KR100294660B1 - Multi-variable control method - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A multi-variable control method is provided to exactly control a temperature in a chamber having a semiconductor test handler. CONSTITUTION: A control part reads temperature data from a sensor which senses an indoor temperature(111), and calculates an error between an input temperature and a set temperature(112). A minimum error is compared with a predetermined positive limited temperature(113). If the minimum error is over the predetermined positive limited temperature, a step jumps (115)steps and a control command is calculated into a minimum value. If the minimum error is below the predetermined positive limited temperature, there is judged whether a maximum error is over a predetermined negative limited temperature(114). If the maximum error is below the predetermined negative limited temperature, a control command is calculated(116). If the maximum error is over the predetermined negative limited temperature, an optimum control command is carried out(117).

Description

다변수 제어방법 및 장치Multivariable Control Method and Device

이 발명은 반도체 검사 장치에 관한 것으로, 특히 온도에 관련한 환경에서, 반도체 온도응력 검사를 수행하도록 하는 다변수 제어방법 및 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor inspection apparatus, and more particularly, to a multivariate control method and apparatus for performing semiconductor temperature stress inspection in a temperature-related environment.

반도체 신뢰성은 매우 중요한 요소로써 장비와 다른 전자 응용기기의 수명을 결정하는데, 반도체에 대하여 일반적으로 고려되는 사항은 초기 고장, 상시 고장율, 수명 (장기간 신뢰성)과 내구성이다. 그러나 반도체에서 초기고장과 상시고장율, 수명이 주관심 대상이고 내구성은 정상 작동시 반도체의 신뢰성에 대하여 영향을 미치지 못한다. 또 반도체의 상시고장율은 비교적 낮으나 전자응용장치가 고가이고 신뢰성 확보를 위하여서는 매우 중요한 의미를 지니고, 장기간 신뢰성을 예측하고 조정하는 기술의 일환으로 간주되고 있다. 이는 정의가능한 통계적 고장분포의 일환으로 인식된다.Semiconductor reliability is a very important factor in determining the lifetime of equipment and other electronic applications. Common considerations for semiconductors are initial failure, constant failure rate, lifetime (long-term reliability) and durability. However, the initial failure, failure rate, and lifespan are the main targets in the semiconductor, and durability does not affect the reliability of the semiconductor in normal operation. In addition, the failure rate of the semiconductor is relatively low, but the electronic application is expensive and has a very important meaning to secure reliability, and is considered as part of the technology for predicting and adjusting the long-term reliability. This is recognized as part of the definable statistical failure distribution.

반도체에 대한 수명 분포는 로그노멀(lognormal)인 것으로 알려져 있으며, 장기간 고장율을 모델링하여 이용되고 있다. 이 고장율이 스트레스 즉, 가속응력에 의존되므로, 이 가속 응력검사는 장기간 신뢰성을 예측하고 지정하는 기본적 기술로써 간주되고 있다. 이 가속 응력 검사에서는 온도의 효과를 결정하는 아렌니우스(Arrhenius)관계가 사용된다. 이때 고장메카니즘은 온도의 영향을 가장 많이 받게 되고, 장기간 신뢰성을 제어하는 로트승인검사와 소정의 신뢰성, 객관성에 부합 되었음을 나타내는 품질에 대한 기준이 된다.The lifetime distribution for semiconductors is known to be lognormal and has been used to model long term failure rates. Since this failure rate depends on stress, or accelerated stress, this accelerated stress test is considered as a fundamental technique for predicting and specifying long-term reliability. In this accelerated stress test, the Arrhenius relationship, which determines the effect of temperature, is used. At this time, the failure mechanism is most affected by temperature, and it is a standard for quality that indicates that the lot approval test for long-term reliability and predetermined reliability and objectivity are met.

초기결함고장율은 로그노말이거나 와이블(Weivull)통계에 의하여 모델링되며, 초기 고장 결함을 감소시키는 선별은 가속 응력검사에 의하여 이루어진다. 이 선별과 동적장치의 번인(burn-in)의 효과를 추정하는 모델은 이 기술에 잘 알려져 있는 바와같이 고장메카니즘을 찾아내는데 있다. 그 주요인자로는 온도, 습도, 전하, 전압, 전류등이 있으며, 이 인자를 이용하여 반도체에 한가지 또는 그 이상의 복합환경을 조성하여 반도체 재질, 패캐지 밀봉상태, 반도체 표면 특성의 저하, 반도체 기능저하 상태 등을 검사하게 된다.Early failure failure rates are modeled by lognormal or Weibull statistics, and screening to reduce initial failure failure is by accelerated stress testing. A model for estimating the effects of this screening and burn-in of dynamics is to find fault mechanisms, as is well known in the art. The main factors are temperature, humidity, charge, voltage, current, etc., by using this factor to create one or more complex environments in the semiconductor, semiconductor material, package sealing state, semiconductor surface properties deterioration, semiconductor malfunction And back.

반도체는 품질과 로트승인검사를 수행하게 되는데, 이 또한 칩의 전해질 내에서의 작동, 온도 바이어스검사, 온도습도 바이어스 검사와 전류이득에 대한 검사를 프로토타입의 내장회로 내에서 수행되어서 반도체의 주요 고장메카니즘을 찾아내고 정상 반도체를 선별한다.The semiconductor is subjected to quality and lot approval tests, which are also performed in the prototype's internal circuits for the chip's operation in the electrolyte, temperature bias test, temperature humidity bias test and current gain. Find the mechanism and screen normal semiconductors.

또한 반도체 번인검사는 초기고장과 같이 장기간 신뢰성에 문제로 되는 결함을 선별하는 효과적인 방법이다. 이러한 선별방법은 전기적응력을 온도와 시간과 결합시켜 수행된다. 따라서 가속 응력은 비교적 짧은 시간에 온도의존고장메카니즘을 찾는데 있다.In addition, semiconductor burn-in test is an effective method for screening defects that are problematic for long term reliability such as initial failure. This sorting method is performed by combining the electrical stress with temperature and time. Therefore, the accelerated stress is to find the temperature dependent failure mechanism in a relatively short time.

이와같이 반도체의 신뢰성을 확보하기 위하여 반도체는 고장메카니즘의 결함요인에 대한 다수의 검사와 선별을 거치도록 하고 있다. 그럼에도 불구하고 현재까지 반도체의 고장메카니즘은 상존하는 것이고, 또 반도체의 선별이 완전히 이루어질수 없었다.Thus, in order to secure the reliability of the semiconductor, the semiconductor is subjected to a number of inspections and screening for defect factors of the failure mechanism. Nevertheless, the failure mechanism of semiconductors has existed to date, and the selection of semiconductors could not be completed.

그리고 현재에는 고장메카니즘에 대한 고장 원인이 주로 온도에 의한 영향이 가장크고 소정 온도에서 반도체의 전기적 특성에 따른 등급 선별이 가장 확실한 방법으로 인식되었다.At present, the cause of the failure mechanism is mainly influenced by temperature, and it is recognized as the most reliable method of classifying according to the electrical characteristics of the semiconductor at a predetermined temperature.

이에 따라 반도체의 신뢰성을 제고한다는 측면에서는 다시 한 번 고온쳄버내에서 반도체의 작동상태를 점검하고, 작동상태에 따라 등급을 선별할 필요가 있게 되었다.Accordingly, in terms of improving the reliability of the semiconductor, it is necessary to check the operation state of the semiconductor in the high temperature chamber and select the grade according to the operation state.

이를 위하여 종래부터 사용되어온 검사장치는 도1에 도시와 같이 쳄버1내에 반도체 검사핸들러(2)를 적소에 위치시키도록 하였다. 여기서 쳄버(1)는 정밀 온도제어를 위한 항온조의 형태로 되며 정밀하게 온도제어된다. 쳄버(1)는 도시되어 있지 않지만 그의 상부에히터와 팬을 구비하고 있으며, 반도체가 32개 수납된 반도체검사 핸들러(2)가 소정위치에 위치되도록 하고 있다. 이때 쳄버(1)내는 통상 일정한 온도분포를 이루고 있어야 한다. 그러나, 실제로는 쳄버내의 구조적인 문제와 외벽의 온도 손실에 의하여 도면에 도시와 같이 온도분포로 된다. 그래프상에서 나타나는 바와 같이 쳄버내 온도는 126℃부터 132℃로 분포되어 그차가 6℃에 이르는 것으로 되어 있다. 이 온도차는 반도체검사 핸들러(2)에 수납된 검사 반도체에 관련하여서는 고온과 저온으로 배열되는 것으로 되어 실제 1-2℃의 온도차를 갖게 된다.For this purpose, the inspection apparatus conventionally used is to place the semiconductor inspection handler 2 in the chamber 1 as shown in FIG. The chamber 1 is in the form of a thermostat for precise temperature control and is precisely temperature controlled. Although not shown, the chamber 1 is provided with a heater and a fan in the upper portion thereof, and the semiconductor inspection handler 2 containing 32 semiconductors is placed at a predetermined position. At this time, the chamber 1 should normally have a constant temperature distribution. In practice, however, the temperature is distributed as shown in the figure due to structural problems in the chamber and temperature loss of the outer wall. As shown on the graph, the temperature in the chamber is distributed from 126 ° C to 132 ° C and the difference reaches 6 ° C. This temperature difference is arranged at a high temperature and a low temperature in relation to the test semiconductor housed in the semiconductor test handler 2, and thus has a temperature difference of 1-2 ° C.

반도체는 이 온도차에 의하여 등급 선별이 부정확하게 되거나 불량으로 처리될수 있었다. 이와같이 고온에서 온도차(1-2℃)에 의하여 등급이 잘못선별되거나 불량으로 처리되는 경우 그 손실은 무시할 수 없는 것이 되었다.This temperature difference could result in inaccurate or poor grades. In this way, when the grade is misselected or treated poorly due to the temperature difference (1-2 ° C.) at high temperature, the loss cannot be ignored.

왜냐하면, 이 단계에서 반도체는 모든 고장메카니즘의 검사가 완료된것이어서, 특정한 경우가 아니고서는 불량이나 등급에서의 부당처리가 될 수 없는 것이기 때문이다. 실예를 들면 125℃이하거나 126℃이상에서는 불량이거나 낮은 등급이 아닌 반도체가 미세 온도차에 의하여 불량처리 된다는 것은 재정적 손실을 초래하는 결과로 되었다.This is because, at this stage, the semiconductor has been inspected for all the failure mechanisms, and cannot be treated as defective or unfair in the class unless it is a specific case. For example, if the semiconductor is less than 125 ° C. or above 126 ° C., a defect or a non-low grade semiconductor is failed due to the micro temperature difference, resulting in financial loss.

따라서, 이 온도차를 제거하므로 반도체의 정확한 등급선별을 하고 불량률은 최소로 한다면 매우 바람직하다.Therefore, this temperature difference is eliminated, so it is very desirable to accurately classify the semiconductor and to minimize the defect rate.

이러한 점들에 비추어 보아, 히터를 작동제어하면 쳄버내의 온도를 조절하기 위하여 대부분의 제어기에서는 비례적분미분(PID)방법을 이용하였다. 이 방법은 시행착오적인 방법으로 설계되며, 주어진 성능지수를 최소화하는 것이 아니라 주파수 응답을 보아 가면서 적당치 파라메타를 결정하였다. 이 방법은 설계시에 근본적으로 시스템의 안정 및 성능을 보장하지 못하고 있었다.In view of these points, most controllers use a proportional integral derivative (PID) method to control the temperature in the chamber when the heater is operated and controlled. This method is designed by trial-and-error method, and the appropriate parameter is determined by looking at the frequency response rather than minimizing the given figure of merit. This method did not fundamentally guarantee system stability and performance at design time.

그 이유는 정상상태오차, 과도응답속도의 지연, 플랜트의 성능저하, 외부잡음과 같이 시스템에 대한 외란 등에 대한 대처가 미흡했기 때문이다.The reason for this is the lack of coping with steady-state error, delay of transient response speed, deterioration of plant performance, and disturbance to the system such as external noise.

따라서 이 발명은 시스템의 안정성 및 성능을 개선하도록 다변수 제어를 수행하여 반도체 검사 핸들러를 수납하는 쳄버내의 온도를 정밀제어하는 다변수제어 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a multivariate control method and apparatus for precisely controlling the temperature in a chamber containing a semiconductor inspection handler by performing multivariate control to improve the stability and performance of the system.

이 발명의 다른 목적은 쳄버내의 온도를 정밀하게 제어 하도록 3개이상의 히터와 이 히터에 의하여 가온되는 쳄버내 영역온도를 감지하는 3개의 센서를 쳄버내에 설치하여, 센서 입력에 따라 히터를 개별적으로 제어하는 다변수제어방법 및 장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to install three or more heaters and three sensors for sensing the area temperature inside the chamber heated by the heaters to precisely control the temperature in the chamber, and individually control the heaters according to the sensor input. To provide a multi-variable control method and apparatus.

도1은 반도체 검사용 핸들러를 내부에 설치하는 쳄버내의 온도분포를 보인 도면,1 is a view showing a temperature distribution in a chamber in which a handler for semiconductor inspection is provided therein;

도2는 종래기술에 따라 쳄버내에 설치되는 히터, 팬과 온도센서의 상관관계를 보인 블록도,2 is a block diagram showing a correlation between a heater, a fan, and a temperature sensor installed in a chamber according to the prior art;

도3은 이 발명에 따라 쳄버내에 설치되는 두 개이상의 히터, 팬과 온도센서의 상관관계를 보인 블록도,Figure 3 is a block diagram showing the correlation of two or more heaters, fans and temperature sensors installed in the chamber according to the present invention;

도4는 이 발명의 원리에 따라 다변수 매개변수의 알고리즘 산출 방법을 보인 플로우챠트,4 is a flowchart showing a method for calculating an algorithm of multivariate parameters in accordance with the principles of the present invention;

도5A 및 도5B는 이 발명의 원리에 따라 쳄버내의 온도분포에 따른 다변수 제어를 나타내는 플로우챠트,5A and 5B are flowcharts illustrating multivariable control over temperature distribution in a chamber, in accordance with the principles of this invention;

도6은 이 발명의 원리에 따라 축조된 제어 수단을 보인 블록선도이다.Fig. 6 is a block diagram showing control means constructed in accordance with the principles of this invention.

〈주요도면부호의 설명〉<Explanation of main drawing code>

1: 쳄버 2: 검사 사이트 3: 팬 4: 히터1: chamber 2: inspection site 3: fan 4: heater

5: 센서 6: 제어부 7.8.9: 상태추정연산부5: Sensor 6: Control Unit 7.8.9: State Estimation Computation Unit

이 발명의 또다른 목적은 시스템의 정상상태오차, 응답속도와 외란 등에 대하여 시스템의 성능을 최적화시키는 다변수 제어를 수행하는 다변수제어 방법 및 장치를 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a multivariate control method and apparatus for performing multivariable control to optimize the performance of a system with respect to a steady state error, response speed, and disturbance.

이 발명은 반도체 검사 핸들러를 수납하는 쳄버내의 온도를 절대온도에서 유지시키도록 하기 위하여 적어도 3개의 히터와 이 히터에 의하여 가온되는 영역내에 온도를 감지하는 센서와, 센서로 부터의 온도감지 신호에 근거하여 히터의 작동을 각각제어하여 쳄버내의 온도를 정밀하게 제어하는 제어부로 구성된다.The invention is based on at least three heaters, a sensor that senses the temperature in the region heated by the heater, and a temperature sensing signal from the sensor to maintain the temperature in the chamber containing the semiconductor inspection handler at an absolute temperature. And control the operation of the heater to control the temperature in the chamber precisely.

이 제어부는 쳄버내의 온도 분포를 정밀하게 하도록 시스템 시험에 따른 입력을 인가하고 그에 따른 출력을 수신하여 쳄버내의 상태에 따라 온도모델을 결정하고, 이에따라 다변수 제어 파라메타를 결정하여 상태방정식, 제어입력벡터와 가격함수를 이용하므로 최적제어이득을 계산하고, 상태방정식을 미분하여 최적 상태추정기 이득을 계산하며, 이 상태 추정기 이득에 근거하여 최적제어가 되도록 상태미분 방정식을 디지탈 제어파라메타로 변환하게 되어서, 시스템식별을 하고, 온도센서로 부터의 데이터를 소정시간마다 읽게 되고 설정온도와의 오차계산을 하며, 그 오차가 최적제어, 최소제어, 및 최대값제어 인가를 판단하여 소정의 제어신호를 발생시키고, 이 신호에 따라 히터 구동부가 히터를 구동시키도록 하고 있다.The control unit applies an input according to the system test and receives the output to determine the temperature model according to the state in the chamber, and accordingly determines the multivariate control parameter according to the state of the chamber. By calculating the optimal control gain, and calculating the optimal state estimator gain by differentiating the state equation, the state differential equation is converted into the digital control parameter so that the optimal control is achieved based on the state estimator gain. Identify, read the data from the temperature sensor every predetermined time, calculate the error with the set temperature, determine whether the error is optimal control, minimum control, and maximum value control to generate a predetermined control signal, In response to this signal, the heater drive unit causes the heater to be driven.

그러므로 이 제어부는 시스템 모델링에 완료 된 후에는 각 센서로 부터의 신호에 따른 오차 신호에 대하여 상태미분방정식에 변환시켜 얻어진 디지틀 제어파라메타에 근거하는 추정상태방정식에 의하여 산출된 제어신호를 각각의 부하 즉, 히터에 해당하여 발생시키게 된다.Therefore, after the system modeling is completed, the control unit converts the control signal calculated by the estimated state equation based on the digital control parameter obtained by converting the error signal according to the signal from each sensor into the state differential equation. , It is generated for the heater.

이상에서와 같이 이 발명은 제어부가 플랜트의 불규칙한 입력과 출력과의 관계에서 구하여진 파라메타를 실제플랜트에 근사하게 모사하도록 ARMAX (Auto- Regressive Moving Average With External Input: 외부입력을 가진 자동복귀이동평균)모델을 적용하여 시스템 식별을 수행하므로 시스템의 안정도 및 성능을 높이도록 하였다.As described above, the present invention provides ARMAX (Auto-Regressive Moving Average With External Input) to allow the control unit to approximate the parameters obtained from the relationship between the irregular input and the output of the plant to the actual plant. System identification is performed by applying the model to improve the stability and performance of the system.

또, 이 발명은 제어성능을 높이기 위하여 모든 상태 벡터가 측정 가능한 다변수인 출력 모델을 적용하여 쳄버내 설정온도와 실제 온도와의 온도차에 따른 성능지수를 체계적으로 최소화 시킨 제어부를 구비하고 있다.In addition, the present invention includes a control unit which systematically minimizes the performance index according to the temperature difference between the set temperature in the chamber and the actual temperature by applying an output model in which all state vectors are measurable in order to increase the control performance.

이 발명을 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.This invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도2에 도시와같이, 종래 기술에서는 쳄버(1)내에 팬(3)과 히터(4)가 순차로 설치되고, 하나의 센서 (5)가 히터(4)와 떨어져서 고정되도록 하고 있다. 또, 팬(3)과 히터(4)는 제어부(6)의 출력단에 연결되어서 작동제어되고 센서 (5)는 제어부(6)의 입력단에 연결되고 쳄버(1)내 온도를 감지하여 제어부(6)에 입력시킨다.As shown in Fig. 2, in the prior art, the fan 3 and the heater 4 are sequentially installed in the chamber 1, so that one sensor 5 is separated from the heater 4 and fixed. In addition, the fan 3 and the heater 4 are connected to the output terminal of the control unit 6 for operation control, and the sensor 5 is connected to the input terminal of the control unit 6 and senses the temperature in the chamber 1 to control the control unit 6. ).

반면에 도3에 도시와같이 이 발명의 원리에 따라 축조 다변수제어장치는 하나이상의 팬(3)과 히터(4)와 각 히터 (4)에 대하여 소정거리를 두고 있는 하나이상의 센서(5)들이 쳄버(1)내에 설치된다. 여기서 히터(4)는 실예를 들면 3개가 설치되나, 팬(3)은 히터(4)에 대하여 각각 대응하도록 설치되거나 하나만 설치 될 수 있다. 물론 제어부(6)는 히터(4)와 센서(5)들과 연결되어 작동제어하거나 감지온도를 수신한다. 이는 제어부(6)가 3개의 출력과 3개의 입력을 갖도록 하여 반도체 검사핸들러를 수납하는 쳄버(1)내의 온도를 제어하는 플랜트를 구성시켰다. 이는 이 발명의 전체 시스템이 3개의 입력과 3개의 출력으로되는 다변수 입출력 시스템으로 구성되었음을 의미한다.On the other hand, according to the principle of the present invention, as shown in FIG. 3, the multi-variable control device according to the present invention has one or more fans 3 and one or more sensors 5 having a predetermined distance with respect to each of the heaters 4 and 4. Are installed in the chamber 1. For example, three heaters 4 may be installed, for example, but the fan 3 may be installed to correspond to the heater 4, or only one may be installed. Of course, the control unit 6 is connected to the heater 4 and the sensors 5 to control the operation or to receive the sensing temperature. This constituted the plant which controls the temperature in the chamber 1 which accommodates a semiconductor test handler so that the control part 6 may have three outputs and three inputs. This means that the entire system of this invention consists of a multivariable input / output system consisting of three inputs and three outputs.

따라서 시스템 쳄버(1)내의 온도를 정밀하게 제어하기 위하여 도4에 도시와 같이 시스템의 제어파라메타를 구하여야한다. 먼저 시스템의 파라메타를 추정하기 위하여 단계 101에서는 시스템 시험 입력을 인가하고, 단계 102에서 그 출력을 수신하도록 하여 입출력 자료를 측정한다. 이때 제어부로부터 입력은 전력이며, 출력은 감지온도로된다. 단계 103에서는 시스템식별을 수행하는데 이 기술에 잘 알려진 단일 입출력 모델의 ARMAX모델을 이용하고, 파라메타식별을 위하여 최소자승 알고리즘, 즉 최소자승법(Least Square Method)을 이용하여 파라메타식별시 오차 보정을 하도록 하였다 이렇게 하므로 파라메타가 실제 플랜트의 특성에 근사하게 모사시키도록 하는데, 이 ARMAX방법은 실제 실험결과에 의하여 실제의 온도시스템과 잘모사되는 단일 입출력모델 식별이 이루어지도록 하였다 더 나아가 이 발명에서 적용되는 플랜트의 전체 시스템은 다변수 입출력 시스템으로 간주되는 것으로 시스템의 상태변수가 세점의 온도로 하고 있다. 이들 시스템 상태변수에 대하여 이 기술에 잘 알려진 ARMAX모델을 이용하여 다변수 입출력 시스템을 식별하였다.Therefore, in order to precisely control the temperature in the system chamber 1, the control parameters of the system must be obtained as shown in FIG. First, in order to estimate the parameters of the system, in step 101, a system test input is applied, and in step 102, the output thereof is received to measure input / output data. At this time, the input from the control unit is power, and the output is a sensing temperature. In step 103, the system identification is performed using the ARMAX model of a single input-output model well-known in this technique, and the parameter correction is performed using the least square algorithm, that is, the least square method, for parameter identification. This allows the parameter to approximate the characteristics of the actual plant. This ARMAX method allows the identification of a single input / output model that is well simulated with the actual temperature system by the actual experimental results. The whole system is regarded as a multivariate input / output system. The state variables of the system are three temperature points. For these system state variables, the multivariable input / output system was identified using the ARMAX model, which is well known in the art.

이와같이 시스템 식별이 이루어진후, 시스템 입출력 제어를 수행하기 위하여서는 이 발명은 단일 입출력시스템 모델에서는 LQG/LTR(Linear Qudratic Gaussian/ Loop Transfer Recovery; 선형 이차방정식 가우시안/ 루프전달 복제)방법을 이용하고, 다변수 입출력모델에 대하여서는 LQR(Linear Qnadratic Regulator;선형 이차방정식 조정)방법을 이용할수 있다. 이러한 방법들은 시스템의 성능지수를 최소화할 수 있고, 동시에 안정도를 보장하도록 한다.In order to perform system I / O control after the system identification is made, the present invention uses LQG / LTR (Linear Quadratic Gaussian / Loop Transfer Recovery) method in the single input / output system model. For the variable I / O model, LQR (Linear Qnadratic Regulator) method can be used. These methods can minimize the performance index of the system and at the same time ensure stability.

이 발명은 다변수 입출력시스템으로 간주되는 바에 따라 단계 104에서는 쳄버내의 운동방정식에 따라 최적제어 이득 (Kci)을 이하와 같이 계산한다.As the present invention is regarded as a multivariate input / output system, in step 104, the optimum control gain Kc i is calculated as follows according to the equation of motion in the chamber.

상태방정식 : xi(t)=Aixi(t)+BiUi(t)State equation: x i (t) = A i x i (t) + B i U i (t)

출력방정식 : yi(t)=Cixi(t)+DiUi(t)Output equation: y i (t) = C i x i (t) + D i U i (t)

여기서here

xi(t) : 선형 시불변 다변수의 상태벡터x i (t): State vector of linear time invariant multivariate

Ui(t) : 제어입력벡터U i (t): control input vector

Ai, Ri, Ci: 시스템식별기법을 이용하여 구해진 시스템파라메타A i , R i , C i : System parameters obtained using system identification

Ji: 가격함수J i : Price function

Ri: 제어가중행렬R i : Control weighted matrix

상태가중행렬 Qi: Ci TCi-(Ci) State weighted matrix Q i : C i T C i- (C i )

그러므로 수학식1, 수학식2, 수학식3, 수학식4를 이용하여 가격함수 Ji를 최소화 할 수 있는 최적제어 이득 Kci를 구할수 있다.Therefore, by using Equation 1, Equation 2, Equation 3 and Equation 4, an optimal control gain K ci can be obtained to minimize the price function J i .

단계 105에서는 최적 상태 추정기 이득 Kfi:(i=1,2,3)을 다음과 같이 구하게 된다.In step 105, the optimal state estimator gain Kf i : ( i = 1,2,3) is obtained as follows.

먼저 수학식1의 상태 방정식은 미분된다. 이는 상태방정식의 동역학의 모델보상기준기(MBC)의 구조를 의미한다.First, the state equation of Equation 1 is differentiated. This refers to the structure of the MBC model of dynamics of state equations.

수학식(5)에서, 추정상태벡터 의 공분산을 최소화하여 최적상태추정In Equation (5), the estimated state vector Optimal State Estimation by Minimizing Covariance

기 이득 Kfi(i=1,2,3)을 산출한다.The gain K fi ( i = 1,2,3) is calculated.

이후 단계106에서는 이들 상태미분방정식은 디지탈제어파라메타로 변환된다. 즉, 이발명의 플랜트가 선형시 불변이산시간시스템에 적용되는 것으로 시스템의 상대공간모델식에 따라 최적 제어 파라메타가 결정된다.In step 106, these state differential equations are converted into digital control parameters. That is, the plant of the present invention is applied to the invariant discrete time system of linearity, and the optimum control parameter is determined according to the relative spatial model of the system.

그러므로 상태공간모델이 결정되고 입력벡터의 제어명령이 결정되게 되면 각 히터와 센서에 의한 쳄버내의 온도에 대한 상태추정이 이루어지고 제어신호를 발생시키게 된다.Therefore, when the state space model is determined and the control command of the input vector is determined, the state estimation for the temperature in the chamber by each heater and sensor is made and the control signal is generated.

이러한 제어신호를 발생시키기 위하여 시스템은 도5A에 도시와 같이 시스템 제어를 하게 된다.In order to generate such a control signal, the system performs system control as shown in FIG. 5A.

먼저 제어부6는 단계 111에서 센서5가 실내온도를 감지하는데 따른 온도데이타(T1,T2,T3)를 읽는다. 단계112에서는 입력온도와 설정온도의 오차(er1,er2,er3)계산을 하고 단계113로 이전한다.First, the control unit 6 reads the temperature data (T 1 , T 2 , T 3 ) according to the sensor 5 detects the room temperature in step 111. In step 112, the error (er1, er2, er3) between the input temperature and the set temperature is calculated and the process proceeds to step 113.

단계113에서는 최소오차가 기설정된 양의 한계온도와 비교되는데, 양의한계온도보다 최소오차, 실예를 들면 1도보다 큰 경우 단계 115로 점프하여 최소값을 가지는 제어명령을 계산하게 된다. 만일 최소오차가 양의 한계온도보다 작은 경우 단계 114로 이전한다.In step 113, the minimum error is compared with a preset positive limit temperature. If the minimum error is greater than the positive limit temperature, for example, greater than 1 degree, the control command having the minimum value is calculated by jumping to step 115. If the minimum error is less than the positive limit temperature then go to Step 114.

단계114에서는 최대오차가 기설정된 음의한계온도, 실예를 들면 1도의 음의 한계온도보다 작은 경우 단계 116로 이전하여 제어명령을 계산하게 되고, 최대오차가 음의 한계온도보다 작지 않은 경우 단계 117에서 최적제어명령을 수행하게 된다.In step 114, if the maximum error is less than the preset negative limit temperature, for example, a negative limit temperature of 1 degree, the control command is calculated by moving to step 116. If the maximum error is not less than the negative limit temperature, step 117 Will execute the optimal control command.

이 제어 명령을 수행하는 경우, 각 히터와 센서에 대하여 상태공간모델에 대한 상태측정을 위한 상태벡터와 입력벡터에 대한 제어명령을 차례로 수행하게 된다. 이는 도5B에 도시와 차례로 수행하게된다. 이는 도5B에 도시와 같이 먼저 플랜트의 상태추정계산을 다음과 같이 한다.When the control command is executed, the control command for the input vector and the state vector for measuring the state of the state space model is sequentially performed for each heater and sensor. This is done in turn as shown in Figure 5B. This first calculates the state estimation of the plant as shown in FIG. 5B.

그 다음 제어명령을 계산하게 된다.The control command is then calculated.

이런한 계산이 이루어지면 단계 118로 이전하여 제어명령에 따른 펄스폭 변조 (PWM)신호를 발생시켜, 히터구동부(도시않됨)에 인가한다. 히터구동부는 단계 119에서 히터의 작동을 제어하게 된다.When such a calculation is made, the process proceeds to step 118 to generate a pulse width modulation (PWM) signal according to the control command, and applies it to a heater driver (not shown). The heater driver controls the operation of the heater in step 119.

한편, 도 5B에 도시와 같이 제어부는 각 센서로 부터의 감지 온도와 설정온도에 대한 오차온도를 입력으로 하여 상태추정계산을 하게 된다. 이렇게 계산된 출력은 상태 명령신호로써 식6와 식7으로 나타내는 제어신호 PWM1,PWM2,PWM3들을 출력하게 된다. 이 제어신호들은 히터 구동부(도시않됨)에 인가되어 히터의 작동을 제어한다. 그러므로, 제어부는 상태추정계산부 (7,8,9)를 구비하고 있음을 알수 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 5B, the control unit calculates the state estimation by inputting the detected temperature from each sensor and the error temperature for the set temperature. The calculated output is a state command signal and outputs the control signals PWM1, PWM2, and PWM3 shown in Equations 6 and 7. These control signals are applied to a heater driver (not shown) to control the operation of the heater. Therefore, it can be seen that the controller includes state estimation calculators 7, 8 and 9.

이와같은 이 발명은 시스템의 설계에 따라 쳄버의 온도를 정밀하게 조절하도록 온도모델에 대한 파라메타추정, 시스템식별을 하게 되고, 성능지수를 최소화하면서 안정도, 강인성을 유지하도록 다변수 제어를 적용하므로 제어부에 관련하여 가제어성, 안정도, 근궤적, 최대오버슈트,상승시간, 정착시간들에 대한 모든 주변 환경을 고려한 최적의 제어를 달성할수 있다.In this invention, the parameter estimation and system identification of the temperature model are performed to precisely control the temperature of the chamber according to the design of the system, and the multivariate control is applied to the control unit to maintain stability and robustness while minimizing the performance index. In this regard, optimal control can be achieved considering all the surroundings for controllability, stability, root locus, maximum overshoot, rise time and settling times.

이에 따라 쳄버내온도는 내부 온도차에 따른 외란 제어부의 잡음, 정상오차 등을 최소화하여 신뢰성있는 온도제어를 달성하고 있다.Accordingly, the temperature inside the chamber minimizes the noise and normal error of the disturbance controller due to the internal temperature difference, thereby achieving reliable temperature control.

Claims (8)

온도쳄버를 플랜트로 구성시켜 시스템의 성능을 최적화시키는 다변수 제어방법에 있어서,In the multivariate control method that configures the temperature chamber as a plant to optimize the performance of the system, 쳄버내의 온도분포를 정밀하게 하도록 시스템시험에 따른 출력을 하고 부하 감지신호를 수신하여 쳄버내의 온도분포 상태에 따라 온도모델을 결정하고,In order to precisely distribute the temperature in the chamber, output is made according to the system test, and the load sensing signal is received to determine the temperature model according to the temperature distribution in the chamber. 온도모델에 따라 식별파라메타를 추정하여, 상태방정식, 제어입력벡터와 가격함수를 결정하여 최적이득을 계산하며,Estimation parameter is estimated according to temperature model, state equation, control input vector and price function are determined and optimal gain is calculated. 상태방정식을 미분하여 최적상태추정기이득을 계산하며,The optimal state estimator gain is calculated by differentiating the state equation, 이 상태최적 추정기 이득에 근거하여 상태미분 방정식을 디지탈 제어파라메타로 변환하게 되어서 시스템식별을 하고,Based on the state optimal estimator gain, the state differential equation is converted into digital control parameters to identify the system. 온도센서로부터 데이터를 소정시간마다 읽게되고, 설정온도와의 오차계산을 하며,Read data from temperature sensor every predetermined time, calculate error with set temperature, 이 오차가 최적제어, 최소값제어 및 최대값 제어인가를 판단하여 소정의 제어신호를 발생시키고 이제어신호에 따라 히터를 작동제어하도록한 다변수 제어방법Multivariate control method to determine whether the error is optimal control, minimum value control and maximum value control to generate a predetermined control signal and to operate the heater according to the control signal 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 최적제어이득계산이 다음과 같이 이루어지게한 다변수 제어방법Multivariable Control Method for Optimal Control Gain Calculation xi(t)=Aixi(t)+BiUi(t)x i (t) = A i x i (t) + B i U i (t) Ui(t)=-Kcixi(t)U i (t) =-Kc i x i (t) Ui=(K)=-Kcixi(k)U i = (K) =-K ci x i (k) Ji(i=1,2,3)을 최소화하는 Kc1,Kc2,Kc3를 계산한다.Calculate Kc1, Kc2, Kc3 to minimize J i ( i = 1,2,3). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 최적상태 추정기이득 Kfi이 다음과 같이 계산되게한 다변수제어방법Multivariate Control Method for Optimum Estimator Gain Kfi Calculated as 에서 의 공분산을 최소화 하는 Kfi(i=1,2,3)를 계산한다. in Calculate K fi ( i = 1,2,3) to minimize the covariance of. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 최적상태추정기 이득을 산출하는 상태방정식을 미분하여 디지탈 제어파라 메타로 다음과 같이 변환하는 다변수 제어방법A multivariate control method that transforms the state equation for calculating the gain of the optimal state estimator and converts it into the digital control para meta as follows. 최적제어와 가 되도록하는 상수 PHIiGAMMAi(i=1,2,3) 를 계산한다. Optimal control Constant to be PHI i GAMMA i ( i = 1,2,3) Calculate 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 제어명령신호가 펄스폭 변조신호로 되게한 다변수 제어방법Multivariable control method that makes control command signal become pulse width modulated signal 온도쳄버를 플랜트로 구성하여 시스템의 성능을 최적화시키는 다변수 제어장치에 있어서,In the multivariate control system that configures the temperature chamber as a plant to optimize the performance of 시스템의 플랜트에 대한 제어 출력으로 되는 3개이상의 부하와;Three or more loads to be a control output to the plant of the system; 제어 입력으로 되는 3개이상의 감지수단부하와;Three or more sensing means loads serving as control inputs; 감지수단들이 그의 입력과 출력에 연결되고 시스템식별모델링이 완료된 상태에서 각 입력에 대한 상태추정연산부를 구비하여 부하에 대한 최적 제어를 하는 제어부로 구성시킨 다변수 제어장치.And a control unit configured to perform optimum control of the load by including a state estimating operation unit for each input in a state in which sensing means are connected to inputs and outputs thereof and system identification modeling is completed. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 부하가 히터로 되게한 다변수 제어장치.Multivariable control that causes the load to become a heater. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 각 센서의 입력에 따른 오차신호에 대하여 상대추정연산부가 다음과 같이 제어신호를 결정하게한 다변수 제어장치Multivariate control device that allows the relative estimation operation unit to determine the control signal for the error signal according to the input of each sensor as follows
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