CN103576672B - Lpcvd设备的温控***自校正方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LPCVD设备的温控***自校正方法，包括：对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型；建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项的自校正调节项模型，并确定已建立的权重系数取值范围；建立监督控制项，用于加强控制***的稳定性。同时，本发明也公开了一种LPCVD设备的温控***自校正装置，包括：控制模型模块，用于建立LPCVD设备各个温控区的包含时滞误差的PID控制模型；权重PID控制模型模块，用于建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项模型，并确定已建立的权值系数取值范围；监督模块，用于加强***的稳定性。通过此种设计，提高了PID控制模型参数设置的准确性。

Description

LPCVD设备的温控***自校正方法与装置

技术领域

本发明涉及温度自动化控制领域，特别涉及一种LPCVD设备的温控***自校正方法与装置。

背景技术

根据LPCVD工艺的要求，LPCVD设备中需要设计温度控制***，通常使用的控制方法是PID控制，控制器的参数设计是十分重要的。

由于LPCVD设备自身的实际特点，加热炉体共有5个温区，且5个温区之间相互有热干扰特性，那么5个温区控制器参数的调整考虑因素就不仅仅是自身的温区情况，还要考虑其他热干扰因素，目前的解决方法大是凭经验人为手动操作调整或离线计算调整。

手动调整的缺点是需要人员实时守候，并且***受人为因素影响大，容易受到人为误差因素的影响，而且实时性较差。离线调整的缺点为设计时的调整环境为理想状态下的环境，而实际工作中会有各种未知的及不可量化或模型化的因素无法加入***的环境设定中，所以离线计算调整后的效果不尽如人意，达不到预期的效果，费时费力，甚至会引起控制***的振荡不稳定。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于解决LPCVD设备中温度控制***的设计问题，尤其是传统PID***中各参数的设定不准确，不能在线调整的问题。

（二）技术方案

本发明采用如下技术方案：

一种LPCVD设备的温控***自校正方法，包含以下步骤：

1）对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型；

2）建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项的自校正调节项模型，并确定已建立的权重系数取值范围；

3）建立监督控制项，用于加强LPCVD设备的温控***的稳定性。

优选的，所述步骤1）的PID控制模型的构建方式为使用增量式方式模型，该模型为

Δu_i(t)=(K_ip(t)+ΔK_ip(t))(e_i(t)-e_i(t-1))+(K_ii(t)+ΔK_ii(t))e_i(t)

+(K_id(t)+ΔK_id(t))(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))

式中，i为温区的序号；t为时刻；e_i(t)，e_i(t-1)和e_i(t-2)分别为第t，第t-1和第t-2时刻所得的误差信号；Δu_i(t)为控制器增量；K_ip为比例系数，K_ii为积分系数，K_id为微分系数。

优选的，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的比例调整规则控制模型，

其中ΔK_ip(t)为比例自校正调整项，α_i11、α_i12为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

优选的，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的积分调整规则控制模型，

其中ΔK_ii(t)为积分自校正调整项，α_i21、α_i22为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

优选的，所述步骤2）中使用

构建含权重系数的微分调整规则控制模型，

其中ΔK_id(t)为积分自校正调整项，α_i31、α_i32为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

优选的，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的取值范围为0-1。

优选的，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的权重值分别为α_i11=0.4，α_i12=0.2，α_i21=0.02，α_i22=0.01，α_i31=0.1和α_i32=0.05。

优选的，所述步骤3）监督项的建立方法为，设定误差阈值，当误差超过阈值时，启动安全保护项，将***控制在***温度允许范围内。

优选的，监督项的控制模型为

$u_s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\hat{u}\left(t\right)& \left|e\left(t\right)\right|>e_{\max }\\ 0& \left|e\left(t\right)\right|<e_{\max }\end{array}\right.$

其中u_s（t）为监督控制，为监督控制数值，e_max为设定的允许误差阈值。

一种LPCVD设备的温控***自校正装置，包括以下模块：

1）控制模型模块，用于建立LPCVD设备各个温控区的包含时滞误差的PID控制模型；

2）权重PID控制模型模块，用于建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项模型，并确定已建立的权值系数取值范围；

3）监督模块，用于加强LPCVD设备的温控***的稳定性。

（三）有益效果

本发明通过采用对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID模型；建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项模型，并确定已建立的权值系数取值范围；建立监督项以加强***的稳定性的手段，达到了PID控制中各个系数参数的设定，满足了在LPCVD设备中的实时自动化控制，可在线调整参数的问题。

附图说明

图1所示的是本发明的一种LPCVD设备的温控***自校正方法流程图；

图2所示的是本发明的一种LPCVD设备的温控***自校正装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1是本发明的一种LPCVD设备的温控***自校正方法流程图，如图2所示的是本发明的一种LPCVD设备的温控***自校正装置的示意图，在本实施例中，使用图2所示的装置和如图1所示的方法进而完成一种LPCVD设备的温控***自校正方法和设备的实施，以下实施例以此方案为例。

控制温度调节装置的具体工作，使所述反应腔室的温度达到LPCVD工艺的生产要求。其中，所述温度调节装置包括：PLC可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），SCR可控硅整流器(SiliconControlledRectifier，简称SCR)；所述温度传感器包括：热偶传感器。

实施例

本方法针对LPCVD设备温度控制自身独特的特性，对于PID结构的控制器，在PID控制器参数上添加一项参数调整项，由自身和附近相关温区的误差项和调整权重系数构成，并给定控制技术指标，调整项随时间变化可以在线调整修改，使控制***最终能够自动的达到给定的技术指标。同时为了防止控制***的误差超过***允许的警戒值时加入监督控制防止控制***振荡不稳定。

定义t时刻误差为

e(t)=rin(t)-yout(t)t=1,2,…(1)

式中rin(t)为给定参考信号，yout(t)为实际控制***输出值，t为采样时刻。

考虑经典的增量式PID控制方法，其控制器结构如式(2)所示：

u_i(t+1)=u_i(t)+Δu_i(t)

(2)

Δu_i(t)=K_ip(e_i(t)-e_i(t-1))+K_iie_i(t)+K_id(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))

式中，i指第i个温区，e_i(t)，e_i(t-1)和e_i(t-2)分别为第t，第t-1和第t-2时刻所得的误差信号；u_i(t)为第t时刻计算出的控制器的输出值；Δu_i(t)为控制器增量；K_ip为比例系数，K_ii为积分系数，K_id为微分系数。

接下来的任务就是调整K_ip，K_ii和K_id三个参数。加入三个参数的调整项，将式(2)修改为

u_i(t+1)=u_i(t)+Δu_i(t)

Δu_i(t)=(K_ip(t)+ΔK_ip(t))(e_i(t)-e_i(t-1))+(K_ii(t)+ΔK_ii(t))e_i(t)(3)

+(K_id(t)+ΔK_id(t))(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))

式(3)中的ΔK_p(t)，ΔK_i(t)和ΔK_d(t)为三个参数的自校正调整项。

自校正调整项的具体表示形式为

式中，ΔK_ip(t)为比例自校正调整项，ΔK_ii(t)为微分自校正调整项，ΔK_id(t)为积分自校正调整项，参数α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32分别代表调整项的权重系数，ε为达到性能指标的误差值。权重系数取值范围为0～1之间，参数α_i11=0.4，α_i12=0.2，α_i21=0.02，α_i22=0.005，α_i31=0.1和α_i32=0.05。ε=0.1。

除此之外，为了防止控制***振荡不稳定，可以增加监督控制项u_s，当误差超过控制***允许的警戒范围的时候可以强行拉回到控制***允许的范围内。

u(t)=u_c(t)-u_s(t)

式中，u_c为经过参数调整后计算出的控制器数值，u_s为监督控制，其表达形式为

$u_s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\hat{u}\left(t\right)& \left|e\left(t\right)\right|>e_{\max }\\ 0& \left|e\left(t\right)\right|<e_{\max }\end{array}\right.$

式中为监督控制数值，e_max为误差允许的警戒范围最大值，当误差超过允许的警戒范围最大值时，监督控制起作用，使控制***从接近不稳定的状态回到稳定的状态。

一种LPCVD设备的温控***自校正装置，如图2所示，包括控制模型模块、权重PID控制模型模块和监督模块。

控制模型模块，用于建立LPCVD设备各个温控区的包含时滞误差的PID控制模型。

权重PID控制模型模块，用于建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项模型，并确定已建立的权值系数取值范围。

监督模块，用于加强LPCVD设备的温控***的稳定性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (8)

1.一种LPCVD设备的温控***自校正方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对LPCVD设备各个温控区建立包含时滞误差的PID控制模型；

2)建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项的自校正调节项模型，并确定已建立的权重系数取值范围；

3)建立监督控制项，用于加强LPCVD设备的温控***的稳定性；

所述步骤1)的PID控制模型的构建方式为使用增量式方式模型，该模型为

Δu_i(t)＝(K_ip(t)+ΔK_ip(t))(e_i(t)-e_i(t-1))+(K_ii(t)+ΔK_ii(t))e_i(t)

+(K_id(t)+ΔK_id(t))(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))

式中，i为温区的序号；t为时刻；e_i(t)，e_i(t-1)和e_i(t-2)分别为第t，第t-1和第t-2时刻所得的误差信号；Δu_i(t)为控制器增量；K_ip为比例系数，K_ii为积分系数，K_id为微分系数；

所述步骤2)中使用

构建含权重系数的比例调整规则控制模型，

其中ΔK_ip(t)为比例自校正调整项，α_i11、α_i12为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

2.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控***自校正方法，其特征在于，所述步骤2)中使用

构建含权重系数的积分调整规则控制模型，

其中ΔK_ii(t)为积分自校正调整项，α_i21、α_i22为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

3.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控***自校正方法，其特征在于，所述步骤2)中使用

构建含权重系数的微分调整规则控制模型，

其中ΔK_id(t)为微分自校正调整项，α_i31、α_i32为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种LPCVD设备的温控***自校正方法，其特征在于，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的取值范围为0-1。

5.根据权利要求4所述的一种LPCVD设备的温控***自校正方法，其特征在于，α_i11，α_i21，α_i31，α_i12，α_i22和α_i32的权重值分别为α_i11＝0.4，α_i12＝0.2，α_i21＝0.02，α_i22＝0.01，α_i31＝0.1和α_i32＝0.05。

6.根据权利要求1所述的一种LPCVD设备的温控***自校正方法，其特征在于，所述步骤3)监督控制项的建立方法为，设定误差阈值，当误差超过阈值时，启动安全保护项，将***控制在***温度允许范围内。

7.根据权利要求6所述的一种LPCVD设备的温控***自校正方法，其特征在于，监督控制项的控制模型为

$u_s\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}\hat{u}\left(t\right)& \left|e\left(t\right)\right|>e_{max}\\ 0& \left|e\left(t\right)\right|<e_{max}\end{array}\right.$

其中u_s(t)为监督控制，为监督控制数值，e_max为设定的允许误差阈值。

8.一种LPCVD设备的温控***自校正装置，其特征在于，该装置包括以下模块：

1)控制模型模块，用于建立LPCVD设备各个温控区的包含时滞误差的PID控制模型；

2)权重PID控制模型模块，用于建立包含权重系数的比例，积分，微分控制项模型，并确定已建立的权值系数取值范围；

3)监督模块，用于加强LPCVD设备的温控的稳定性；

所述PID控制模型的构建方式为使用增量式方式模型，该模型为

Δu_i(t)＝(K_ip(t)+ΔK_ip(t))(e_i(t)-e_i(t-1))+(K_ii(t)+ΔK_ii(t))e_i(t)

+(K_id(t)+ΔK_id(t))(e_i(t)-2e_i(t-1)+e_i(t-2))

式中，i为温区的序号；t为时刻；e_i(t)，e_i(t-1)和e_i(t-2)分别为第t，第t-1和第t-2时刻所得的误差信号；Δu_i(t)为控制器增量；K_ip为比例系数，K_ii为积分系数，K_id为微分系数；

所述包含权重系数的微分控制项模型为

其中ΔK_ip(t)为比例自校正调整项，α_i11、α_i12为调整项的权重系数、e_i(t)为误差信号，ε为达到性能指标的误差值。