KR100221231B1 - Model-based predictive control system and method - Google Patents
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Abstract
회분식 공정이나 반복운전 공정에 적합한 모델기반 예측제어 시스템 및 예측제어 방법으로서, 예측제어 시스템은 대수적으로 모델링되는 대상공정에서 나온 출력값을 측정하여 출력변수를 추정하는 추정기와, 상기 추정수단에 의해 추정된 출력변수를 근거로 미래에 나타날 제어오차를 예측하는 예측기와, 과거 회분의 입출력 변수와 현재 회분의 현재 시간 이전이 입출력 변수를 저장하는 저장수단과, 예측 및 제어구간, 제약조건, 기준궤적값, 목적함수를 입력하는 입력수단과, 상기 예측기에서 예측한 값과, 상기 저장수단에 저장되어 있는 과거 회분과 현재 회분의 입출력 변수, 상기 입력수단에 의해 입력된 예측 및 제어구간, 제약조건, 기준궤적값에 근거하여 이차 프로그래밍(QP)를 이용하여 목적함수를 최소화하여, 현재 회분의 현재시간 입력변수를 계산하는 계산수단을 구비함으로써 회분식 또는 반복운전 공정을 효과적으로 제어하고 모델오차가 있어나 외란이 있는 경우에도 기준궤적을 완벽하게 추적하는 것이 가능하다.A model-based predictive control system and a predictive control method suitable for a batch process or an iterative operation process, the predictive control system comprising: an estimator for estimating an output variable by measuring an output value from an algebraically modeled target process, and estimated by the estimating means. A predictor for predicting future control errors based on output variables, storage means for storing input / output variables of past batches of I / O variables and current time of current batch, prediction and control sections, constraints, reference trajectory values, Input means for inputting an objective function, values predicted by the predictor, input / output variables of past and current ash stored in the storage means, prediction and control intervals, constraints, and reference trajectories inputted by the input means; Input of the current time of the current batch by minimizing the objective function using quadratic programming (QP) based on the value By providing the calculation means for calculating the number, it is possible to effectively control the batch or repeat operation process and to completely track the reference trajectory even in case of model error or disturbance.
Description
제1도는 본 발명이 적용되는 회분식 공정의 일례르르 나타내는 개략도.1 is a schematic view showing an example of a batch process to which the present invention is applied.
제2도는 본 발명에 따라 제어되는 회분식 공정의 출력변수의 변화를 보여주는 개략도.2 is a schematic showing changes in output variables of a batch process controlled in accordance with the present invention.
제3도는 본 발명에 따른 모델기반 예측제어 시스템의 개략적인 구성도.3 is a schematic diagram of a model-based predictive control system according to the present invention.
제4도는 본 발명에 따른 모델기반 예측제어 방법의 전체적인 흐름도.4 is a general flowchart of a model-based predictive control method according to the present invention.
제5도는 본 발명에 따른 모델기반 예측제어 방법에서 목적함수를 구성하는 알고리즘의 흐름도.5 is a flowchart of an algorithm constituting an objective function in the model-based predictive control method according to the present invention.
제6도는 본 발명에 따른 모델기반 예측제어 방법에 주어진 목적함수의 값을 최소화시키기 위해 사용되는 이차 프로그래밍의 개략적인 흐름도.6 is a schematic flowchart of secondary programming used to minimize the value of the objective function given in the model-based predictive control method according to the present invention.
제8(a)도 및 제8(b)도는 RTP 기법이 적용되는 대상공정의 개략도.8 (a) and 8 (b) are schematic diagrams of target processes to which the RTP technique is applied.
제9도는 RTP 기법이 적용되는 대상공정을 본 발명의 제어시스템이 제어하는 구조를 나타내는 개략도.9 is a schematic diagram showing a structure in which the control system of the present invention controls the target process to which the RTP technique is applied.
제10(a)도 및 제10(b)도는 회분식 반응기의 모델링을 위한 계단 테스트 입력과 계단 테스트 출력을 나타내는 그래프.10 (a) and 10 (b) are graphs showing step test inputs and step test outputs for modeling a batch reactor.
제11도는 회분식 반응기의 모델의 계단응답 계수와 대상공정의 계단응답 계수를 비교하기 위한 그래프.11 is a graph for comparing the step response coefficient of the model of the batch reactor with the step response coefficient of the target process.
제12도는 회분식 반응기에 본 발명을 적용한 경우의 입출력 변수의 변화를 나타내는 그래프.12 is a graph showing changes in input and output variables when the present invention is applied to a batch reactor.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
30 : 모델 예측 제어 시스템 42 : 추정기30: model predictive control system 42: estimator
44 : 예측기 46 : 계산수단44
48 : 변수 입력수단 50 : 대상공정48: variable input means 50: target process
52 : 제품(product)52: product
본 발명은 모델기반 예측제어에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 반복학습 제어 및 되먹임 제어가 결합되어 회분식 공정(batch process)이나 반복운전 공정을 제어하기에 적합한 모데릭반 예측제어 시스템 및 모데릭반 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to model-based predictive control. More specifically, it is a combination of iterative learning control and feedback control. A model control system and a model control system suitable for controlling a batch process or an iterative operation process. It is about a method.
모델예측제어(MPC; Model Predictive Control)는 많은 제어변수가 있는 산업공정 제어분야에서 사용되고 있는 기본적인 제어구조로서, 대상공정을 수식으로 모델화고, 미래에 나타날 제어오차를 미리 예측하여 이를 최소화하는 조작변수를 계산하는 알고리즘을 사용한다. 이러한 모델 예측 제어는 실제 산업현장의 여러 모순되는 요구사항을 최적 성능지수(optimum criterion)에 포괄적으로 표현하며, 다변수 시스템, 제약조건 대처 등을 동시에 충족시켜 준다는 장점이 있다.Model Predictive Control (MPC) is a basic control structure used in the field of industrial process control that has many control variables. It is an operation variable that models the target process by formula and predicts the control error in the future and minimizes it. Use an algorithm to calculate This model predictive control comprehensively expresses various contradictory requirements of the actual industrial field in the optimal criterion, and has the advantage of simultaneously satisfying multivariate systems and constraint handling.
그러나 현재 모델예측제어는 연속공정의 제어에는 적합하지만, 회분식 공정이나 반복운전 공정에는 적합하지 않는데, 그 이유는 첫째, 기존의 모델예측제어에서는 설정값이 일정한 경우에 제어오차를 제거할 수 있지만, 시변 기준궤적(time-varying reference trajectory)에 대해서는 제어오차를 피할 수 없고, 모델오차(model uncertainty)가 커질수록 이 현상이 더욱 심각해지기 때문이며, 둘째, 되먹임 제어(feedback control)의 속성상 같은 외란(disturbance)이 계속 되어도 유형의 제어오차가 반복되기 때문이다.However, current model prediction control is suitable for control of continuous process, but not for batch process or repetitive operation process. Firstly, in case of existing model prediction control, control error can be eliminated when setting value is constant. This is because the control error cannot be avoided for the time-varying reference trajectory, and as the model uncertainty increases, this phenomenon becomes more severe. Second, the same disturbance due to the nature of the feedback control ( This is because the control error of the type is repeated even if the disturbance continues.
회분식 공정은 한번에 1회분의 원료와 에너지를 공급하여 원하는 제품을 생산하는 공정을 말한다. 이러한 회분식 공정의 제어에서는 연속 공정의 제어와는 달리 정해진 시간범위 위에 정의된 시변 기준궤적을 추적하는 일이 요구된다. 회분식 공정 진행 도중에 공정특성은 일반적으로 시간에 따라 바뀌고 공정변수들이 큰 폭으로 변하기 때문에, 회분식 공정은 선형성을 상실하므로 신뢰성 있는 공정모델을 구하는 것이 어려워진다. 회분식 공정제어의 문제점은 몇 가지의 동일 동작을 반복적으로 수행하는 로봇의 동작제어와 같은 반복운전 공정 제어에서도 마찬가지로 나타난다. 회분석 공정이나 반복운전 공정에서는 일정한 조작이나 운전이 계속 반복된다는 공통점이 있는데, 이러한 반복성을 이용한 제어가 반복학습제어(ILC ; Iterative Learning Control)로서 Arimoto et al. 에 의해 『Arimoto, S., Kawamura, S. and Miyazaki, "Bettering Operation of Robots by Learning", J. Robotics. Syst. 1(1), pp 123-140, 1984』에 제안되었다.A batch process refers to a process of producing a desired product by supplying raw materials and energy at a time. Unlike control of a continuous process, the control of a batch process requires tracking a time-varying reference trajectory defined over a predetermined time range. As the process characteristics generally change over time and the process variables change significantly during the batch process, the batch process loses its linearity, making it difficult to obtain a reliable process model. The problem of batch process control also appears in the control of the repetitive operation process, such as the operation control of a robot that repeatedly performs some of the same operations. In the ash analysis process or the repetitive operation process, there is a common point that a certain operation or operation is repeatedly repeated. The control using this repeatability is Arimoto et al. By Arimoto, S., Kawamura, S. and Miyazaki, "Bettering Operation of Robots by Learning", J. Robotics. Syst. 1 (1), pp 123-140, 1984.
반복합습제어에서 현재 운전 중인 회분에 대한 입력 궤적은 이전 회분에서 측정한 값을 사용하여 개방루프 방식으로 계산된다. 반복학습제어는 모델의 오차가 존재하는 경우에도 회분공정이 계속 반복된다면 완벽한 추적(tracking)이 가능하다는 우수성이 있다. 그러나 반복학습제어는 출력오차에 포함된 고주파 성분에 너무 민감하며, 제약조건에 대한 처리능력이 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하여 반복학습제어 개념을 보다 많은 산업분야에 넓게 적용시키기 위한 2차 반복학습제어(Quadratic Criterion-based ILC, 이하 'Q-ILC'라 함)가 본 발명가에 의해 『Lee, K. S. and Lee, J. H., "Model-based Refinement of Input Trajectories for Batch and Other Transient Processes", AlChE Annual Meeting, Chicago, paper 149i, 1996』에 발표된 바 있다. Q-ILC는 회분식 공정이나 기타 반복공정에 대한 입력궤적 개선(refinement) 알고리즘으로서, 반복학습제어의 문제를 해결할 수 있으며, 관찰자기반 알고리즘(observer-based algorithm)으로 보다 일반적인 형태로 구성될 수 있다.In repeated wet control, the input trajectory for the currently running ash is calculated in an open loop using the values measured in the previous ash. Iterative learning control has the advantage that complete tracking is possible if the batch process is repeated even when there is a model error. However, iterative learning control is too sensitive to the high frequency components included in the output error, and has a disadvantage in that the processing capacity for constraints is poor. In order to overcome these shortcomings and to apply the concept of repetitive learning control to a wider range of industries, secondary repetitive learning control (Quadratic Criterion-based ILC, hereinafter referred to as 'Q-ILC') is described by Lee, KS and Lee, JH, "Model-based Refinement of Input Trajectories for Batch and Other Transient Processes", AlChE Annual Meeting, Chicago, paper 149i, 1996. Q-ILC is an input trajectory refinement algorithm for batch processes or other iterative processes. It can solve the problem of iterative learning control and can be configured in a more general form as an observer-based algorithm.
그런데 Q-ILC는 단지 개방루프 입력신호만을 제공하고 실시간 수정이 안된다는 단점이 있으므로 Q-ILC를 실제 공정에 적용하기 위해서는 되먹임 제어를 추가할 필요가 있다.However, since Q-ILC provides only an open loop input signal and cannot be modified in real time, it is necessary to add feedback control to apply Q-ILC to the actual process.
본 발명의 목적은 Q-ILC와 되먹임 제어를 결합하여 회분식 공정이나 반복운전공정을 효과적으로 제어할 수 있는 모델예측 시스템 및 모델 예측 제어 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a model prediction system and a model predictive control method that can effectively control a batch process or an iterative operation process by combining Q-ILC and feedback control.
본 발명의 또 다른 목적은 실시간으로 발생하는 외란에 능동적으로 대처하며, 모델오차가 있는 경우에도 추적 제어오차를 야기하지 않는 제어 시스템 및 제어방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a control system and a control method that actively cope with disturbances occurring in real time, and do not cause tracking control errors even when there is a model error.
본 발명에서 제어입력의 계산에는 현재 회분에서의 측정치뿐만 아니라 과거의 회분에 대한 정보도 함께 이용된다. 따라서 회분이 계속됨에 따라 반복적인 외란을 완전히 제거할 수 있고, 또한 모델 오차가 있는 경우에는 회분 횟수가 증가하면 시변 기준궤적을 완벽하게 추적할 수 있다.In the present invention, the calculation of the control input is used together with the information about the past ash as well as the measured value in the current ash. Therefore, as the ash continues, repetitive disturbance can be completely eliminated, and when there is a model error, the time-varying reference trajectory can be perfectly tracked as the ash count increases.
본 발명에 따른 모델 예측 제어 시스템은 공정이 이루어지는 플랜트를 모델링하는 모델링 수단과, 공정이 이루어지는 플랜트에서 나온 값을 측정하여 출력변수를 추정하는 추정기와, 상기 추정수단에 의해 추정된 출력변수와 원하는 출력변수와의 편차를 예측하는 예측기와, 과거 회분의 입출력 변수와 현재 회분의 현재 시간 이전의 입출력 변수를 저장하는 저장수단과, 제약조건, 기준궤적값, 목적함수 구간을 입력하는 입력수단과, 상기 에측기에서 예측한 값과, 상기 저장수단에 저장되어 있는 과거 회분와 현재 회분의 입출력 변수를 이용하여 현재 회분의 현재 시간의 입력변수를 계산하는 계산수단 및 상기 계산수단에 의해 계산된 입력변수를 받아 동작하며, 상기 플랜트를 구동하는 플랜트 조작수단을 구비하고 있다.The model predictive control system according to the present invention includes modeling means for modeling a plant in which a process is performed, an estimator for estimating an output variable by measuring a value from the plant in which the process is performed, an output variable estimated by the estimating means and a desired output. A predictor for predicting a deviation from the variable, storage means for storing the input / output variable of the past batch and the input / output variable before the current time of the current batch, input means for inputting a constraint, reference trajectory value, and an objective function section; A calculation means for calculating an input variable of a current time of a current batch using input values calculated by the estimator, input / output variables of a past ash and a current ash stored in the storage means, and an input variable calculated by the calculating means And a plant operating means for driving the plant.
현재 회분의 현재 시간의 입력변수를 계산하는 입력변수 계산기는 2차 프로그래밍을 이용하여 최적화된 제어입력 변수값을 계산한다.The input variable calculator, which calculates the input variables of the current time of the current batch, calculates the optimized control input variable values using quadratic programming.
본 발명에 따른 모델 예측 제어 방법은 이전 회분의 입출력 변수 및 현재 운전중인 회분의 현재 시점 이전의 입출력 변수, 예측 및 제어구간, 제약조건, 기준궤적값, 목적함수를 입력하는 단계와, 대상공정에서 나오는 출력값을 측정하여 출력변수를 추정하는 단계와, 상기 추정된 출력변수를 근거로 미래에 나타날 제어오차를 예측하는 예측기와, 이차 목적함수를 구성하는 단계와, 상기 입력된 제약조건을 확인하고, 상기 예측한 값과, 과거 회분과 현재 회분의 입출력 변수, 상기 입력된 예측 및 제어구간, 기준궤적값을 근거로 상기 이차 목적함수의 값을 최소화시키는 현재 회분의 입력변수와 과거 회분의 입력변수의 차 △uk(t)를 계산하는 단계와, 상기 계산된 △uk(t)를 이용하여 현재 회분의 현재시점 입력변수 △uk(t)를 계산하는 단계 및 상기 계산된 입력변수를 대상공정에 적용하는 단계를 포함하고 있다.The model predictive control method according to the present invention comprises the steps of inputting an input / output variable of a previous batch and an input / output variable, a prediction and control section, a constraint, a reference trajectory value, and an objective function before the current point in time of the currently running batch, Estimating an output variable by measuring an output value, a predictor predicting a control error to be generated in the future based on the estimated output variable, configuring a second objective function, checking the input constraints, On the basis of the predicted value, the input and output variables of the past ash and the current ash, the input prediction and the control interval, the reference trajectory value of the input variables of the current ash and the input ash of the past ash to minimize the value Calculating a difference Δu k (t), calculating a current time input variable Δu k (t) of the current batch using the calculated Δu k (t), and the system It includes applying the calculated input variables to the target process.
제1도는 본 발명을 적용하기에 적합한 회분식 공정의 개략도이다. 반응기(10)는 원료(12)가 원료공급제어밸브(14)를 통해 반응기(12)에 투입되면 가열부(16)와 온도조절밸브(18)를 통해 공급도는 열을 온도 제어기(20; Temperature Comtroller)를 통해 제어하여 반응기(10)내의 온도를 필요한 수준으로 조절함으로써 원하는 제품(20)을 얻게 된다. 반응기(10)내에서는 원료(12)가 한번 투입될 때마다 동일산 승온, 감온 동작이 되풀이되는데, 맨 처음 원료가 투입되고 제품이 배출될때를 1차 회분이라 하면, 모델 예측 제어 시스템(30)은 다음 2차 회분때 1차 회분에서 얻은 정보 및 현재 2차 회분 진행 중에 발생하는 정보를 함께 이용하여 제어변수를 결정하고 반응기(10)의 온도를 조절한다.1 is a schematic of a batch process suitable for applying the present invention. The
예컨대, 제2도에 도시한 것처럼, 반응기 내의 이상적인 온도변화가 도표(32, 34, 36)에서 실선(35)으로 표시한 경로를 따르고, 실제 반응기 내의 온도가 점선(37)을 따라 변한다면, 모델예측제어 시스템(30)은 1차 회분에서 실제 각 시간별 반응기의 온도인 출력변수 y1(t)를 이용하여 이상적인 온도 변화와의 편차를 계산하고 제어변수 ul(t)를 결정하여 실제 온도가 이상적인 온도변화를 따라가도록, 예컨대 온도조절밸브(18)를 제어한다.For example, as shown in FIG. 2, if the ideal temperature change in the reactor follows the path indicated by the
2차 회분에서는 현재 시점 t3이전까지의 출력변수 y2(t1), y2(t2)와 입력변수 u2(t1), u2(t2), 및 1차 회분의 입출력 변수 y1(t), u1(t)로 이루어진 2차 프로그래밍(QP; Quadratic Programming)을 이용하여 현재 시점의 입력변수 u2(t3)를 계산한다.In the second batch, the output variables y 2 (t 1 ), y 2 (t 2 ) and the input variables u 2 (t 1 ), u 2 (t 2 ), and the input / output variables of the first batch until the present time t 3 The input variable u 2 (t 3 ) at the present time is calculated using quadratic programming (QP) consisting of y 1 (t) and u 1 (t).
3차 회분에서도 현재 시점의 입력변수 u3(t3)를 계산할 때 현재 시점 t3이전까지의 출력변수 y3(t1), y3(t2)와, 입력변수 u3(t1), u3(t2) 및 현재 회분 바로 전, 즉 2차 회분의 입출력 변수 y2(t), u2(t)를 이용한다. 그런데, 2차 회분의 입력변수 u2(t)에는 1차회분의 정보가 포함되어 있으므로 3차 회분의 입력변수 u3(t)의 계산에는 과거 회분의 정부가 모두 포함되어 있다. 즉, Un(t)=In(t)는 최초 회분부터 n번째 회분의 시점 t까지 측정된 모든 정보의 집합이다.Even in the third batch, when calculating the input variable u 3 (t 3 ) at the present time, the output variables y 3 (t 1 ), y 3 (t 2 ) and the input variable u 3 (t 1 ) before the current time t 3 , u 3 (t 2 ) and the input and output variables y 2 (t) and u 2 (t) immediately before the current batch, that is, the second batch. However, since the input variable u 2 (t) of the second batch includes information of the first batch, the calculation of the input variable u 3 (t) of the third batch includes all the governments of the past batch. That is, U n (t) = I n (t) is a set of all information measured from the first batch to the time point t of the nth batch.
제3도는 본 발명에 따른 모델기반 예측제어 시스템의 개략적인 구성도이다. 모델기반 예측제어 시스템(30)은 Gp로 표현되는 대상공정(50)에서 나온 출력변수 yk(t)를 추정하는 추정기(42)와 추정된 출력변수 k d k k-1 k k 3 is a schematic diagram of a model-based predictive control system according to the present invention. The model-based
추정기(42)와 예측기(44)에서는 대상공정(50)을 대수적으로 표현한 모델링Gm(56)을 이용하므로 Gp와 Gm의 차이만큼의 모델오차가 있는 경우에도 운전이 계속됨에 따라 원하는 기준궤적값(yd)를 완벽하게 추적하는 것이 가능하다. 측정된 출력값에서 실제 출력변수를 추정하는 추정기(42)와 미래의 출력오차를 예측하는 예측기(44)는 기준궤적값과, 예측 및 제어구간 이전 회분의 전체 입출력 변수값(uk-1, yk-1)(54)도 이용한다.Since the
제4도는 본 발명에 따른 모델기반 예측제어 방법의 전체적인 흐름도이다. 먼저, 이전 회분의 입출력 변수 및 현재 회분의 현재 시점 이전의 입출력 변수값을 입력한다(60). 대상공정에서 나온 출력변수를 추정하고(62), 추정된 출력변수, 이전 회분의 입출력 변수 및 현재 회분의 현재 시점 이전의 입출력 변수값을 이용하여 미래의 출력오차를 예측한다(64). 예측된 값을 이용하여 이차 목적함수를 구성하고 (66), 제약조건을 확인한 다음(68), 이차 프로그램밍을 통해 주어진 목적함수의 값을 최소화 시키는 최적화된 제어 입력변수값 Δuk(t)(=uk-uk-1)을 계산한다(70). 이렇게 계산된 Δuk(t)를 이용하여 uk(t)=uk-1(t)+Δuk(t)를 계산한다(72). uk(t)중 첫 번째 변수를 대상공정에 적용하고(74), 샘플링 시간이 경과하면(76), 다시 이전 회분의 입출력 변수 및 현재 회분의 현재 시점 이전의 입출력 변수값을 입력하는 단계(60)로 되돌아가서, 위의 단계를 반복한다.4 is a general flowchart of a model-based predictive control method according to the present invention. First, an input / output variable value of a previous batch and an input / output variable value before a current time point of the current batch are input (60). The output variable from the target process is estimated (62), and the future output error is estimated using the estimated output variable, the input / output variable of the previous batch, and the input / output variable value before the current time of the current batch (64). Using the predicted values, construct a secondary objective function (66), check the constraints (68), and then optimize the control input parameter value Δu k (t) (= calculate u k -u k-1 ) (70). Thus calculates the calculated u k (t) using a Δu k (t) = u k -1 (t) + Δu k (t) (72). Applying the first variable of u k (t) to the target process (74), and when the sampling time has elapsed (76), inputting the I / O variable of the previous batch and the I / O variable value before the current time of the current batch ( Returning to 60), repeat the above steps.
목적함수의 구성은 제5도에 나타낸 흐름도를 따르는데, 먼저 예측기를 통해 예측한 미래의 출력오차를 이용하여+ Δuk T(t)RΔuk(t) 형태로 표현되는 목적함수를 구성한다(80). 여기서 Q와 R은 양의 정부호 행렬이다. 대상공정을 모델링한 Gm과, 추정기, 예측기로부터를 Δuk(t)의 일차 함수형태로 변환하고(82), 다시 목적함수를 Δuk(t)만의 이차함수 형태로 변환한다(84).The composition of the objective function follows the flow chart shown in Figure 5, which is the future output error predicted by the predictor. Using Construct an objective function expressed in the form Δu k T (t) RΔu k (t) (80). Where Q and R are positive definite matrices. From Gm modeling the target process, estimator and predictor Is converted into a linear function form of Δu k (t) (82), and the objective function is converted into a quadratic function form of Δu k (t) alone (84).
주어진 목적함수의 값을 최소화시키기 위해 이용되는 이차 프로그래밍은 제6도에 나타낸 흐름을 따른다. 입력변수의 크기, 입력변수의 변화율 또는 출력에 대하여 주어진 제약조건을 수식형태로 재구성한 뒤 이를 행렬식으로 재구성한다(90). 주어진 제약조건을 만족시키면서 목적함수의 값이 최소화되는 Δuk(t)를 찾아낸다(92). 찾아낸 Δuk값이 목적함수를 가장 최소로 만드는 Δuk(t)인지 확인하여(94), 최소인 경우 확인된 Δuk(t)를 결정하고(96), 최소가 아닌 경우에는 다시 단계(92)로 되돌아가서 주어진 제약조건을 만족하면서 목적함수의 값이 최소화되는 Δuk(t)를 다시 찾는다.Secondary programming used to minimize the value of a given objective function follows the flow shown in FIG. The constraints given for the size of the input variable, the rate of change of the input variable, or the output are reconstructed in equation form and then reconstructed into a determinant (90). We find Δu k (t) where the value of the objective function is minimized while satisfying the given constraint (92). Determine if the found Δu k value is Δu k (t) that minimizes the objective function (94), determine the identified Δu k (t) if it is minimum (96), and if it is not the minimum (92) Return to) and find Δu k (t) where the value of the objective function is minimized while satisfying the given constraint.
이하 반복학습제어와 되먹임 제어가 결합된 본 발명의 모델 예측제어 알고리즘의 구현방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method for implementing a model predictive control algorithm of the present invention in which iterative learning control and feedback control are combined will be described.
[구현방법 1][Method 1]
가. 기본적인 구성end. Basic composition
아래의 설명에서 기호 '―'는 1차 상태추정 후 아직 수정이 되지 않은 추정 중에 있는 값을 나타내고, 기호 '^'는 완전히 추정이 끝난 값을 나타내며, 기호 '△'는 기준값과의 편차를 나타낸다. 그리고, 밑첨자 'k'는 회분지수, 밑첨자 't'는 시간지수를 의미한다.In the description below, the symbol ' - ' represents a value that is under estimation that has not yet been corrected after the first state estimation, the symbol '^' represents a fully estimated value, and the symbol '△' represents a deviation from the reference value. . Subscript 'k' means batch index and subscript 't' means time index.
nu개의 입력과 ny개의 출력으로 이루어지고 N개의 샘플링 시점을 갖는 이산 시간 비선형 회분식 또는 반복 공정을 고려한다. 이와 같은 대상공정들은 제한된 시간 안에서 운전이 이루어지므로 입출력 관계식 또는 제한된 시간 구간 내에서만 구성할 수 있다. 만일, x, y, d 및 x0들을 각각 입력, 출력, 운전 때마다 상관관계를 가지며 들어오는 외란, 그리고 초기 조건으로 정의한다면 비선형 회분식 또는 반복공정은 다음과 같은 대수식으로 표현할 수 있다.Consider a discrete time nonlinear batch or iterative process consisting of n u inputs and n y outputs and with N sampling points. These target processes are operated within a limited time, and thus can be configured only within an input / output relation or a limited time interval. If x, y, d and x 0 are correlated with each input, output and operation, and defined as an incoming disturbance and initial condition, a nonlinear batch or iterative process can be represented by the following algebraic expression.
여기서, G는 공정이 이루어지는 동적 시스템을 대수적으로 모델링한 것이며, w는 서로 다른 회분 사이에서 상관관계를 갖는 외란이고, v는 서로 다른 회분 사이에서 상관관계를 갖지 않는 무작위 외란을 나타낸다.Here, G denotes a logarithmic model of the dynamic system in which the process is performed, w denotes a disturbance having a correlation between different batches, and v denotes a random disturbance having no correlation between the different batches.
그리고,도 식(2)와 같이 정의된다. 행렬 G는 인과성을 부여하기 위해 하부 삼각 행렬이 되며, 시변 펄스 응답계수를 행렬의 원소로 가진다. 위의 식(1)로부터 출력오차에 대한 두 가지의 서로 다른 모델 표현을 유도할 수 있는데, 하나는 되먹임제어를 설계하기 위한 것이고 다른 하나는 반복학습과 되먹임 제어의 결합을 설계하기 위한 것이다.And, It is defined as in Equation (2). The matrix G becomes a lower triangular matrix to give causality, and has a time-varying pulse response coefficient as an element of the matrix. We can derive two different model representations of the output error from Eq. (1) above, one to design feedback control and the other to design combination of iterative learning and feedback control.
yd와 ud는 각각 원하는 기준출력궤적과 기준입력궤적이라 하면, 다음과 같은 관계식이 얻어진다.If y d and u d are desired reference output trajectories and reference input trajectories, respectively, the following relations are obtained.
d와 xo에 대한 기준값도 이와 마찬가지로 구할 수 있다. v=0이라고 가정하고, △u, e, n을 다음과 같이 정의하면,Reference values for d and x o are similarly obtained. Assuming that v = 0 and Δu, e, n are defined as
아래의 식(5)로 표현되는 선형화 모델을 얻을 수 있다.The linearization model expressed by Equation (5) below can be obtained.
여기서, △은 기분값과의 편차를 나타낸다. 식(5)로 표현되는 모델은 이전 회분 운전과는 관련이 없으므로 되먹임 제어 설계를 개발할 때 기반 모델로서 이용할 수 있을 것이다.Δ represents a deviation from the mood value. The model represented by Eq. (5) is not related to the previous batch operation and can be used as a base model when developing feedback control designs.
한편, 아래 첨자 k-1과 k가 각각 이전 회분운전과 이 다음 번째의 회분운전 자료임을 나타내고, G, Gd, Gx가 회분에 관계없이 일정하다고 했을 때, 위 식을 이용하면 아래 식(6) 및 (7)로 표현되는 연속된 두 공정운전 입출력 변수들의 관계식을 얻을 수 있다.On the other hand, when the subscripts k-1 and k represent the previous batch operation and the next batch operation data, respectively, and G, G d , and G x are constant regardless of the batch, the following equation ( The relational expression of two continuous process operation I / O variables represented by 6) and (7) can be obtained.
△dk와 △xo,k도 이와 동일한 방법으로 얻어지고, 연속된 두 회분 운전에서의 출력오차와 e사이의 관계식은 다음과 같이 얻어진다.Δdk and Δxo, k are also obtained in the same way, and the output error in two consecutive batches The relation between and e is obtained as follows.
출력오차와 e는 식(8)에 의해 다음과 같은 관계식을 갖는다.Output error And e have the following relation by Equation (8).
위의 식(8)과 식(9)는 Q-ILC에도 채택될 수 있으며, 식(8)은 되먹임 제어와 반복 학습제어가 결합된 알고리즘의 보다 알반적인 형태를 유도하는 데에 이용될 수 있다. 이러한 모델 표현에 의하면, vk에 있는 시간 상관관계는 예측기 설계에 직접적으로 반영된다.Equations (8) and (9) above can also be employed in Q-ILC, and Equation (8) can be used to derive a more general form of the algorithm combining feedback control and iterative learning control. . According to this model representation, the time correlation in vk is directly reflected in the predictor design.
나. 모델기반 반복학습 제어(Q-ILC)I. Model-based Iterative Learning Control (Q-ILC)
회분식 공정이나 반본 운전 공정에서는 현재 운전중인 회분에 대한 입력 궤적은 현재 회분에서 측정한 정보뿐만 아니라 과거 회분의 정보도 함께 이용하여 수정된다. 반복학습제어는 과거 회분운전의 측정값을 사용하여 입력궤적을 수정하는 입력 수정 알고리즘을 일컫는다. 많은 반복학습제어 알고리즘 중에서 본 발명에서는 Q-ILC를 사용하는데, Q-ILC는 위의 식(8)을 나타나는 정적 모델 표현을 사용하며, 역 모델 기반 반복학습제어(inverse model-based ILC), 제약조건을 갖거나 갖지 않는 관찰자 기반 알고리즘이나 최소-최대 알고리즘에 광범위하게 적용될 수 있다.In the batch process or the half-run operation process, the input trajectory for the currently running ash is corrected by using the information of the past ash as well as the information measured in the current ash. Iterative learning control refers to an input correction algorithm that modifies the input trajectory using measurements of past batch operations. Among the many iterative learning control algorithms, the present invention uses Q-ILC. Q-ILC uses a static model representation represented by Equation (8) above, inverse model-based ILC, constraints. It can be widely applied to observer-based or minimum-maximum algorithms with or without conditions.
Q-ILC를 위한 모델은 식(8)의 첫째 식과 식(9)에 의해 다음과 같이 구성된다.The model for Q-ILC is constructed by the first equation of equation (8) and equation (9) as follows.
Q-ILC의 목적은 △wk=vk=0일 때, 다음 식(11)과 같은 성질을 만족하는 △Uk=f(Ik-1)를 구성하기 위한 학습 알고지름을 설계하는 것이다. 여기서 Ik-1은 k-1번째 회분이 끝난 다음에 사용 가능한 정보를 나타낸다.The purpose of the Q-ILC is to design a learning algorithm for constructing ΔU k = f (I k-1 ) that satisfies the following properties (11) when Δw k = v k = 0 . Where I k-1 represents information available after the k-1 th batch has ended.
이제 모델기반 학습제어를 통해 다음번 공정 운전히 적용할 입력 변수의 값을 계산하기 위해 다음과 같은 목적 함수를 구성한다.Now, model-based learning control constructs the following objective function to calculate the value of the input variable for the next process operation.
여기서 Q와 R은 PD(Positive Definite) 행렬이다. 비용함수(cost function)는 두 개의 연속적인 회분운전간의 입력변화에 대한 벌칙항(penalty term)을 가지고 있는데, 이 벌칙항은 입력변수 계산에서 고주파 성분에 대한 민감도를 줄일 수 있게 하며 위의 식(11)로 표현된 목적을 달성하면서도 nonsquare and/or row-rank deficient 다변수계를 동일한 반복학습제어로 구성할 수 있도록 한다.Where Q and R are PD (Positive Definite) matrices. The cost function has a penalty term for the input change between two consecutive batch operations, which can reduce the sensitivity to high frequency components in the input variable calculations. 11) It is possible to construct non-square and / or row-rank deficient multivariate systems with the same iterative learning control while achieving the objective expressed by 11).
제약조건이 없는 경우 식(12)의 목적함수는 선형이고 이차(quadratic)이므로, 확정성 균등 이론(certainty-equivalence principle)이 적용되고, 다음의 식(13)과 같은 목적함수로 해를 구할 수 있다.In the absence of constraints, the objective function in equation (12) is linear and quadratic. Therefore, the steady-equivalence principle is applied, and the solution can be obtained using the objective function shown in equation (13). have.
여기서, ek|k-1은 상태 추정기로부터 구해지며, 상태 추정기는 다음과 같이 구성된다.Here, e k | k-1 is obtained from the state estimator, and the state estimator is configured as follows.
여기서 관찰자 이득 Kk는 일반적으로 조율 변수(turing factor)로 사용될 수 있으며, 외란과 같은 잡음의 통계학적 정보가 주어진 경우 Kalman 이득을 사용할 수 있다.Here, the observer gain Kk can be generally used as a tuning factor, and Kalman gain can be used when statistical information of noise such as disturbance is given.
제약조건이 없는 경우에 위의 목적함수의 값을 최소화시키는 해는 다음과 같이 구해진다.In the absence of constraints, the solution to minimize the value of the above objective function is found as follows.
여기서,here,
Q-ILC는 다음과 같은 성질을 갖는다. 수렴성(convergence)에 대해서는, 식(15)에서 알 수 있듯이 Q와 R을 어떻게 선택하는 가에 상관없이 모든 G에 대하여 식(11)로 주어진 목적함수를 Q-ILC가 만족한다. 제약조건에 대한 합리적인 가정 하에서라면 제약조건이 있는 경우에도 이러한 수렴성은 마찬가지로 나타난다. 다음으로 강건성(robustness)에 대해서는, 식(11)의 목적함수는 일정범위내로 제한된 모델 오차가 있는 경우에도 그 해를 구할 수 있다. 식(15)를 통해 알 수 있는 바와 같이 Q-ILC제어에서는 회분 인덱스에 대한 적분 연산을 함으로써 k가 증가하면 정상위치편차를 제거할 수 있다. 한편, 종래 반복학습제어에서는 입력변수를 계산할 때 출력오차에 포함된 고주파 성분에 너무 민감하였는데, Q-ILC에서는 점근적 수렴성(asymptotic convergence property)을 유지하면서 이러한 고주파 성분에 대한 민감성을 줄일 수 있다.Q-ILC has the following properties. As for convergence, Q-ILC satisfies the objective function given by Eq. (11) for all G, regardless of how Q and R are selected, as shown in Eq. (15). Under reasonable assumptions about constraints, this convergence also appears if there are constraints. Next, for robustness, the objective function of Eq. (11) can be found even when there is a model error limited within a certain range. As can be seen from equation (15), in the Q-ILC control, the normal position deviation can be eliminated when k increases by performing an integral operation on the batch index. On the other hand, in the conventional iterative learning control was too sensitive to the high frequency components included in the output error when calculating the input variable, Q-ILC can reduce the sensitivity to these high frequency components while maintaining the asymptotic convergence property.
다. 모델기반 되먹임 제어All. Model-based feedback control
여기서는 식(5)로 표현된 모델 G로 구성되는 회분식 공정에 대한 예측제어 알고리즘이 어떻게 구성되는지 설명한다.Here, how the predictive control algorithm for the batch process composed of the model G represented by equation (5) is constructed will be described.
다-1. 상태공간모델의 구성C-1. State space model construction
먼저 G를 재구성하면 다음과 같이 표현할 수 있다.If we first reconstruct G, we can write
여기서 G(t)는 △u(t)(u(t)-ud(t))에 관계된 (ny·N)×nu블록 행렬이다. 따라서 앞의 모델식(5)는 다음과 같이 쓸 수 있다.Where G (t) is Δu (t) ( (n y N) x n u block matrices associated with u (t) -u d (t)). Therefore, the previous model equation (5) can be written as
여기에서 n은 모든 외란을 합친 항이다. e(t)를 다음과 같이 정의하면,Where n is the sum of all disturbances. If we define e (t) as
e(N)=e이므로 식(5)를 다음과 같은 상태공간모델(state space model)로 재구성할 수 있다.Since e (N) = e, Equation (5) can be reconstructed as the following state space model.
여기서 e(t)는 시간 t에서의 출력오차 측정치이고,Where e (t) is the measurement of the output error at time t,
이다.to be.
다-2. 예측기 설계C-2. Predictor design
e(t) 상태 추정기를 통해 추정할 수 있다. e(t|t1)은 어떤 회분에서 t1≤t까지 측정한 값에 기초한 e(t)의 추정치를 나타낸다고 했을 때, 상태 추정기는 다음과같이 구성할 수 있다.It can be estimated through the e (t) state estimator. Assuming that e (t | t1) represents an estimate of e (t) based on a value measured up to t1? t in a batch, the state estimator can be constructed as follows.
여기서, K(t)는 조율변수로 사용될 수도 있고, 외란과 잡음에 대한 통계학적 정보가 주어진 경우 K(t)는 Kalman 이득으로 대신될 수 있다. 예를 들어서, 다음과 같이 정의하고,Here, K (t) may be used as a tuning variable, and given statistical information on disturbance and noise, K (t) may be substituted for Kalman gain. For example, if you define
E{w}=0, E{nnT}=Rn이라고 가정하면, K(t)는 다음과 같은 동적 리카티 방정식(dynamic Riccatti equation)에 의해 구해진다.Assuming that E {w} = 0 and E {nn T } = Rn, K (t) is obtained by the following dynamic Riccatti equation.
이 경우 상태 추정기와 리카티 방정식은 매 회분운전이 시작될 때마다 다음과 같이 초기화된다.In this case, the state estimator and Riccati equation are initialized as follows each time the batch operation starts.
이제, m개의 제어입력을 고려해 보면, 미래의 제어입력은 e(t+m|t)로 예측할 수 있으므로 다음과 같은 예측기를 구성할 수 있다.Now, considering m control inputs, the future control inputs can be predicted as e (t + m | t), so that the following predictor can be constructed.
여기서,here,
이다.to be.
e(t+m|t)는 모든 회분에 대해 정의되지만, t·ny성분은 G의 인과성(casualty) 때문에 △um(t)에 영향을 받지 않는다. 관찰자 이득 K(t)는 H(t)의 시변구조에 맞도록 시간에 따라 변하게 설계되어야 한다.e (t + m | t) is defined for all batches, but the t · n y component is not affected by Δu m (t) because of the causality of G. The observer gain K (t) should be designed to change over time to match the time varying structure of H (t).
다-3. 입력변수의 계산C-3. Calculation of Input Variables
제어입력의 변수의 움직임은 다음과 같은 이차 프로그래밍(QP)으로부터 계산된다.The movement of the variable of the control input is calculated from the following secondary programming (QP).
여기서 ε은 제약조건 중 출력변수에 주어진 항을 위해 도입된 잉여 변수이다. 제약조건이 주어지지 않은 경우 다음과 같은 최소자승해를 구할 수 있다.Where ε is the surplus variable introduced for the term given to the output variable. If no constraints are given, the least-squares solution can be found:
라. 모델기반 반복학습제어와 모델기반 되먹임 제어의 결합la. Combining Model-based Iterative Learning Control with Model-based Feedback Control
앞에서 설명한 Q-ILC와 모델기반 되먹임 제어는 각각 장점과 단점이 있다. Q-ILC는 모델의 오차에서 불구하고 추적 오차를 최소화시킬 수 있지만, 실시간대로 발생하는 외란에 대처하는 능력이 없다. 이와는 반대로 모델기반 되먹임 제어는 실시간대로 발생하는 외란에는 잘 대처하나 모델 오차가 있는 경우에는 심한 추적 제어오차(tracking offset)를 야기시킬 우려가 있다.Q-ILC and model-based feedback control described earlier have their advantages and disadvantages, respectively. Q-ILC can minimize tracking errors despite model errors, but lacks the ability to cope with disturbances occurring in real time. On the contrary, model-based feedback control copes well with real-time disturbances, but there is a fear of causing severe tracking offset when there is model error.
두 제어개념들의 장점은 상호보완적인 관계에 있으므로, 두 가지 제어기술을 적절하게 결합한다면 회분식 공정 또는 반복 운전되는 공정제어에 매우 적합한 새로운 제어기술을 구현할 수 있다.The advantages of the two control concepts are complementary, so a proper combination of the two control techniques can result in a new control technique that is well suited for batch process or repetitive process control.
Q-ILC와 모델기반 되먹임 제어를 결합하는 한가지 방법은 학습제어신호가 앞먹임 열린 루프 바이어스 신호(feedforward open-loop bias signal)로서 결합되는 예측제어를 고려할 수 있는데, 이와 같은 단순한 결합한 모델에 근거한 예측성으로 인해 불안정하게 될 소지를 갖게 된다. 만약 uLC를 반복학습제어 알고리즘으로 구한 현재 회분에 대한 학습제어신호라고 하고 △uLC≒uLC-ud라고 하면 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.One way to combine Q-ILC with model-based feedback control is to consider predictive control in which the learning control signal is combined as a feedforward open-loop bias signal, which is based on a simple combined model-based prediction. Sex can lead to instability. If u LC is the learning control signal for the current batch obtained by the iterative learning control algorithm, and Δu LC ≒ u LC -u d , the following relation can be obtained.
만일 예측 제어가 이와 같은 모델로부터 설계된다면, 제어신호는 이미 기술된 바있는 목적함수를 △u+△uLC를 가지고 최소화시키도록 결정될 것이다. 이는 △uLC가 사실상 제어입력 결과에 어떤 영향도 주지 않는다는 것을 의미한다. 공정에 대한 모델이 오차를 가졌을 때 제어입력은 부정확하게 예측된 출력오차를 제거하도록 계산될 것이다. 이러한 고려로부터 나온 결과는 반복학습제어의 학습함수가 단순 결합된 종류에 있어서 그 의미를 상실하게 되므로 학습능력을 보존할 수 있는 새로운 결합 기술이 필요하다는 것이다.If the predictive control is designed from such a model, the control signal will be determined to minimize the previously described objective function with Δu + Δu LC . This means that Δu LC has virtually no influence on the control input result. When the model for the process has an error, the control input will be calculated to remove the incorrectly predicted output error. The result from this consideration is that the learning function of repetitive learning control loses its meaning in the simple combined type, and therefore a new coupling technique is needed to preserve the learning ability.
이미 설명한 것처럼, 반복학습제어에서 학습은 운전을 거듭함에 따라 작용하는 제어기의 적분연산에 의해 가능하다. 제어기가 출력오차로 유도된 형태일 때 운전이 반복됨에 따라 출력 오차가 0으로 수렴하게 된다. 연속공정에서 모델예측제어는 일반적으로 이와 다른 형태를 갖게 된다는 사실로부터 다음의 두 가지 접근방법이 가능해진다. 하나는 본 발명가에 의해 제안된 바 있는 이차 성능지수 기반 모델 학습제어구조를 유지하는 예측제어 함수를 갖는 것이고, 다른 방법은 운전이 반복됨에 따라 적분 동작을 갖게 하는 것이다.As already explained, the learning in the iterative learning control is possible by the integral operation of the controller acting as the operation is repeated. When the controller is in the form of output error, the output error converges to zero as the operation is repeated. From the fact that model predictive control generally has a different form in a continuous process, the following two approaches are possible. One is to have a predictive control function that maintains the secondary figure of merit based model learning control structure proposed by the inventor, and the other is to have an integral action as the operation is repeated.
라-1. 제약조건이 없는 경우의 알고리즘D-1. Algorithm without Constraints
라-1-1. 상태공간모델의 구성La-1-1. State space model composition
우선 상태공간모델의 구성을 위해서(t)와 ek(t)를 다음과 같이 정의한다.First, to construct a state space model (t) and e k (t) are defined as
ek(t)에 대해서도 같은 방식으로 정의한다. 따라서 ek(N)=ek이고 ek(N)=ek이다. 그러면, 다음과 같은 상태공간 모델을 얻을 수 있다.E k (t) is also defined in the same way. Thus e k (N) = e k and e k (N) = e k . Then, we get the following state-space model:
여기서,이다.here, to be.
라-1-2. 예측기 설계R-1-2. Predictor design
위의 식(32)에서와 t는 다음과 같은 상태 추정기를 통해 추정될 수 있다.In equation (32) above And t Can be estimated by the following state estimator.
상태 추정기는 새로운 공정 운전이 시작될 때 다음과 같이 초기화된다.The state estimator is initialized as follows when a new process run begins.
통계학적 정부가 주어진 경우 Kalman 이득이 Kk(t)로 사용되며, 이를 위해 우선 다음과 같은 정의를 도입한다.Given a statistical government, Kalman gain is used as K k (t), for which we first introduce the following definition:
여기서k(t)={e1,…,ek-1,ek(1),…,ek(t)}는 현재 운전중인 공정의 초기부터 시간 t까지의 정보이다. Kalman 이득은 다음과 같은 동적 리카티 방정식으로부터 구해진다.here k (t) = {e 1 ,... , e k-1 , e k (1),... , e k (t)} is information from the beginning of the current running process to time t. The Kalman gain is obtained from the following dynamic Ricardi equation.
만일,if,
이라면, 상태 추정기와 리카티 방정식은 다음과 같이 초기화된다.If not, the state estimator and Riccati equation are initialized as follows.
또한 ek(t+m)을 t부터 t+m-1까지의 미래 제어입력에 대한 출력오차의 예측치라고 하면, ek(t+m)은 다음과 같은 표현된다.If ek (t + m) is an estimated value of an output error for a future control input from t to t + m-1, ek (t + m) is expressed as follows.
여기서,here,
라-1-3. 입력변수의 계산R-1-3. Calculation of Input Variables
제어입력변수의 계산은 다음과 같은 이차 프로그래밍을 통해 얻어진다.The calculation of the control input variables is obtained through the following secondary programming.
제약조건이 없는 경우에 대한 제어입력변수는 다음과 같다.The control input variables for the case of no constraint are as follows.
매 시간마다 위와 같은 이차 프로그래밍을 통해 얻은 △uk m(t) 중에서 최초의 값인 △uk(t)만이 공정에 적용된다.Every hour, only the first value, Δu k (t), of Δu k m (t) obtained through this secondary programming is applied to the process.
라-2. 제약조건이 있는 경우의 알고리즘D-2. Algorithm with Constraints
제약조건이 있는 경우의 알고리즘은 물리적인 제한요소 또는 안정성 등의 이유로 이차 프로그래밍에 제약조건 방정식이 포함되어야 한다는 점을 제외하고는 제약조건이 없는 경우의 알고리즘과 동일하다.The algorithm with constraints is identical to the algorithm without constraints, except that constraint equations must be included in secondary programming for reasons of physical constraints or stability.
라-2-1. 제약조건 방정식(Constraint Equation)La-2-1. Constraint Equation
대부분의 산업현장에서 공정변수들은 특정 범위 내로 한정되는 것이 대부분이다. 제약조건들은 예컨대, 입력변수의 크기, 입력변수의 변화율, 출력에 대해 주어진다. 입력변수의 크기에 대한 제약조건은 다음의 식(43)으로 표현될 수 있다.In most industrial sites, process variables are often limited within a certain range. Constraints are given, for example, on the size of the input variable, the rate of change of the input variable, and the output. The constraint on the size of the input variable can be expressed by the following equation (43).
시간지수(time index)에 대한 입력변화율은 다음의 식(44)로 표현된다.The rate of change of the input for the time index is expressed by the following equation (44).
여기서, δ은 이산시간 지수(discrete time index)에 따른 차이를 나타낸다.Here, δ represents a difference according to a discrete time index.
한편, 회분지수(batch index)에 대한 입력변수의 변화율은 다음과 같이 쓸 수 있다.Meanwhile, the change rate of the input variable with respect to the batch index can be written as follows.
위의 제약조건들을 입력변수를 uk-1근처에서 비선형 회분식 공정을 선형모델로 표현할 수 있는 범위 내로만 한정하여 조정하도록 하는데 유용하다.It is useful to adjust the above constraints only by limiting the input variable to a range that can be represented by the linear model of the nonlinear batch process near u k-1 .
출력에 대한 제약조건은 모든 회분에 대해 정의되는데, 잠재적 실행불가능성(potential infeasibility)을 피하기 위하여 소프트 제약조건(soft constraint)을 고려하면, 다음과 같이 표현될 수 있다.Constraints on the output are defined for all batches. Considering soft constraints to avoid potential infeasibility, it can be expressed as:
모든 제약조건의 상한과 하한은 회분에 의존하며, 위의 제약조건 방정식은 △uk m(t)에 대한 보다 일반적인 형태로 재구성할 수 있다. 먼저, 식(43)으로 표현된 입력변수의 제약조건식은 다음과 같이 재구성된다.The upper and lower bounds of all constraints depend on ash, and the constraint equation above is Δuk It can be reconstructed into a more general form of m (t). First, the constraint expression of the input variable represented by equation (43) is reconstructed as follows.
δuk(0)=uk(0)라고 가정하면, δuk m(t)는 다음과 같이 쓸 수 있다.Assuming δu k (0) = u k (0), δu k m (t) can be written as
여기서,here,
따라서, 다음과 같은 제약조건 방정식을 얻는다.Therefore, we obtain the following constraint equation.
여기서,here,
출력에 대한 제약조건은 다음과 같이 재구성할 수 있다.The constraints on the output can be reconstructed as follows:
취약영역의 교차점을 취하면 식(45)와 식(47)은 하나의 식으로 결합된다. △uk m,low"*t)와 △uk m,hi"*t)가 각각 취약영역의 하한과 상한이라고 하면, 위의 제약조건 방정식은 다음과 같은 일반적인 형태로 결합될 수 있다.Equation (45) and equation (47) are combined into one equation when the intersection of the weak areas is taken. If Δu k m, low ”* t) and Δu k m, hi” * t) are the lower and upper limits of the weak area, respectively, the constraint equation above can be combined in the following general form.
여기서,here,
라-2-2. 입력변수의 계산D-2-2. Calculation of Input Variables
소프트 제약조건에서 나온 슬랙변수(slack variable)에 대한 벌칙항을 추가하면, 이차 프로그래밍은 식(39)와 (54)의 조건하에서 다음과 같이 수정된다.By adding a penalty term for the slack variable resulting from soft constraints, the secondary programming is modified as follows under the conditions of equations (39) and (54):
식(39)를 식(56)에 대입하면, 이차 프로그래밍은 식(54)의 조건하에서 다음과 같이 재구성된다.Substituting equation (39) into equation (56), the secondary programming is reconstructed as follows under the condition of equation (54).
제약조건이 주어진 경우 이차 프로그래밍을 통해 주어진 제약조건을 모두 만족시키면서 목적 함수의 값을 최소화시키는 제어입력 변수를 결정한 뒤 역시 얻어낸 △uk m(t)중에서 최초의 값인 △uk(t)만이 공정에 적용된다.Given constraints, Δu obtained after determining the control input variable that minimizes the value of the objective function while satisfying all given constraints through quadratic programming.k Δu, the first of m (t)kOnly (t) is applied to the process.
[구현방법 2][Method 2]
본 발명에 따른 모델기반 예측제어 알고리즘은 다음과 같이 단순화될 수 있다. 이것은 본 발명을 실제 공정제어에 보다 간편하게 적용하고 제어속도를 높이기 위한 것이다.The model-based predictive control algorithm according to the present invention can be simplified as follows. This is to more easily apply the present invention to the actual process control and to increase the control speed.
가. 제약조건이 없는 경우end. If there are no constraints
'구현방법 1'에서 설명한 상태추정기 식(14)는The state estimator equation (14) described in 'implementation method 1' is
[수학식 14][Equation 14]
다음과 같이 분해할 수 있다.It can be decomposed as follows.
일반적으로 관찰자 이득 또는 추정기 이득 K는 조율변수로 쓰일 수 있는데, 통계학적 정보가 주어진 경우에는 Kalman 이득으로 대신할 수 있다. 제어입력 변수의 계산은 다음과 같은 형태로 주어진 목적 함수값을 최소화시키는 입력변수를 찾아냄으로써 할 수 있다.In general, observer gain or estimator gain K can be used as a tuning variable, and given statistical information, it can be substituted for Kalman gain. The control input variable can be calculated by finding the input variable that minimizes the given objective function value in the form
이러한 목적함수의 해는 다음과 같다.The solution of this objective function is
매사간마다 위와 같은 이차 프로그래맹을 통해 얻은 △Uk+1(t) 중에서 최초의 값인 △uk(t)만이 공정에 적용된다.Each MA is applied between the top and second programming only △ U k + 1 (t) The first value △ u k (t) obtained by the blind in the same process.
나. 제약조건이 있는 경우I. If there is a constraint
제약조건이 주어진 경우 이차 프로그래밍을 통해 주어진 제약조건을 모두 만족시키면서 목적함수의 값을 최소화시키는 제어 입력변수를 결정한 뒤 역시 얻어낸 △uk m(t) 중에서 최초의 값이 △uk(t)만이 공정에 적용된다.Given a constraint, the second programming can determine the control input variable that satisfies all the given constraints while minimizing the value of the objective function, and then the first value of Δu k m (t) is Δu k (t). Applied to the process.
제약조건이 있는 경우의 목적함수는 다음과 같다.The objective function when there is a constraint is
여기서, ε은 제한조건 중 출력변수에 주어진 항을 위해 도입된 잉여변수이다.Where ε is the surplus introduced for the term given to the output variable.
이하, 본 발명에 따른 모델기반 예측제어를 실제 공정에 적용한 예를 설명한다.Hereinafter, an example in which model-based prediction control according to the present invention is applied to an actual process will be described.
적용례 1. 모의실험Application Example 1. Simulation
본 발명에 따른 모델 예측 제어 시스템의 성능을 확인하기 위해서 다음의 다중 입출력계에 대하여 모의실험(simulation)을 하였다. 전달 함수가 Gp(s)로 표현되는 플랜트의 출력에 평균이 0이고 분산이 0.01이 백색잡음이 섞여 있는 공정에 대하여 모델링 Gm(s)를 공정으로 알고 1의 샘플링 간격으로 제어 시스템을 설계하였다.In order to confirm the performance of the model predictive control system according to the present invention, the following multiple input / output systems were simulated. For a process where the transfer function is expressed as Gp (s) and the output of the plant has an average of 0 and a variance of 0.01, the modeling Gm (s) is known as the process and the control system is designed with a sampling interval of 1.
모의실험의 결과는 제7(a)도와 제7(b)도에 나타나 있다. 여기서 밑첨자는 회분지수를 나타낸다. 제7(a)도에서 출력1은 입력1에 대하여 본 발명에 따른 제어 시스템은 모델 오차와 측정 오차에도 불구하고 뛰어난 추적 성능을 나타내고 있으며, 공정 입력 쪽의 변화가 심하지 않음을 볼 수 있다. 또한 모델 예측 제어기와의 결합으로 모델 오차가 있는 경우라고 첫 번째 회분 운전 때의 결과의 추적 성능이 우수함을 알 수 있다.The results of the simulations are shown in Figures 7 (a) and 7 (b). Where the subscript indicates the batch index. In FIG. 7 (a), the
또한 제7(b)도에서 볼 수 있는 것처럼, 출력2에 대하여 2번째 공정운전 중 출력쪽(y2)에 계단형태의 외란이 유입되었음에도 불구하고 이에 개의치 않고 입출력 변수의 값을 기준궤적으로 수렴시키는 수렴성이 뛰어남을 볼 수 있다.In addition, as shown in FIG. 7 (b), despite the stepwise disturbance flowing into the output side y 2 during the second process operation with respect to the
적용례 2. RTPApplication Example 2. RTP
현재 반도체 제품의 생산에 사용되고 있는 웨이퍼 가공공정 중 산화공정, 열처리공정(annealing), 화학기상증착공정(CVD; Chemical Vapor Deposion) 등은 많은 실리콘 웨이퍼를 대량으로 처리할 수 있도록 별도의 대형 공정으로 설계되어 왔다. 그러나, 최근 반도체 제품의 추세가 다품종으로 변하면서 특수용도에 적합한 주문형, 기능성 반도체 제품에 대한 수요가 늘고 이에 적합한 웨이퍼 가공공정에 대한 관심이 높아지고 있다.Among the wafer processing processes currently used in the production of semiconductor products, oxidation process, annealing process, and chemical vapor deposition process (CVD) are designed as separate large processes to process a large number of silicon wafers in large quantities. Has been. However, as the trend of semiconductor products has recently changed to a variety of products, there is an increasing demand for custom-made and functional semiconductor products suitable for special applications and interest in wafer processing processes suitable for them.
웨이퍼를 대량으로 처리하는 현재의 방법은 조업조건이 제대로 제어되지 못하는 경우 많은 불량품이 나올 수 있기 때문에 적은 양의 반도체 소자를 불량품 없이 생산하는 기술지향에는 맞지가 않는다. 또 여러 개의 웨이퍼를 일괄 처리하므로 각 웨이퍼상의 온도 분포가 달라질 수 있고 이는 산화공정이나 도핑과정에서 실리콘 포면 상태를 균일하게 하지 못하는 결과를 낳기도 한다.The current method of processing wafers in large quantities is not suitable for the technical orientation of producing a small amount of semiconductor devices without defects because many defects can come out if the operating conditions are not properly controlled. In addition, the batch processing of several wafers may cause the temperature distribution on each wafer to vary, resulting in inconsistent silicon surface conditions during oxidation and doping.
이와 같은 기존 공정에서의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 공정으로 개발된 RTP(Rapid Thermal Processing)에 대한 연구가 있었다. RTP는 예컨대, 『J. Nulman, "Rapid Thermal Processing of High Quality Silicon Dioxide Films", Solid State Technol., June, 1986』이나 『J. S. Mercier, I. D. Calder, R. P. Beerkens, and H. M. NAguib, "Rapid Isothermal Fusion of PSG films", J. Electrochem. Soc., 132, 2432, 1986』에 개시되어 있는 것처럼, 웨이퍼를 한 장씩 독립적으로 가공하는 공정으로 삽입되는 웨이퍼를 공심형으로 배열된 레이저원이나 할로겐 램프를 사용하여 매우 높은 시간 내에 필요한 온도까지 상승시킨 후 CVD, 열처리, 열산화 등의 공정을 한 장치내에서 수행할 수 있도록 설계된 공정이다. RTP는 장치가 상대적으로 매우 작으며 불량율을 줄일 수 있어 경제성이 높은 공정으로 부각되고 있다. RTP 운전의 가장 핵심은 실리콘 웨이퍼 전 표면의 온도를 높은 시간에 균일하게 상승시키고 유지하도록 제어하는 것이라고 할 수 있다. 그러나 현재의 RTP는 온도제어에 많은 문제가 있어서 보급이 확산되지 못하고 있다.There was a study on RTP (Rapid Thermal Processing) developed as a new process that can solve the problems of the existing process. RTP is described, for example, in “J. Nulman, "Rapid Thermal Processing of High Quality Silicon Dioxide Films", Solid State Technol., June, 1986 or J. S. Mercier, I. D. Calder, R. P. Beerkens, and H. M. NAguib, "Rapid Isothermal Fusion of PSG films", J. Electrochem. Soc., 132, 2432, 1986, by using a laser source or a halogen lamp arranged in a concentric manner, the wafer inserted in the process of independently processing the wafers one by one is raised to the required temperature within a very high time. After CVD, heat treatment, thermal oxidation, etc., the process is designed to be performed in one device. RTP is emerging as a highly economical process due to its relatively small device and reduced defect rate. The key to RTP operation is to control the temperature on the entire surface of the silicon wafer to be raised and maintained uniformly at high times. However, the current RTP has a lot of problems in temperature control, the spread is not spread.
RTP의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 많은 제어기법들이 연구되고 있지만, 현재 대부분의 연구는 기존의 연속공정 제어기법을 응용하여 개량하는 방향으로 이루어지고 있으며 제어성능의 개선에 한계를 보이고 있다고 할 수 있다. RTP 공정의 제어연구에서 흔히 간과되고 있는 중요한 시스템 특성의 하나는 RTP 운전이 반복적 성격을 가지고 있다는 것이다. 이러한 공정에서는 과거 회분운정의 결과를 되먹임하여 다음 회분에서의 운전결과를 개선할 수 있는 가능성이 있다.Although many control methods have been studied to solve these problems of RTP, most of the studies have been made to improve the existing process control method and show a limitation in improving control performance. One important system feature that is often overlooked in RTP process control studies is that the RTP operation has a repetitive nature. In such a process, it is possible to feed back the results of the past batch operation to improve the operation results in the next batch.
예를 들어서, 제8도에 도시한 공정을 고려해 보자. 이 공정은 반응 챔버(100)에 반도체 웨이퍼(110)를 넣고 가열기, 예컨대 적외선 가열기(104, 106, 108)를 사용하여 웨이퍼의 온도를 높여서 원하는 물질을 웨이퍼 표면에 도포하거나 열처리 등을 하기 위한 것으로서, 회분식 공정의 하나이다. 적외선 가열기는 제8(a)도에 도시한 것처럼, 동심형으로 구성되어 있다. 앞에서 설명한 것처럼, 이 공정에서는 짧은 시간에 원하는 온도로 웨이퍼의 온도를 균일하게 올리는 것이 중요하다.For example, consider the process shown in FIG. In this process, the
반도체 웨이퍼(110)의 반지름 r이 R이라고 하고, 두께 z를 Z라 했을 때, 반도체 웨이퍼의 재질, 반지름 r, 두께 z 등을 변수로 하고 RTP에 대한 열적해석을 통해 수식모델을 구성한 후, 실시간에 활용할 수 있도록 조율이 가능한 차수감소모델로 간략화한다. 이 차수감소모델에 대해 모델인식기법을 이용한 파라미터 추정을 통해 조율을 수행한 후, 제어계 설계를 위한 선형화 모델을 유도한다. 원하는 반응이 일어날 웨이퍼 표면의 온도 T0, T1, …, Tn는 대상공정을 제어하는 제어시스템의 출력 변수가 될 것이고, 가열기에 공급되는 전류 u1, u2, u3등이 제어 입력변수가 될 것이다. 가열기(104, 106, 108)는 모두 공심형으로 배열되어 있고 반도체 웨이퍼(110)는 중심에 대하여 대칭이므로 반지름 r=0에서 r=R인 구간에 대한 온도 T0, T1, …, Tn를 측정하여 출력변수로 한다.When the radius r of the
제9도는 제8도의 공정에 본 발명에 따른 모델기반 예측제어 시스템이 결합한 상태를 나타내는 개략도이다. 웨이퍼의 표면에서 측정한 온도는 아날로그 입력기(122)를 통해 인터페이스(12)로 들어오고, 인터페이스(120)는 아날로그 온도신호를 제어 시스템(130)에 적합한 데이터 형태로 변환한다. 제어 시스템(130)은 현재 회분의 웨이퍼 온도값을 추정하고, 현재 회분 이전의 회분에 대한 웨이퍼 온도변수, 가열기에 공급한 전류변수와 현재 회분의 현재 시점 이전 시점의 웨이퍼 온도변수, 가열기에 공급한 전류변수를 이용하여 미래의 출력 오차를 예측한다. 앞에서 설명한 것처럼, 제약조건을 확인하고 이차 프로그래밍을 사용하여 주어진 목적함수의 값을 최소화시키는 △uk(t)를 계산하고, △uk(t)를 이용하여 uk(t)를 계산한 후 uk(t) 중에서 최초의 값을 인터페이스(120)를 보낸다. 인터페이스(120)는 제어시스템(130)에서 제공된 제어입력변수를 아날로그 출력기(124)에 맞는 신호로 변환하고, 이 변환된 신호는 사이리스트(126, 127, 128; thyristor)를 통해 각각 적외선 가열기 (104, 106, 108)에 공급된다.9 is a schematic diagram showing a state in which the model-based predictive control system according to the present invention is combined with the process of FIG. 8. The temperature measured at the surface of the wafer enters the
적용례 3. 회분식 반응기Application Example 3 Batch Reactor
일반적으로 회분식 반응기(batch reactor)는 반응기내로 반응물질을 투입한 후 온도를 승온시켜 1차로 반응을 시킨 뒤 다시 온도를 추가로 승온시켜 동일 반응을 추가로 유도한 다음 감온시킨 후 반응기로부터 생성물질을 배출시키는 과정을 되풀이하게 된다. 이와 같은 회분식 반응기의 모의실험을 위해 다음과 같은 반응기와 반응식을 수식으로 표시하였다.In general, a batch reactor (Batch reactor) after the reaction material is introduced into the reactor, the temperature is raised to the first reaction and then the temperature is further raised to further induce the same reaction and then lowered the product from the reactor The process of discharging the gas is repeated. For the simulation of such a batch reactor, the following reactor and the reaction formula is represented by the formula.
여기서, T는 반응기내의 온도, U는 총괄 열전달 계수, A는 열전달 면적, M은 반응물질의 총질량, Tj는 반응기 자켓의 온도, Cp는 반응기 내부물질의 열용량 계수, Ca는 반응기 내에서 반응물의 농도를 나타내고, △HR은 반응열을 의미한다.Where T is the temperature in the reactor, U is the overall heat transfer coefficient, A is the heat transfer area, M is the total mass of the reactant, Tj is the temperature of the reactor jacket, Cp is the heat capacity coefficient of the reactor internals, and Ca is the reactant in the reactor. The concentration is shown, and ΔHR means heat of reaction.
반응열 △HR은 e-1/T에 비례하고, k는 e1/T에 비례하는 등 비선형계인 회분식 반응기의 제어를 위해 먼저 모델링하여 얻은 계단 테스트 결과와 계단 응답은 제10(a)도와 제10(b)도에 나타낸 바와 같이 얻어진다.The reaction heat ΔHR is proportional to e −1 / T , k is proportional to e 1 / T , and the step test results and step response obtained by first modeling for the control of a batch reactor, which is a nonlinear system, are shown in FIGS. (b) is obtained as shown in FIG.
계단 테스트의 결과 얻은 대상 공정의 모델은 제11도의 실선으로 표시한 것과 같은데, 이러한 모델을 사용하여 본 발명에 따른 모델기반 예측제어를 실시한 결과, 제12도에 나타낸 바와 같은 제어입력신호 u1, u2, u3, u5, u7을 입력했을 때 y1, y2, y3, y5, y7과 같은 출력을 얻을 수 있다. 5번째 회분부터는 출력이 기준궤적을 거의 정확하게 추적하고 있는 것을 볼수 있다. 한편, 입력 u1, u2, u3는 제약조건에 의해 △u의 범위가 제한된 상태이다.The model of the target process obtained as a result of the step test is the same as the solid line of FIG. 11. As a result of performing the model-based predictive control according to the present invention using this model, the control input signal u 1 , as shown in FIG. If you enter u 2 , u 3 , u 5 , u 7 , you get output like y 1 , y 2 , y 3 , y 5 , y 7 . From the fifth batch, you can see that the output tracks the reference trajectory almost accurately. On the other hand, the inputs u 1 , u 2 , and u 3 are in a state in which the range of Δu is limited by constraints.
기준궤적을 정확하게 추적하고 있는 입출력 변수를 이용하여 대상공정을 다시 모델링한 것이 제11도의 *선으로 표시된 것인데, 최초의 모델링과 많은 오차가 있는데도 불구하고 본 발명의 모델예측제어를 사용하면, 제12도에서처럼 우수한 추적성능과 모델오차에 대하나 강건성(robustness)을 얻을 수 있다.Re-modeling the target process using input / output variables that accurately track the reference trajectory is indicated by the * line in FIG. 11. Although there are many errors with the initial modeling, using the model predictive control of the present invention, As shown in the figure, robust tracking and model error can be achieved.
적용례 4. 회분식 종류Application Example 4. Batch Type
일부 작은 공장에서는 휘발성 제품을 휘분식 증류(batch distillation)을 통해 액체 용액으로부터 회수한다. 혼합물은 증류기 또는 재비기에 넣고 열은 코일을 통하거나 용기벽을 통해 공급하여 액체가 비등점에 이르도록 하여 그 중 일부를 기화시킨다. 그러나 이는 순도를 조절할 수 없으므로 환류가 있는 회분식 공정을 통해 순도를 높이고 바라는 시간에 바라는 순도가 나올 수 있도록 제어를 한다. 이때 회분공정에 대한 본 발명의 모델기반 예측제어 기법을 사용하게 된다.In some small plants, volatile products are recovered from the liquid solution via batch distillation. The mixture is placed in a distiller or reboiler and heat is supplied through a coil or through the vessel wall to vaporize some of the liquid to reach the boiling point. However, since it is not possible to control the purity, it is controlled through a batch process with reflux to increase the purity and to achieve the desired purity at the desired time. In this case, the model-based predictive control method of the present invention for the batch process is used.
적용례 5. 가열공정Application Example 5. Heating Process
산업현정에서는 대다수의 공정에 유입되는 흐름이나 물질이 유입되기 전 미리 가열시키는 것을 요구하고 있는데, 이러한 미리 흐름이나 물질을 공정에 유입하기 전에 가열하는 공정 또는 반복운전공정 또는 회분식 공정으로 분류할 수 있다. 따라서 주공정에서 원하는 정확한 온도까지 흐름이나 물질을 정확히 가열시킨 뒤, 주공정으로 넘겨주기 위해서는 본 발명의 제어방법을 이용하여 정확한 해를 구해서 이를 제어변수에 적용하고, 원하는 온도로 가열한다.The industry requires heating in advance before the flow or material entering the majority of processes, which can be classified as heating, batch operation, or batch processes before heating. . Therefore, after the flow or material is precisely heated to the desired temperature in the main process, and then transferred to the main process, an accurate solution is obtained using the control method of the present invention and applied to the control variable, and then heated to the desired temperature.
적용례 6. 화학기상증착Application Example 6. Chemical Vapor Deposition
반도체 공정 중의 하나인 실리콘 에피텍시 공정은 실리콘 웨이퍼에 단결정막을 성장시켜 주는 것으로 미세 전자회로 제작의 중요공정이다. 이때 사용하는 주방법이 화학기상증착로 유도가열 수평반응로나 유도가열 수직 가열로 등의 가열로 안에 실리콘 웨이퍼를 넣고 단결정막을 형성하기 위한 가스를 주입하여 기상증착을 시키는 방법이다. 이 공정에 의해 나온 단결정막의 성질은 결정막의 두께, 결정구조 결합, 저항 등에 의해 좌우되고 이를 제어하는 방법은 반응로의 구조, 성장 온도, 가열방향, 주입된 가스의 순도, 압력, 온도가열 방법, 기판 결정의 완전성 등이 있다. 지금까지는 실리콘 웨이퍼의 크기가 작아 장치 구성방법으로 이를 극복할 수 있었으나, 현재와 같이 기술의 발전으로 실리콘 웨이퍼의 크기가 커지고 있는 상황에서는 웨이퍼 가공의 불량율과 관련된 실리콘 웨이퍼상의 온도 균일성이 문제가 된다. 그래서 이에 대한 제어가 필요한데, 이 에피텍시 공정은 기준 온도 궤적을 쫓아 전표면의 온도가 균일하도록 제어하는 전형적인 회분식 공정이다.The silicon epitaxy process, which is one of the semiconductor processes, grows a single crystal film on a silicon wafer and is an important process for fabricating microelectronic circuits. At this time, the main method to be used is to vapor-phase deposition by injecting a silicon wafer into a heating furnace, such as a chemical vapor deposition furnace induction heating horizontal reactor or induction heating vertical heating furnace to form a single crystal film. The properties of the single crystal film produced by this process depend on the thickness of the crystal film, the crystal structure bonding, the resistance, and the like. The integrity of the substrate crystals; Until now, the size of the silicon wafer was small so that it could be overcome by the device construction method. However, in the situation where the size of the silicon wafer is increased due to the development of technology, the temperature uniformity on the silicon wafer related to the defective rate of wafer processing becomes a problem. . So control is needed, and this epitaxy process is a typical batch process that follows the reference temperature trajectory and controls the temperature of the entire surface to be uniform.
적용례 7. 로봇 동작제어Application Example 7. Robot Motion Control
자동차 생산공장이나 전자제품 생산공정에서 사용되고 있는 현재 로봇은 아직 나사를 조이거나 물건을 집어서 옮기거나 하는 등과 같은 한 작업만을 위해서 만들어진 로봇들로 여러 조립라인에서 반복적인 작업을 하는 데에만 이용되고 있다. 조립라인의 움직이는 시간에 맞추어 항상 같은 기준궤적을 수행하는 산업로봇 또는 반복공정의 일례로 본 발명의 모델기반 예측제어를 적용할 수 있다.Currently used in automobile manufacturing plants and electronics production processes, robots are still used only for one task such as screwing, picking and moving objects, and used only for repetitive tasks in various assembly lines. . The model-based predictive control of the present invention can be applied as an example of an industrial robot or an iterative process that always performs the same reference trajectory in accordance with the moving time of the assembly line.
적용례 8. 반도체 단결정 성장공정Application Example 8. Semiconductor Single Crystal Growth Process
이 공정은 반도체 공정에서 주로 쓰이는 실리콘 결정을 성장시키는 공정으로 반도체 산업이 각광을 받음에 따라 중요성이 강조되는 공정이다.This process grows silicon crystals, which are mainly used in the semiconductor process, and the importance is being emphasized as the semiconductor industry is in the spotlight.
이 공정은 실리콘을 녹여 액체 상태로 만든 뒤 실리콘 액체의 온도와 주위에 인위로 걸어주는 자기장의 강도를 조절하여 크기가 일정할 뿐만 아니라 불순물이 없는 순수한 결정으로 실리콘을 성장시키는 공정이다. 따라서 실리콘 액체의 온도와 자기장, 원판의 회전속도가 제어입력변수가 되고, 성장한 실리콘 결정의 각각의 지점에서의 지름과 순도가 출력변수가 되는 관계는 규정할 수 있고, 이에 따라 본 발명의 제어기법을 적용하여 동일한 운전이 반복됨에 따라 원하는 지름이 일정하고 순수한 결정을 성장시킬 수 있는 제어입력 변수값을 얻어낼 수 있다.This process dissolves the silicon into a liquid state and then grows the silicon as pure crystals that are not only uniform in size but also free of impurities by controlling the temperature of the silicon liquid and the strength of the magnetic field that is artificially walked around. Therefore, the relationship between the temperature of the silicon liquid, the magnetic field, and the rotational speed of the disc becomes the control input variable, and the diameter and purity at each point of the grown silicon crystal become the output variable. As the same operation is repeated, the control input variable value can be obtained to grow crystals with a constant desired diameter.
Claims (14)
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