the thermal disturbance d (k) estimated so far (step S16). Then, the mechanism proceeds to step S17, and using a predetermined calculation formula, the thermal disturbance d from the wafer
based on the current value of w thermal disturbance d c from the current set value of (k) and a water-cooled plate (k), with a predetermined formula to calculate the height Tm turning point.

【0072】ステップS17で使う計算式は、シミュレー
ションおよび実験により試行錯誤的に決定されたもので
あり、例えば、次の(29)式に示すようなものである。
The calculation formula used in step S17 is determined by trial and error through simulation and experiment, and is, for example, as shown in the following formula (29).

【数34】 (Equation 34)

【0073】ウェハが載置されてからプレート温度が折
り返し点に達するまで(ステップS18でNoとなっている
間)、上記ステップS17で計算した折り返し点の高さTm
を維持する。プレート温度が折り返し点に達すると(ス
テップS18でYes)、最初のステップS11に戻って、折り
返し点の高さTmをデフォルト値にする。
The height Tm of the turning point calculated in step S17 until the plate temperature reaches the turning point after the wafer is placed (while the result is No in step S18).
To maintain. When the plate temperature reaches the turning point (Yes in step S18), the process returns to the first step S11, and the height Tm of the turning point is set to a default value.

【0074】A.3 実験結果 上述のスライディングモードコントローラを用いて、そ
の性能を実験的に調べた。この実験は、ウェハ冷却目標
温度を23.0[℃]とし、ウェハ初期温度を70〜180[℃]の
範囲で、冷却水温を15〜30[℃]の範囲でそれぞれ変化さ
せて、ウェハ面内の17点の温度を計測することにより、
ウェハ面内温度分布を含めたウェハ冷却整定時間(ウェ
ハ載置から、ウェハ面内温度分布の平均値が23.00±0.0
5[℃]の範囲内になるまでの時間)を測定した。その結
果を次の表1に示す。
A.3 Experimental Results The performance of the sliding mode controller described above was experimentally examined. In this experiment, the wafer cooling target temperature was set to 23.0 ° C, the initial wafer temperature was changed in the range of 70 to 180 ° C, and the cooling water temperature was changed in the range of 15 to 30 ° C. By measuring the temperature at 17 points,
Wafer cooling settling time including wafer surface temperature distribution (average of wafer surface temperature distribution is 23.00 ± 0.0
The time until the temperature falls within the range of 5 [° C.] was measured. The results are shown in Table 1 below.

【表1】 [Table 1]

【0075】この表から、ウェハ面内温度分布の平均値
で評価した場合、上記のコントローラにより、この実施
形態の説明の最初に示した制御系設計仕様をほぼ満足し
ていることがわかる。
From this table, it can be seen that, when evaluated by the average value of the in-plane temperature distribution of the wafer, the controller almost satisfies the control system design specifications shown at the beginning of this embodiment.

【0076】以上のように、むだ時間を有するプロセス
系に対して適応性・ロバスト性を有する本発明に従うス
ライディングモードコントローラを半導体製造装置用ク
ーリングプレートに応用した本実施形態によれば、冷却
水温およびウェハ初期温度が変化し動特性が大きく変化
する場合においても、制御パラメータの調整を行うこと
なしに、希望の仕様をほぼ満足する短いウェハ冷却整定
時間を実現することができる。
As described above, according to the present embodiment in which the sliding mode controller according to the present invention having adaptability and robustness to a process system having a dead time is applied to a cooling plate for a semiconductor manufacturing apparatus, the cooling water temperature and Even when the initial temperature of the wafer changes and the dynamic characteristics change significantly, a short wafer cooling settling time that almost satisfies the desired specifications can be realized without adjusting the control parameters.

【0077】B. 第2の実施形態 上述した第1の実施形態は1入力1出力系のクーリングプ
レートに本発明を適用したものであるが、この第2の実
施形態は多入力多出力系のクーリングプレートに本発明
を適用したものである。図6は、この第2の実施形態に
おける多入力多出力系のクーリングプレートの大まかな
断面構造(中心から片側のみ)を示す。
B. Second Embodiment The first embodiment described above is one in which the present invention is applied to a one-input one-output cooling plate, but the second embodiment is a multi-input multi-output system. The present invention is applied to a cooling plate. FIG. 6 shows a rough sectional structure (only one side from the center) of the cooling plate of the multi-input multi-output system in the second embodiment.

【0078】図6に示すクーリングプレート100は、
円形の平面形状を有し(図中の左端が中心位置)、その
平面領域は複数のゾーン、例えば3つのゾーンZ1〜Z3に
分かれている(勿論、2ゾーンでも、4以上のゾーンで
もよい)。例えば、第1ゾーンZ1は中央の円形ゾーンで
あり、第2ゾーンZ2は第1ゾーンZ1を包囲するドーナツ
形ゾーンであり、第3ゾーンZ3は第2ゾーンZ2を包囲す
る最も外側のドーナツ形ゾーンである。これらのゾーン
Z1〜Z3には、電気回路的に互いに独立した熱電変換モジ
ュール3-1〜3-3と、プレート温度を検出する温度セン
サ7-1〜7-3がそれぞれ設けられている。
The cooling plate 100 shown in FIG.
It has a circular plane shape (the left end in the figure is the center position), and its plane area is divided into a plurality of zones, for example, three zones Z1 to Z3 (of course, it may be two zones or four or more zones). . For example, the first zone Z1 is a central circular zone, the second zone Z2 is a donut-shaped zone surrounding the first zone Z1, and the third zone Z3 is an outermost donut-shaped zone surrounding the second zone Z2. It is. These zones
Z1 to Z3 are respectively provided with thermoelectric conversion modules 3-1 to 3-3 which are independent from each other in terms of electric circuit, and temperature sensors 7-1 to 7-3 for detecting plate temperature.

【0079】B.0 制御系設計仕様 図6に示したゾーン分割された多入出力系(ゾーンごと
に、動特性および外部からの熱外乱dz1〜dz3が異なる)
に対して、制御パラメータの調整なしに、各ゾーンの軌
跡(昇降温軌跡、負荷変動軌跡等)を同一にする。ただ
し、制御対象たるクーリングプレート100は、ゾーン
間の相互干渉が無視できるように設計されているとす
る。また、温度制御の場合、上記仕様から、3つのゾー
ンのプレート温度が等しい(Tz1=Tz2= Tz3)ならば、他
のゾーンからの熱外乱はゼロ(dz12=d z23= dz13=0)と
みなすことができる。
B.0 Control System Design Specifications The zone-divided multi-input / output system shown in FIG.
In addition, dynamic characteristics and external thermal disturbance dz1~ Dz3Is different)
Without adjusting the control parameters.
Make the traces (temperature rise / fall trajectory, load fluctuation trajectory, etc.) the same. However
The cooling plate 100 to be controlled is located in a zone
Are designed so that mutual interference between them can be ignored.
You. In the case of temperature control, three
Plate temperatures are equal (Tz1= Tz2= Tz3) Then other
The thermal disturbance from the zone is zero (dz12= d z23= dz13= 0) and
Can be considered.

【0080】B.1 積分形超平面を付加したモデル規範
形適応制御系の構成 図6に示した複数のゾーンZ1〜Z3のうち1つのゾーンを
基準ゾーンとする。基準ゾーンに対しては、第1の実施
形態と同様の離散時間スライディングモード制御系を構
築して、これを適用する。その他のゾーンに対しては、
以下に詳述するようにして、基準ゾーンを規範モデルと
する状態誤差システムを作成し、離散時間スライディン
グモードモデル規範形適応制御系を構築して、これを適
用する。このモデル規範形適応制御系の構築では、定常
誤差を消去するために、対象モデルと規範モデルの状態
誤差の積分項を、超平面に加えて設計する。
B.1 Configuration of Model Reference Adaptive Control System with Integral Hyperplane Added One of a plurality of zones Z1 to Z3 shown in FIG. 6 is set as a reference zone. For the reference zone, a discrete time sliding mode control system similar to that of the first embodiment is constructed and applied. For other zones,
As described in detail below, a state error system using a reference zone as a reference model is created, and a discrete-time sliding mode model reference adaptive control system is constructed and applied. In the construction of the model reference adaptive control system, an integral term of a state error between the target model and the reference model is designed in addition to a hyperplane in order to eliminate a steady-state error.

【0081】B.2 制御系設計 B.2.1 基本設計 対象システム(基準ゾーン以外のゾーン)は、次の(30)式
の離散時間系の状態方程式と出力方程式で表す。
B.2 Control System Design B.2.1 Basic Design The target system (a zone other than the reference zone) is represented by a discrete-time state equation and an output equation of the following equation (30).

【数35】 (Equation 35)

【0082】一方、規範モデル(基準ゾーン)は、次の(3
1)式の状態方程式と出力方程式で表す。
On the other hand, the reference model (reference zone) is expressed by the following (3)
It is expressed by the state equation and the output equation of the equation (1).

【数36】 [Equation 36]

【0083】(30)、(31)式に対して、状態誤差システム
を作成するため、以下の(32)式の変換をおこなう。
The following equation (32) is transformed with respect to equations (30) and (31) to create a state error system.

【数37】 (37)

【0084】ここで、Ωm1Xm11X1, Ωm2Xm22X2,
…を仮定すると、
Here, Ω m1 X m1 = Ω 1 X 1 , Ω m2 X m2 = Ω 2 X 2 ,
Assuming…

【数38】 となる。これより、対象システムの状態変数x(k)と規範
モデルの状態変数xm(k)は、正則行列Tによって、
(38) Becomes Thus, the state variable x (k) of the target system and the state variable x m (k) of the reference model are represented by a regular matrix T,

【数39】 の関係にある。ただし、この線形変換によって、特性方
程式も伝達関数行列も不変である。
[Equation 39] In a relationship. However, due to this linear transformation, both the characteristic equation and the transfer function matrix are invariant.

【0085】ここで、対象システムの(30)式を(34)式を
用いて変換すると、新たな状態変数x’(k)で表された次
の(35)式に示す対象システムが作成される。
Here, when the expression (30) of the target system is converted using the expression (34), the target system represented by the following expression (35) represented by a new state variable x ′ (k) is created. You.

【数40】 (Equation 40)

【0086】具体的にxi,xmi;i=1,2すると、以下のよ
うになる。
Specifically, if x i , x mi ; i = 1,2, the following is obtained.

【数41】 [Equation 41]

【0087】よって、状態の誤差は、次の(37)式のよう
に定義される。
Therefore, the state error is defined as in the following equation (37).

【数42】 (Equation 42)

【0088】これより、状態誤差システムは、次の(38)
式のように表される。
From this, the state error system is expressed by the following (38)
It is expressed like a formula.

【数43】 [Equation 43]

【0089】ここで、対象システムと規範モデルの状態
誤差の積分項を付加した誤差空間での切換超平面は、サ
ンプリング間隔をh[s]とすると、
Here, the switching hyperplane in the error space to which the integral term of the state error between the target system and the reference model is added, assuming that the sampling interval is h [s],

【数44】 で与えられる。σ(k)=σ(k+1)=…より、[Equation 44] Given by From σ (k) = σ (k + 1) =…,

【数45】 であるから、行列SΓ’は正則行列とすると、等価入力
は、以下のようになる。
[Equation 45] Therefore, assuming that the matrix SΓ ′ is a regular matrix, the equivalent input is as follows.

【数46】 [Equation 46]

【0090】また、スライディングモードコントローラ
は、次の(42)式で示すようになる。
The sliding mode controller is represented by the following equation (42).

【数47】 [Equation 47]

【0091】B.2.2 ブロック線図 図7に、本実施形態の制御ブロック線図を示す。図7に
おいて、ブロック200は、基準ゾーン(規範モデル)
の離散時間スライディングモードコントローラであり、
図3に示したものと同じ構成である。ブロック300
は、基準ゾーン以外のゾーンの離散時間スライディング
モードモデル規範形適応コントローラであり、上述の(4
2)式で表されたものである。
B.2.2 Block Diagram FIG. 7 shows a control block diagram of the present embodiment. In FIG. 7, block 200 is a reference zone (reference model).
Is a discrete-time sliding mode controller of
The configuration is the same as that shown in FIG. Block 300
Is a discrete-time sliding mode model reference adaptive controller in a zone other than the reference zone, and (4)
It is expressed by equation 2).

【0092】この離散時間スライディングモードモデル
規範形適応コントローラ300において、ブロック60
〜66は(42)式に示す線形制御入力ulfを生成する部分
であり、ブロック54〜59が(42)式に示す非線形制御
入力unlfを生成する部分である。
In the discrete time sliding mode model reference adaptive controller 300, the block 60
To 66 is (42) a section for generating a linear control input u lf in the expression is a part for generating a non-linear control input u NLF shown in block 54 to 59 is (42) below.

【0093】B.2.3 3ゾーンをもつクーリングプレー
トへの適用 上述の制御系を、図6に示した3ゾーンに分割され、各
ゾーンごとに動特性および外部からの熱外乱が異なる具
体的なクーリングプレート100に適用する。図8に、
このクーリングプレート100を用いたウェハ冷却プロ
セスにおけるプレートの理想的な温度軌跡を示す。ここ
で、中央の第1ゾーンZ1を基準ゾーンとする。図8に示
すように、第2ゾーンZ2は、ウェハからの熱外乱特性が
中央の第1ゾーンZ1に類似しているので、第1ゾーンZ1に
類似した制御軌跡をとることになる。最も外側の第3ゾ
ーンZ3は、エッジ効果によって、熱外乱による温度上昇
が小さくなる。
B.2.3 Application to Cooling Plate Having Three Zones The above-described control system is divided into three zones shown in FIG. 6, and a specific cooling system having different dynamic characteristics and external heat disturbance for each zone. Apply to plate 100. In FIG.
An ideal temperature locus of a plate in a wafer cooling process using the cooling plate 100 is shown. Here, the central first zone Z1 is defined as a reference zone. As shown in FIG. 8, the second zone Z2 has a control trajectory similar to the first zone Z1 because the thermal disturbance characteristic from the wafer is similar to the central first zone Z1. In the outermost third zone Z3, the temperature rise due to thermal disturbance is reduced by the edge effect.

【0094】B.2.3.1 モデリング クーリングプレート100は、前述したように、ゾーン
間の相互干渉が無視できるように設計されているとす
る。また、図8に示したように、各ゾーンのプレート温
度を等しくする(Tz1=Tz2=Tz3)ことを制御目的とする
ので、他ゾーンからの熱外乱dz12=dz23=dz13=0と考える
ことができる。よって、各ゾーンを単入出力システムと
してみなして各ゾーンの動特性を同定し、その結果は、
第1〜第3ゾーンZ1〜Z3の動特性はそれぞれ例えば次の
(43)〜(45)式のように与えられる。
B.2.3.1 Modeling As described above, it is assumed that the cooling plate 100 is designed so that mutual interference between zones can be ignored. Further, as shown in FIG. 8, since the control objective is to make the plate temperatures of the respective zones equal (T z1 = T z2 = T z3 ), thermal disturbances d z12 = d z23 = d z13 from other zones = 0. Therefore, the dynamic characteristics of each zone were identified by treating each zone as a single input / output system.
The dynamic characteristics of the first to third zones Z1 to Z3 are respectively given, for example, by the following equations (43) to (45).

【数48】 [Equation 48]

【0095】また、各ゾーンZ1〜Z3に与えるウェハから
の熱外乱dz1〜dz3の大きさも、第1実施形態の(15)式に
おけるdwの熱伝達係数λαwSwに対して、第1ゾーンZ1
のそれは例えば4.14[%/℃]、第2ゾーンZ2のそれは例え
ば3.70[%/℃]、第3ゾーンZ3のそれは例えば2.00[%/℃]
というように、ゾーンごとに異なる。
[0095] Further, with respect to thermal disturbance d z1 size of to d z3 also the heat transfer coefficient of d w in equation (15) in the first embodiment λα w S w from the wafer to be given to each zone Z1 to Z3, 1st zone Z1
For example, it is 4.14 [% / ° C], that of the second zone Z2 is 3.70 [% / ° C], and that of the third zone Z3 is 2.00 [% / ° C].
It differs from zone to zone.

【0096】2.3.2 制御系設計パラメータ 基準ゾーンである第1ゾーンZ1のコントローラは、第1
実施形態と同様の方法で設計する(ただし、超平面の設
計は、オーバーシュート波形を得るために、極配置法を
用いる)。一方、第2と第3のゾーンZ2、Z3のコントロ
ーラは、この第2実施形態の上述の項目2.で説明した方
法で行う。それぞれの設計パラメータおよび制御入力は
例えば以下のようである。
2.3.2 Control System Design Parameters The controller in the first zone Z1, which is the reference zone,
The design is performed in the same manner as in the embodiment (however, the hyperplane design uses a pole placement method to obtain an overshoot waveform). On the other hand, the controllers in the second and third zones Z2 and Z3 perform the method described in item 2 of the second embodiment. The respective design parameters and control inputs are as follows, for example.

【0097】第1ゾーンZ1の設計パラメータおよび制御
入力は、例えば、
The design parameters and control inputs of the first zone Z1 are, for example,

【数49】 のようになる。[Equation 49] become that way.

【0098】第2ゾーンZ2の設計パラメータおよび制御
入力は、例えば、
The design parameters and control inputs of the second zone Z2 are, for example,

【数50】 のようになる。[Equation 50] become that way.

【0099】第3ゾーンZ3の設計パラメータおよび制御
入力は、例えば、
The design parameters and control inputs of the third zone Z3 are, for example,

【数51】 のようになる。(Equation 51) become that way.

【0100】B.2.3.3 第2、第3ゾーンのスーパバイ
ザ 第3ゾーンZ3に関して、ウェハからの熱外乱が第1のゾ
ーン(基準ゾーン)Z1に比べて非常に小さく、温度上昇が
小さいため、ウェハ載置直後には状態誤差e(k)が過大に
なる。これにより、ウェハ載置直後の第3ゾーンZ3の操
作量が過大(消費電力も増加)になってしまう。よって、
第3ゾーンZ3に対しては、以下のようなスーパバイザを
適用することが望ましい。
B.2.3.3 Supervisor in Second and Third Zones Regarding the third zone Z3, thermal disturbance from the wafer is much smaller than that of the first zone (reference zone) Z1, and the temperature rise is small. Immediately after the wafer is placed, the state error e (k) becomes excessive. As a result, the operation amount of the third zone Z3 immediately after the mounting of the wafer becomes excessive (the power consumption also increases). Therefore,
It is desirable to apply the following supervisor to the third zone Z3.

【数52】 また、第2ゾーンZ2ついても、同様のスーパバイザを適
用することができる。
(Equation 52) In addition, the same supervisor can be applied to the second zone Z2.

【0101】B.3 実験 以上の設計パラメータをもったコントローラを用いて
(上述の第2、第3ゾーンのスーパバイザも組み込ん
で)、実験を行った結果を図9に示す。この実験では、
ウェハ初期温度を150[℃]、冷却水温を25[℃](流量3.0
[l/min])とした。そして、ウェハ面内の17点の温度及び
プレートの3ゾーンの温度を計測することにより、ウェ
ハ面内温度分布を含めた整定時間を測定した(ウェハ冷
却目標温度は23.0[℃])。図9から、ウェハからの大き
な熱外乱により生じるプレートの温度分布が、プロセス
中に速やかに解消されていることがわかった。また、図
9には示してないが、ウェハ面内温度分布も目標温度2
3。0[℃]に到達する以前に±0。2[℃]以下に収束してい
た。また、ウェハ初期温度を40[℃]、冷却水温を25[℃]
(流量3.0[l/min])として実験をおこなった場合も、図9
に示したと同様の良好な結果が得られた。
B.3 Experiment FIG. 9 shows the result of an experiment conducted using a controller having the above-described design parameters (including the above-described supervisors in the second and third zones). In this experiment,
Wafer initial temperature is 150 ° C, cooling water temperature is 25 ° C (flow rate 3.0
[l / min]). Then, by measuring the temperature at 17 points in the wafer surface and the temperature in three zones of the plate, the settling time including the temperature distribution in the wafer surface was measured (the target wafer cooling temperature was 23.0 [° C.]). From FIG. 9, it was found that the temperature distribution of the plate caused by the large thermal disturbance from the wafer was quickly eliminated during the process. Further, although not shown in FIG.
Before reaching 3.0 [° C], it converged to ± 0.2 [° C] or less. In addition, the initial temperature of the wafer is 40 ° C, and the cooling water temperature is 25 ° C.
(Flow rate 3.0 [l / min])
The same good results as those shown in the above were obtained.

【0102】以上のように、相互干渉の少ない多入出力
系である半導体製造装置用クーリングプレートに本発明
を適用したこの第2の実施形態によれば、各ゾーンの動
特性の違いおよび各ゾーンに加わる熱外乱の大きさの違
いに対して、制御パラメータの調整をおこなうことなし
に、各ゾーン間の温度分布を速やかに十分小さい値に収
束させることが可能である。
As described above, according to the second embodiment in which the present invention is applied to the cooling plate for a semiconductor manufacturing apparatus which is a multi-input / output system with little mutual interference, the difference in the dynamic characteristics of each zone and the It is possible to quickly converge the temperature distribution between the zones to a sufficiently small value without adjusting the control parameters with respect to the difference in the magnitude of the thermal disturbance applied to.

【0103】C. 第3の実施形態 第1及び第2の実施形態では、むだ時間をパディ近似に
てモデル化し、これに対して、離散時間スライディング
モード制御系を構成している。しかし、この手法では、
パディ近似によるマッチング条件を満足しないモデル化
誤差のために、ロバスト性をさらに向上させることがで
きない(チャタリングが生じてしまう)。そこで、この第
3の実施形態では、パディ近似誤差を補償した本発明に
従う制御系設計手法を採用し、ロバスト性の更なる向上
を図る。具体的には、以下に説明するパディ近似誤差補
償形外乱オブザーバを併用して、制御系設計を行う。
C. Third Embodiment In the first and second embodiments, the dead time is modeled by the Paddy approximation, and a discrete-time sliding mode control system is configured. However, with this approach,
The robustness cannot be further improved due to a modeling error that does not satisfy the matching condition by the Paddy approximation (chattering occurs). Therefore, in the third embodiment, the control system design method according to the present invention in which the paddy approximation error is compensated is adopted, and the robustness is further improved. Specifically, a control system is designed using a paddy approximation error-compensated disturbance observer described below.

【0104】C.1 パディ近似誤差補償形外乱オブザー
バ パディ近似モデルをサンプリング間隔h[s]にて離散時間
系に変換した第1実施形態の(14)式において、出力方程
式にパディ近似誤差epd(k)を付加した外乱オブザーバを
構成すると、
C.1 Paddy Approximation Error-Compensated Disturbance Observer A paddy approximation error e pd is obtained by converting the paddy approximation model into a discrete time system at a sampling interval h [s] in the equation (14) of the first embodiment. When configuring a disturbance observer with (k) added,

【数53】 となる。ここで、epd(k)はパディ近似誤差システムの出
力として、次の(59)式のように表される。
(Equation 53) Becomes Here, e pd (k) is represented by the following equation (59) as an output of the Paddy approximation error system.

【数54】 ここで、(Equation 54) here,

【数55】 は制御対象システム(第1実施形態の(1)式)を離散時間
系に変換することにより得られる。
[Equation 55] Is obtained by converting the control target system (formula (1) of the first embodiment) into a discrete time system.

【0105】図10にパディ近似誤差補償形外乱オブザ
ーバの構成を示す。図10において、ブロック400が
上記(58)式で示したパディ近似誤差補償形外乱オブザ
ーバであり、その中のブロック80が上記(59)式で示し
たパディ近似誤差システムである。このパディ近似誤差
システム80で計算された近似誤差epd(k)と制御対象1
1の出力Y(k)に基づいて、上記の(58)式に従って図示
のように状態変数x1、x 2及び外乱dが推定される。
FIG. 10 shows a Paddy approximation error-compensated disturbance observer.
1 shows the configuration of the server. In FIG. 10, block 400
The Paddy approximation error-compensated disturbance observer shown in the above equation (58)
And the block 80 therein is represented by the above equation (59).
Paddy approximation error system. This paddy approximation error
Approximation error e calculated by system 80pd(k) and control target 1
Based on the output Y (k) of 1 and shown in accordance with the above equation (58)
State variable x as1, X TwoAnd the disturbance d are estimated.

【0106】C.2 スライディングモード制御系設計 第1実施形態で述べた(3)式から、第1実施形態と同様の
手法でスライディングモードコントローラの設計をおこ
なう。ここで注目すべき点は、スライディングモード制
御は、線形制御とは根本的に異なり、通常の状態方程式
と出力方程式の対
C.2 Sliding Mode Control System Design From the equation (3) described in the first embodiment, a sliding mode controller is designed in the same manner as in the first embodiment. It should be noted here that the sliding mode control is fundamentally different from the linear control.

【数56】 からなる状態空間モデルに代わって、状態方程式と切換
関数の対
[Equation 56] Instead of the state-space model consisting of

【数57】 からなるモデルとして表されるため、「出力方程式にお
いてパディ近似誤差を補償する提案手法は、スライディ
ングモード制御系の構成には、全く影響を与えない」こ
とである。
[Equation 57] Therefore, the proposed method for compensating for the Paddy approximation error in the output equation has no effect on the configuration of the sliding mode control system.

【0107】設計パラメータおよび制御入力は次の(60)
〜(62)式に示す通りである。ただし、切換超平面の設計
は、希望の過渡応答特性を得るために極配置法を用いて
いる。
The design parameters and control inputs are as follows (60)
~ (62). However, the design of the switching hyperplane uses the pole placement method to obtain a desired transient response characteristic.

【数58】 [Equation 58]

【0108】C.3 シミュレーション この第3の実施形態(パディ近似誤差補償形外乱オブザ
ーバを用いたスライディングモードコントローラ)と第
1の実施形態(パディ近似誤差補償機能をもたない外乱
オブザーバを併用したスライディングモードコントロー
ラ)について、ステップ状の目標入力rとステップ状の
外乱dを与えてシミュレーションを行った。外乱抑圧項
β(k)はいづれもβ(k)≡0とした。両コントローラのシ
ミュレーション結果の比較を表2に示す。
C.3 Simulation The third embodiment (sliding mode controller using a paddy approximation error-compensated disturbance observer) and the third embodiment
For the first embodiment (sliding mode controller using a disturbance observer without a paddy approximation error compensation function), a simulation was performed by giving a step-like target input r and a step-like disturbance d. The disturbance suppression term β (k) is set to β (k) ≡0 in all cases. Table 2 shows a comparison between the simulation results of the two controllers.

【表2】 [Table 2]

【0109】表2から分かるように、パディ近似誤差補
償形外乱オブザーバを用いることでロバスト安定性が一
層向上する。
As can be seen from Table 2, robust stability is further improved by using a paddy approximation error-compensated disturbance observer.

【0110】D. 第4の実施形態 第3の実施形態で用いたパディ近似誤差システム(パデ
ィ近似誤差補償)を実プロセスに適応した場合、分布定
数系であるプロセスを集中定数のむだ時間システムにて
近似したことによるモデル化誤差によって、必ずしも十
分に良好な性能が得られない。そこで、この第4の実施
形態では、パディ近似誤差システムに用いる実プロセス
表現を、むだ時間の有限次元近似を用いたモデルに変更
する(つまり、パディ近似誤差補償だけを、「一次遅れ
+むだ時間」ではなく、有限次元近似を用いて行う)。
これにより、プロセスをより精度良く表現できる。
D. Fourth Embodiment When the paddy approximation error system (paddy approximation error compensation) used in the third embodiment is applied to an actual process, a process that is a distributed constant system is approximated by a lumped constant dead time system. Due to modeling errors, not always good enough performance is obtained. Therefore, in the fourth embodiment, the real process expression used for the paddy approximation error system is changed to a model using a finite dimensional approximation of the dead time (that is, only the paddy approximation error compensation is calculated as “first order delay + dead time , But using a finite-dimensional approximation).
Thereby, the process can be represented with higher accuracy.

【0111】具体的には以下の通りである。The details are as follows.

【0112】すなわち、第3の実施形態における(5
9)式のyreal(k)を、むだ時間の有限次元近似した表
現にする。むだ時間の有限次元近似は、以下のようであ
る。
That is, (5) in the third embodiment
9) equation of y real (k), to the finite-dimensional approximation of the dead time representation. A finite dimensional approximation of the dead time is as follows.

【数59】 [Equation 59]

【0113】また、上記(63)式を状態方程式に変換
し、サンプリング間隔h[s]で離散化することにより、
Further, by converting the above equation (63) into a state equation and discretizing it at a sampling interval h [s],

【数60】 が得られる。新たなパディ近似誤差システムは、[Equation 60] Is obtained. The new Paddy approximation error system is

【数61】 となる。[Equation 61] Becomes

【0114】E. 第5の実施形態 上述した第1の実施形態では、既述のように、オブザー
バゲインGは、シミュレーションにおいて試行錯誤的に
極配置を行う。これは、第3の実施形態でも同様であ
る。
E. Fifth Embodiment In the above-described first embodiment, as described above, the observer gain G performs pole placement in a simulation by trial and error. This is the same in the third embodiment.

【0115】そこで、この第5の実施形態では、以下に
説明するように、最適極配置アルゴリズムにより、外乱
推定オブザーバの適切な(実質的に最適な)極を求め、
それにより、オブザーバゲインGを求めることが可能で
ある。
Therefore, in the fifth embodiment, as described below, an appropriate (substantially optimum) pole of the disturbance estimation observer is obtained by the optimum pole arrangement algorithm.
Thereby, the observer gain G can be obtained.

【0116】E.1 制御系設計 スライディングモード制御とオブザーバを併用した制御
系を構成するが、制御対象(例えば(1)式のように与
えられるもの)には、第1の実施形態の説明からわかる
ように、パラメータの不確かさが含まれているため、通
常のオブザーバではなく、不確かさを外乱とみなす外乱
推定オブザーバを用いる。
E.1 Control System Design A control system using both the sliding mode control and the observer is configured. The control target (for example, the one given as in the equation (1)) is based on the description of the first embodiment. As can be seen, a parameter estimation uncertainty is used instead of a normal observer because the parameter uncertainty is included.

【0117】また、さらに、この第5の実施形態では、
むだ時間をパディ近似するだけでなく((1)式のむだ
時間要素に一次のパディ近似を適用するだけでなく)、
離散時間系で記述されたオブザーバの最適極配置アルゴ
リズムを示す。
Further, in the fifth embodiment,
Not only does Paddy approximate the dead time (not only applying a first-order Paddy approximation to the dead time component of equation (1)),
2 shows an optimal pole assignment algorithm of an observer described in a discrete-time system.

【0118】E.2 離散時間スライディングモード制御 E.2.1 1型サーボ系の構成 (14)式にあるx(k+1)を表した式の状態変数
に、目標値r(k)と出力y(k)との差の積分値z(k)を付加し
た拡大系を用いて、スライディングモードサーボ制御系
を設計する。
E.2 Discrete Time Sliding Mode Control E.2.1 Configuration of Type 1 Servo System The target value r (k) and the output y (k) are added to the state variables of the expression representing x (k + 1) in the expression (14). The sliding mode servo control system is designed by using an expansion system to which the integral value z (k) of the difference from ()) is added.

【数62】 ここで、切換関数σ(k)は、次式のように定義する。(Equation 62) Here, the switching function σ (k) is defined as follows.

【数63】 なお、観測できない状態変数x1(k),x2(k)は、外乱推定
オブザーバにより推定する。
[Equation 63] The unobservable state variables x 1 (k) and x 2 (k) are estimated by a disturbance estimation observer.

【0119】D2.2 等価制御系の設計 離散時間系のスライディングモードにおいては、σ(k)=
σ(k+1)=σ(k+2)=・・・から、等価制御入力ueq(k)は、
外乱を考慮しないとすれば、
D2.2 Design of Equivalent Control System In the sliding mode of the discrete time system, σ (k) =
From σ (k + 1) = σ (k + 2) = ・ ・ ・, the equivalent control input u eq (k) is
If we don't consider disturbances,

【数64】 となり、等価制御式は、次式(71)で表される。[Equation 64] And the equivalent control equation is expressed by the following equation (71).

【数65】 切換超平面の設計は、等価制御系の極λ1,λ2を希望の
特性に指定することができる極配置法を適用する。
[Equation 65] The design of the switching hyperplane applies a pole arrangement method that can designate the poles λ 1 and λ 2 of the equivalent control system to desired characteristics.

【0120】D1.3 スライディングモードコントローラ
の設計 制御入力u(k)は、次式(72)のように、等価制御入力
ueq(k)と非線形制御入力unl(k)の2つの独立した制御入
力から構成されているとする。
D1.3 Design of Sliding Mode Controller The control input u (k) is represented by the following equation (72).
It is assumed that it is composed of two independent control inputs, u eq (k) and a non-linear control input u nl (k).

【数66】 ここで、Hmaxは、外乱の最大推定値である。このとき、
スライディングモードが存在する条件
[Equation 66] Here, H max is the maximum estimated value of the disturbance. At this time,
Conditions in which sliding mode exists

【数67】 を満足する。[Equation 67] To be satisfied.

【0121】以上をまとめてブロック線図で表すと、図
3のようになる。スーパバイザは、過渡状態にて制御入
力u(k)が飽和するような場合でも、目標値r(k)近傍とな
ったとき、適切な積分値z(k)を供給するよう構成されて
いる。そのときに供給されるr(k)は、ある小さな実数α
(例えば、任意に又は或るシミュレーションによって適
切と思われる値に設定された値)を用いて、
FIG. 3 is a block diagram summarizing the above. The supervisor is configured to supply an appropriate integrated value z (k) when the control input u (k) becomes close to the target value r (k) even when the control input u (k) is saturated in a transient state. R (k) supplied at that time is a small real number α
(Eg, arbitrarily or set to a value deemed appropriate by some simulation)

【数68】 のように表される。[Equation 68] It is represented as

【0122】E.3 離散時間外乱推定オブザーバ (14)式にあるx(k+1)を表した式において、外
乱推定オブザーバを構成すると次式(76)〜(80)
のようになる。
E.3 Discrete Time Disturbance Estimation Observer In the expression representing x (k + 1) in the expression (14), if the disturbance estimation observer is formed, the following expressions (76) to (80) are obtained.
become that way.

【数69】 ここで、[Equation 69] here,

【数70】 は、入力に重畳した外乱[Equation 70] Is the disturbance superimposed on the input

【数71】 を含む状態の推定値、[Equation 71] State estimates, including

【数72】 は、出力の推定値である。また、オブザーバゲインG
は、以下に説明する最適極配置アルゴリズムにより求め
る。
[Equation 72] Is the output estimate. Also, observer gain G
Is determined by an optimum pole arrangement algorithm described below.

【0123】E.4 外乱推定オブザーバの最適極配置ア
ルゴリズム この実施形態での最適極配置アルゴリズムは、実システ
ム(1)式と、外乱推定オブザーバ(76)〜(80)
式の位相曲線とゲイン曲線を用いて、その極p=[p1 p2
p3Tの数値最適解を、以下の(i)〜(iii)の三段階
の探索にて求められるアルゴリズムである。ただし、p
の探索範囲は、
E.4 Optimum Pole Assignment Algorithm for Disturbance Estimation Observer The optimum pole assignment algorithm in this embodiment is based on the real system (1) and the disturbance estimation observers (76) to (80).
Using the phase curve and the gain curve of the equation, the pole p = [p 1 p 2
p 3 ] is an algorithm that finds a numerically optimal solution of T in a three-stage search of the following (i) to (iii). Where p
The search range of

【数73】 とする。[Equation 73] And

【0124】(i)ノイズに対する感度の考慮 この第一段階の探索条件は、外乱推定オブザーバの推定
速度を高くしすぎないように制限するという観点から作
成したものである(外乱推定オブザーバの推定速度を高
くしすぎると、ノイズの影響等により、正確にシステム
の状態を推定できない)。具体的には、ノイズに対する
切換関数σ(k)の感度を考えることにより、ある小さな
正の実数γn(例えば、任意に又は或るシミュレーショ
ンによって適切と思われる値に設定された値)を用い
て、次式(85)のように表される。
(I) Consideration of sensitivity to noise The search condition in the first stage is created from the viewpoint of limiting the estimation speed of the disturbance estimation observer so as not to be too high (the estimation speed of the disturbance estimation observer). Is too high, the state of the system cannot be accurately estimated due to the influence of noise or the like). Specifically, by considering the sensitivity of the switching function sigma (k) with respect to noise, using a small positive real gamma n with (e.g., optionally or value set to a value deemed appropriate by one simulation) Thus, it is expressed as the following equation (85).

【数74】 ここで、δmaxは、ノイズ成分の最大値である。[Equation 74] Here, δ max is the maximum value of the noise component.

【0125】(ii)各周波数π/hにおける位相ずれ 上記(85)式を満足した極のみを考える。この第二段
階の探索条件は、外乱推定オブザーバの推定速度を低く
しすぎないように制限するという観点から作成したもの
である(外乱推定オブザーバの推定速度を低くしすぎる
と、フィルタがかかった状態のようになり、正確にシス
テムの状態を推定できない)。具体的には、外乱推定オ
ブザーバの推定速度を高くしていっても(すなわち、極
をz-領域の単位円中心に近づけていっても)、各周波数
π/hにおける離散化された実システムの位相ずれ
(Ii) Phase shift at each frequency π / h Only poles satisfying the above equation (85) will be considered. The search condition in the second stage is created from the viewpoint of limiting the estimation speed of the disturbance estimation observer so as not to be too low. (If the estimation speed of the disturbance estimation observer is too low, And the state of the system cannot be accurately estimated). Specifically, even if the estimation speed of the disturbance estimation observer is increased (that is, even if the poles are close to the center of the unit circle in the z-region), the discrete system at each frequency π / h Phase shift

【数75】 と、外乱推定オブザーバの位相ずれ[Equation 75] And phase shift of disturbance estimation observer

【数76】 との差の絶対値は、ある正の値ψmin以下にならないこ
とを利用する。よって、本探索条件は、ある小さな正の
実数γp(例えば、任意に又は或るシミュレーションに
よって適切と思われる値に設定された値)を用いて、次
式(86)のように表される。
[Equation 76] The fact that the absolute value of the difference from the difference does not fall below a certain positive value ψ min is used. Therefore, the present search condition is expressed by the following equation (86) using a certain small positive real number γ p (for example, a value arbitrarily set to a value considered appropriate by a certain simulation). .

【数77】 [Equation 77]

【0126】(iii)各周波数1/L≦ω≦ωgにおけるゲ
イン 上記(85)式及び(86)式を満足した極のみを考え
る。この第三段階の探索条件は、外乱推定オブザーバの
適切な推定速度が選ばれた中で最適なもの(具体的に
は、パディ近似したことによる状態推定の誤差を最小に
できるもの)を探索するという観点から作成したもので
ある。具体的には、むだ時間系の重要な周波数帯域であ
る1/L近傍における離散化された実システムのゲイン
[0126 (iii) The consider only poles satisfying the gain above (85) and (86) below at each frequency 1 / L ≦ ω ≦ ω g . The search condition in the third stage is to search for an optimum one (specifically, one that can minimize the error of state estimation due to Paddy approximation) from the appropriate estimation speed of the disturbance estimation observer. It was created from the point of view. Specifically, the gain of the discretized real system near 1 / L, which is an important frequency band of the dead time system

【数78】 と、外乱推定オブザーバのゲイン[Equation 78] And the gain of the disturbance estimation observer

【数79】 との差の2乗積分Jを用いる。そして、Jが最小となる極
を最適とする。ただし、ωgは、h及びL/Tに依存する値
である。
[Expression 79] Is used. Then, the pole that minimizes J is optimized. Here, ω g is a value that depends on h and L / T.

【数80】 [Equation 80]

【0127】E.5 具体例 (1)式で表される制御対象として、例えば次式(8
8)を考える。
E.5 Specific Example As a control target represented by the expression (1), for example, the following expression (8)
Consider 8).

【0128】[0128]

【数81】 上記(88)式において、上述した最適極配置アルゴリ
ズムを得るための制御系を設計する。ここでは、例え
ば、サンプリング間隔h=0.05[s]とする。
[Equation 81] In the above equation (88), a control system for obtaining the above-described optimum pole arrangement algorithm is designed. Here, for example, the sampling interval h = 0.05 [s].

【0129】まず、切換超平面の設計を行う。これに
は、希望する特性として、等価制御系の極λ1,λ2
を、0.970±0.023jに配置する。これにより、
First, a switching hyperplane is designed. The desired characteristics include poles λ1 and λ2 of the equivalent control system.
Is placed at 0.970 ± 0.023j. This allows

【数82】 となる。そして、β(k)=0とする。(Equation 82) Becomes Then, β (k) = 0.

【0130】次に、外乱推定オブザーバの極を最適極配
置アルゴリズムにより求める。この場合の設計パラメー
タは、以下の通りである。
Next, the pole of the disturbance estimation observer is obtained by the optimum pole arrangement algorithm. The design parameters in this case are as follows.

【数83】 この設定パラメータのとき、上記(81)〜(87)式
により、最適極p及びオブザーバゲインGは、
[Equation 83] With these setting parameters, the optimum pole p and the observer gain G are calculated by the above equations (81) to (87).

【数84】 となる。[Equation 84] Becomes

【0131】このように、上記のような最適極アルゴリ
ズムから外乱推定オブザーバの極を求め、その極を用い
てオブザーバゲインを求める(外乱推定オブザーバを設
計する)と、パディ近似誤差が生じても、比較的低い周
波数領域だけでなく比較的高い周波数領域でも実システ
ムの状態を推定できる。
As described above, when the pole of the disturbance estimation observer is obtained from the optimum pole algorithm as described above, and the observer gain is obtained using the pole (design of the disturbance estimation observer), even if a paddy approximation error occurs, The state of the real system can be estimated not only in a relatively low frequency range but also in a relatively high frequency range.

【0132】また、上記のような最適極アルゴリズムか
ら得た極を用いてオブザーバゲインを求めれば、試行錯
誤的に極配置を行って得た極からオブザーバゲインを求
めるよりも、容易に、実システムのゲイン曲線に接近し
たオブザーバのゲイン曲線を得ることができる。すなわ
ち、好適な外乱推定オブザーバの設計が容易になる。
Further, if the observer gain is obtained by using the poles obtained from the optimum pole algorithm as described above, it is easier to obtain the observer gain from the poles obtained by performing the pole arrangement by trial and error. Observer gain curve close to the gain curve can be obtained. That is, it is easy to design a suitable disturbance estimation observer.

【0133】以上、本発明の実施形態を説明したが、こ
れらの実施形態は本発明の説明のための例示であり、本
発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨では
ない。本発明は、他の様々な形態でも実施することがで
きる。図1や図6に示したクーリングプレートの温度制
御は本発明が適用される例に過ぎず、他の様々なプロセ
ス系にも本発明は適用することができる。
Although the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are exemplifications for describing the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention only to these embodiments. The present invention can be implemented in various other forms. The temperature control of the cooling plate shown in FIGS. 1 and 6 is only an example to which the present invention is applied, and the present invention can be applied to various other process systems.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】クーリングプレートの一例の大まかな断面図。FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a cooling plate.

【図2】クーリングプレートの温度制御が目指すウェハ
5の温度(以下、ウェハ温度という)と表面プレート4
の温度(以下、プレート温度という)と熱電変換モジュ
ール3の入力電力(以下、操作量という)の時間的変化
の軌跡を示す図。
FIG. 2 shows the temperature of a wafer 5 (hereinafter referred to as “wafer temperature”) aimed at controlling the temperature of a cooling plate and the surface plate 4
FIG. 5 is a diagram showing a locus of a temporal change in the temperature (hereinafter, referred to as a plate temperature) and the input power (hereinafter, referred to as an operation amount) of the thermoelectric conversion module 3.

【図3】本発明の一実施形態にかかる外乱オブザーバ付
きの離散時間スライディングモード制御系のブロック線
図。
FIG. 3 is a block diagram of a discrete-time sliding mode control system with a disturbance observer according to one embodiment of the present invention.

【図4】スーパバイザ3がもつサーボ系積分値z(k)の安
定値供給機構の動作の流れを示す図。
FIG. 4 is a diagram showing a flow of operation of a mechanism for supplying a stable value of a servo integrated value z (k) of the supervisor 3;

【図5】スーパバイザ3がもつプレート温度軌跡をオン
ラインで最適化する機構の動作の流れを示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a flow of operation of a mechanism for optimizing a plate temperature trajectory of the supervisor 3 online.

【図6】第2の実施形態における多入力多出力系のクー
リングプレートの大まかな断面図。
FIG. 6 is a schematic sectional view of a cooling plate of a multi-input multi-output system according to a second embodiment.

【図7】第2の実施形態の基本的な制御ブロック線図を
示す。
FIG. 7 shows a basic control block diagram of the second embodiment.

【図8】図6に示したクーリングプレート100のウェ
ハ冷却プロセスにおけるプレートの理想的な温度軌跡を
示す図。
8 is a diagram showing an ideal temperature trajectory of the cooling plate 100 shown in FIG. 6 in a wafer cooling process of the plate.

【図9】第2の実施形態の性能を試験した実験結果を示
す図。
FIG. 9 is a diagram showing an experimental result of testing the performance of the second embodiment.

【図10】パディ近似誤差補償形外乱オブザーバの構成
を示すブロック線図。
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a paddy approximate error compensation disturbance observer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、100 クーリングプレート(制御対象システム) 11 制御対象 12 外乱オブザーバ 13 スーパバイザ 14〜23 離散時間スライディングモードコントロー
ラ 200 基準ゾーン(規範システム)の離散時間スライ
ディングモードコントローラ 300 他のゾーンの離散時間スライディングモードモ
デル規範形適応コントローラ 400 パディ近似誤差補償形外乱オブザーバ 80 パディ近似誤差システム
1, 100 cooling plate (control target system) 11 control target 12 disturbance observer 13 supervisor 14 to 23 discrete-time sliding mode controller 200 discrete-time sliding mode controller for reference zone (reference system) 300 discrete-time sliding mode model reference for other zones Type adaptive controller 400 Paddy approximation error compensation disturbance observer 80 Paddy approximation error system

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H004 GA03 GA10 GA17 GB01 GB20 HA01 HB01 JA04 JA22 JB08 JB22 JB24 KA32 KA33 KA71 KA72 KA74 KB05 KC17 KC34 KC35 KC45 LA01 LA03 LA12 LA13 LA15 LA19  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5H004 GA03 GA10 GA17 GB01 GB20 HA01 HB01 JA04 JA22 JB08 JB22 JB24 KA32 KA33 KA71 KA72 KA74 KB05 KC17 KC34 KC35 KC45 LA01 LA03 LA12 LA13 LA15 LA19

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 制御対象を表した線形の伝達関数のモデ
ルに対して設計された離散時間スライディングモード制
御装置であって、 前記モデルは、前記制御対象の持つむだ時間要素を線形
近似した線形近似式を含んでおり、 前記制御対象の入力と出力から前記モデルの状態変数と
外乱を推定する外乱オブザーバと、 与えられた目標値と前記制御対象の出力と前記外乱オブ
ザーバからの前記状態変数の推定値とに基づいて、前記
制御対象への制御入力を演算するスライディングモード
演算部とを備えたむだ時間を有するプロセス系に対する
離散時間スライディングモード制御装置。
1. A discrete-time sliding mode controller designed for a model of a linear transfer function representing a control target, wherein the model is a linear approximation obtained by linearly approximating a dead time element of the control target. A disturbance observer for estimating state variables and disturbances of the model from inputs and outputs of the controlled object; and estimating the state variables from given target values, outputs of the controlled object, and the disturbance observer. A discrete-time sliding mode control device for a process system having a dead time, comprising: a sliding mode calculation unit configured to calculate a control input to the control target based on the value.
【請求項2】 前記スライディングモード演算部は、前
記制御入力を演算するために、前記目標値と前記制御対
象の出力との偏差を積分する積分器を含んでおり、 前記制御対象の出力に基づいて、前記目標値と前記制御
対象の出力との偏差の積分値についての安定値を計算し
て、プロセス中の所定の時点で前記積分器の出力を前記
安定値に設定する安定値供給機構をさらに備えた請求項
1記載の制御装置。
2. The sliding mode operation unit includes an integrator for integrating a deviation between the target value and an output of the controlled object to calculate the control input, based on an output of the controlled object. A stable value supply mechanism that calculates a stable value for an integral value of a deviation between the target value and the output of the controlled object, and sets the output of the integrator to the stable value at a predetermined time during the process. The control device according to claim 1, further comprising:
【請求項3】 プロセス中に、前記外乱オブザーバから
の前記外乱の推定値の履歴に基づいて、前記目標値を最
適化するオンライン最適化機構を更に備えた請求項1記
載の制御装置。
3. The control device according to claim 1, further comprising an online optimization mechanism for optimizing the target value based on a history of the estimated value of the disturbance from the disturbance observer during the process.
【請求項4】 前記外乱オブザーバが、前記むだ時間要
素と、前記むだ時間を線形近似した線形近似式との間の
近似誤差を演算する近似誤差システムを有し、この近似
誤差システムからの前記近似誤差と前記制御対象の入力
と出力とに基づいて前記状態変数及び前記外乱を推定す
る請求項1記載の制御装置。
4. The system according to claim 1, wherein the disturbance observer has an approximation error system for calculating an approximation error between the dead time element and a linear approximation expression obtained by linearly approximating the dead time. The control device according to claim 1, wherein the state variable and the disturbance are estimated based on an error and an input and an output of the control target.
【請求項5】 前記外乱オブザーバは、所定の最適極配
置アルゴリズムによって定められたゲインを持つ請求項
1記載の制御装置。
5. The control device according to claim 1, wherein the disturbance observer has a gain determined by a predetermined optimum pole assignment algorithm.
【請求項6】 多入力多出力の制御対象を構成する複数
の単入出力系の中から選ばれた1つの基準系を表したモ
デルに対して設計された離散時間スライディングモード
制御装置と、 前記複数の単入出力系の中の前記基準系以外の他の各系
を表したモデルに対して設計された離散時間スライディ
ングモード制御装置とを備え、 前記他の各系に対する離散時間スライディングモード制
御装置が、前記基準系のモデルを規範モデルとするモデ
ル規範形の制御装置である多入力多出力系のプロセス系
に対する離散時間スライディングモード制御装置。
6. A discrete time sliding mode control device designed for a model representing one reference system selected from a plurality of single input / output systems constituting a multi-input multi-output control target, A discrete-time sliding mode controller designed for a model representing each system other than the reference system in the plurality of single input / output systems, and a discrete-time sliding mode controller for each of the other systems Is a discrete time sliding mode control device for a multi-input multi-output process system, which is a model reference type control device using the reference system model as a reference model.
【請求項7】 制御対象を表した線形の伝達関数のモデ
ルに対して設計された離散時間スライディングモード方
法であって、 前記モデルは、前記制御対象の持つむだ時間要素を線形
近似した線形近似式を含んでおり、 前記制御対象の入力と出力から前記モデルの状態変数と
外乱を推定する外乱オブザーブステップと、 与えられた目標値と前記制御対象の出力と前記外乱オブ
ザーブステップからの前記状態変数の推定値とに基づい
て、前記制御対象への制御入力を演算するスライディン
グモード演算ステップとを備えたむだ時間を有するプロ
セス系に対する離散時間スライディングモード制御方
法。
7. A discrete-time sliding mode method designed for a model of a linear transfer function representing a control target, wherein the model is a linear approximation formula that linearly approximates a dead time element of the control target. A disturbance observing step of estimating a state variable and a disturbance of the model from an input and an output of the controlled object, and a given target value, an output of the controlled object and the state variable from the disturbance observing step. A discrete mode sliding mode control method for a process system having a dead time, comprising: a sliding mode calculating step of calculating a control input to the control target based on the estimated value.
【請求項8】 多入力多出力の制御対象を構成する複数
の単入出力系の中から選ばれた1つの基準系を表したモ
デルに対して離散時間スライディングモード制御を行う
ステップと、 前記複数の単入出力系の中の前記基準系以外の他の各系
を表したモデルに対して離散時間スライディングモード
制御を行うステップと、を備え、 前記他の各系に対して離散時間スライディングモード制
御を行うステップでは、前記基準系のモデルを規範モデ
ルとするモデル規範形の制御を行う多入力多出力系のプ
ロセス系に対する離散時間スライディングモード制御方
法。
8. A step of performing discrete-time sliding mode control on a model representing one reference system selected from a plurality of single input / output systems constituting a multi-input multi-output control target; Performing discrete-time sliding mode control on a model representing each system other than the reference system in the single input / output system of the above, and discrete-time sliding mode control on each of the other systems. Performing a discrete-time sliding mode control method on a multi-input multi-output process system that controls a model reference form using the reference system model as a reference model.
【請求項9】 制御対象を表した線形の伝達関数のモデ
ルに対して設計された離散時間スライディングモード方
法であって、 前記モデルは、前記制御対象の持つむだ時間要素を線形
近似した線形近似式を含んでおり、 前記制御対象の入力と出力から前記モデルの状態変数と
外乱を推定する外乱オブザーブステップと、 与えられた目標値と前記制御対象の出力と前記外乱オブ
ザーブステップからの前記状態変数の推定値とに基づい
て、前記制御対象への制御入力を演算するスライディン
グモード演算ステップとを備えたむだ時間を有するプロ
セス系に対する離散時間スライディングモード制御方法
を、コンピュータに実行させるためのコンピュータプロ
グラム。
9. A discrete-time sliding mode method designed for a model of a linear transfer function representing a control target, wherein the model is a linear approximation formula that linearly approximates a dead time element of the control target. A disturbance observing step of estimating a state variable and a disturbance of the model from an input and an output of the controlled object, and a given target value, an output of the controlled object and the state variable from the disturbance observing step. A computer program for causing a computer to execute a discrete time sliding mode control method for a process system having a dead time, comprising: a sliding mode calculation step of calculating a control input to the control target based on the estimated value.
【請求項10】 多入力多出力の制御対象を構成する複
数の単入出力系の中から選ばれた1つの基準系を表した
モデルに対して離散時間スライディングモード制御を行
うステップと、 前記複数の単入出力系の中の前記基準系以外の他の各系
を表したモデルに対して離散時間スライディングモード
制御を行うステップと、を備え、 前記他の各系に対して離散時間スライディングモード制
御を行うステップでは、前記基準系のモデルを規範モデ
ルとするモデル規範形の制御を行う多入力多出力系のプ
ロセス系に対する離散時間スライディングモード制御方
法を、コンピュータに実行させるためのコンピュータプ
ログラム。
10. A discrete-time sliding mode control for a model representing one reference system selected from a plurality of single input / output systems constituting a multi-input multi-output control target; Performing discrete-time sliding mode control on a model representing each system other than the reference system in the single input / output system of the above, and discrete-time sliding mode control on each of the other systems. A computer program for causing a computer to execute a discrete-time sliding mode control method for a process system of a multi-input multi-output system that controls a model reference form using the model of the reference system as a reference model.
【請求項11】 制御対象を表した線形の伝達関数のモ
デルであって、前記制御対象の持つむだ時間要素を線形
近似した線形近似式を含んだモデルの状態変数と外乱
を、前記制御対象の入力と出力から推定する外乱オブザ
ーバの極を所定の最適極配置アルゴリズムを用いて算出
するステップと、 前記算出した極を用いて前記外乱オブザーバのゲインを
定めるステップとを有するオブザーバ設計方法。
11. A model of a linear transfer function representing a controlled object, in which a state variable and a disturbance of a model including a linear approximation obtained by linearly approximating a dead time element of the controlled object are disturbed. An observer design method comprising: calculating a pole of a disturbance observer estimated from an input and an output using a predetermined optimum pole allocation algorithm; and determining a gain of the disturbance observer using the calculated pole.
【請求項12】 制御対象を表した線形の伝達関数のモ
デルであって、前記制御対象の持つむだ時間要素を線形
近似した線形近似式を含んだモデルの状態変数と外乱
を、前記制御対象の入力と出力から推定する外乱オブザ
ーバの極を算出する算出ステップをコンピュータに実行
させるためのコンピュータプログラム。
12. A model of a linear transfer function representing a controlled object, in which a state variable and a disturbance of a model including a linear approximation obtained by linearly approximating a dead time element of the controlled object are disturbed. A computer program for causing a computer to execute a calculation step of calculating a pole of a disturbance observer estimated from an input and an output.
【請求項13】 前記算出ステップは、前記外乱オブザ
ーバの推定速度の制限の観点から作成された条件を基に
前記極を算出する請求項12記載のコンピュータプログ
ラム。
13. The computer program according to claim 12, wherein the calculating step calculates the pole based on a condition created from the viewpoint of limiting the estimated speed of the disturbance observer.
【請求項14】 前記算出した極を用いて前記外乱オブ
ザーバのゲインを定めるステップを更にコンピュータに
実行させる請求項12記載のコンピュータプログラム。
14. The computer program according to claim 12, further comprising causing a computer to execute a step of determining a gain of the disturbance observer using the calculated pole.
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