一种工艺过程控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工业控制技术领域，具体地说，本发明涉及一种工艺过程控制方法。
【背景技术】
[0002] 在工业生产过程中，通常使用闭环控制系统来实现生产自动化。由于某些闭环控 制的对象的时间常数和纯滞后较大，所以控制作用要经过一定的时间后才能起作用，即控 制作用有明显的时间滞后。人们通常以串级控制来克服这种滞后。
[0003] 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一 个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测 和控制的变量称主变量(主被控参数)，即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所 检测和控制的变量称副变量(副被控参数)，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系 统包括两个控制回路，主回路和副回路。在串级控制系统中，在距离调节阀较近、纯滞后较 小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减 小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。这样，副调节器具有"粗调"的作 用，主调节器具有"细调"的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
【发明内容】
[0004] 然而，某些工业生产过程中，反应炉内的某些关键工艺状态参量难以直接测量，而 如果对其进行精确地间接测量，则时间滞后极大，此时串级控制方案并不能起到很好的效 果。以多晶硅的生产过程为例，硅棒在生产过程中逐渐变粗，因此硅棒中通过的电流也需要 随之而变化以保持相应的硅芯温度，但硅芯温度难以直接测量，而使用红外手段的测量方 案时间滞后极大，导致难以根据所测的温度及时地调整硅棒中通过的电流，难以达到最佳 的生产效率。另一方面，如果手动操作控制硅棒中通过的电流，就会受到较多人为因素的影 响，从而造成质量的起伏。因此，当前迫切需要一种部分工艺状态参量的测量滞后性较大的 情形下的过程控制解决方案。
[0005] 本发明旨在提供一种在部分工艺状态参量的测量滞后性较大的情形下的过程控 制解决方案。
[0006] 为实现上述目的，本发明的一个实施例提出了一种工艺过程控制方法，包括下列 步骤：测量生产过程中的第一类工艺状态参量；根据当前所测出的第一类工艺状态参量以 及基于知识库的模糊映射模型，估计第二类工艺状态参量；所述第二类工艺状态参量是难 以实时测量的工艺状态参量；根据当前所测出的第一类工艺状态参量以及所估计的第二类 工艺状态参量，确定并输出控制变量的设定值。这种方案可以在部分工艺状态参量难以直 接测量时，实时获得较为完整的工艺状态条件，并据此自动确定控制变量的设定值，降低对 操作人员的依赖，保证产量和质量的稳定。
[0007] 本发明的另一个实施例提出了另一种工艺过程控制方法，包括下列步骤：在生产 过程中，实时测量第一类工艺状态参量，根据当前所测出的第一类工艺状态参量、当前的控 制变量的设定值以及基于知识库的模糊映射模型，估计第二类工艺状态参量；根据当前所 测出的第一类工艺状态参量、当前的控制变量的设定值以及所估计的第二类工艺状态参 量，确定并输出下一时刻的控制变量的设定值。所述基于知识库的模糊映射模型的构建方 法包括下列子步骤：以人工设置控制变量的方式进行多批次的生产，监测并记录生产过程 中各个时刻的第一类工艺状态参量和第二类工艺状态参量；基于自适应算法拟合得出从第 一类工艺状态向量至第二类工艺状态向量的所述基于知识库的模糊映射模型；所述第一类 工艺状态向量的元素包括第一类工艺状态参量和当前时刻控制变量的设定值，所述第二类 工艺状态向量的元素包括：第二类工艺状态参量。这种方案巧妙地避开了测量手段的局限 性，利用了滞后测出的工艺状态参量的历史数据来估计新批次生产过程的工艺状态参量， 这样即便部分工艺状态参量的测量滞后性较大，控制系统也能够实时掌握完整的工艺状态 条件，进而根据实时掌握的完整的工艺状态条件自动调节控制变量的设定值，从而降低过 程控制对操作人员的依赖，保证产量和质量的稳定。
[0008] 本发明的再一个实施例中，将前一实施例的工艺过程控制方法用于多晶硅生产过 程还原工序的温度控制中，其中，所述第二类工艺状态参量包括：硅芯各个位置处的温度。 所述第一类工艺状态参量包括：原料气的进料量、原料气纯度以及还原炉消耗的电能。所述 的控制变量是还原炉电极电流或者用于控制还原炉电极电流的调功器电流。该实施例不仅 可以在部分工艺状态参量的测量滞后性较大的情形下自动调节控制变量的设定值，还能有 效地提高产品的产量和质量。
【附图说明】
[0009] 以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中， [0010] 图1示出了本发明一个实施例的基于知识库的调功器电流设定值输出方法的流 程。
【具体实施方式】
[0011] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发 明的【具体实施方式】。
[0012] 根据本发明的一个实施例，提供了一种用于多晶娃生产中三氯氢娃氢还原工序的 工艺控制方法。为便于理解：下面，首先简要介绍多晶硅生产过程三氯氢硅氢还原工序。
[0013] 三氯氢硅氢还原工序包括：将硅芯与还原炉电极连接，将三氯氢硅与氢气的混合 气体送入还原炉内。在还原炉内通电的炽热硅芯的表面，三氯氢硅发生氢还原反应，生成硅 沉积下来，使硅芯的直径逐渐变大，直至达到规定的尺寸。氢还原反应同时生成二氯二氢 娃、四氯化娃、氯化氢和氢气，与未反应的三氯氢娃和氢气一起送出还原炉，经还原尾气冷 却器用循环冷却水冷却后，直接送往还原尾气干法分离工序。三氯氢硅氢还原的化学式如 下：
[0014] SiHCl3+H2 - Si+HCl
[0015] 三氯氢硅氢还原工序中，被控变量主要是还原炉电极电流，操作员要根据过程控 制的进程以及实际工艺情况的实时改变来频繁地改变还原炉电极电流。多晶硅的生长周期 往往长达数天，如果单独由操作员来实时改变电流的设定值，则工作量极大，过程控制容易 受到人为因素的影响而造成产量和质量的起伏。
[0016] 本实施例提供了一种基于知识库的根据过程控制的进程以及实际工艺情况的实 时改变来输出调功器电流的设定值的方法。其中，由于还原炉电极通常通过调功器连接，所 以可以通过对调功器电流的设定来控制还原炉电极电流。
[0017] 图1示出了本实施例的基于知识库的调功器电流设定值输出方法的流程，具体包 括下列步骤：
[0018] 步骤1 :采集多批次的生产数据。以人工设置调功器电流设定值的方式进行多批 次的生产。对于每个批次的生产，记录：还原炉的容积c (升)、还原炉内容纳的硅棒数量η (例如：8、12、16、24等)、需要的硅棒生长尺寸1 (例如：直径120毫米、150毫米等）和生长 速度V (毫米/小时)，监测并记录：原料气纯度随时间变化的曲线Ρ、还原炉消耗的电能随 时间变化的曲线Ε、原料气的进料量随时间变化的曲线S、还原炉内硅芯的温度分布随时间 变化的图像D。其中，还原炉内炽热硅芯的温度分布随时间变化的图像D采用红外测温方式 获得，这种测温方式虽然具有一定的时间滞后性，但并不影响温度数据的记录。同时还记录 相应批次生产过程中人工设定的时间-调功器电流曲线。在产品出炉后对产品进行人工检 测，记录该批次的产品的产量和质量。产量以公斤为单位，质量以硅的纯度(例如99. 999%) 为主要衡量
[0019] 步骤2 :从所采集的多个批次的生产数据中抽取样本。每个样本是同一时刻的第 一工艺状态向量和第二工艺状态向量组成的向量对。其中，第一工艺状态向量表征t时刻 下的过程控制的进程以及可以实时测出的实际工艺状态，本实施例中，第一工艺状态向量 U1的元素包括：还原炉的容积c、还原炉内容纳的硅棒数量η、需要的硅棒生长尺寸1、生长 速度ν、时刻t的原料气的进料量S t、原料气纯度ρ、还原炉消耗的电能et、时刻t的调功器 电流it以及时刻t,可记为U 1=Iic, η, 1，V，st, P, et, it, t]T。第二工艺状态向量表征t时刻下 的难以实时测出的工艺状态，本实施例中，第二工艺状态向量为温度分布向量，它表征t时 刻下的硅芯的温度分布，第二工艺状态向量U 2的元素包括：时刻t的硅芯的温度分布图像 中所抽取的娃芯若干位置处的温度Wi以及时刻t。可记为U 2=IiwpW2, ···，》_"，t]T,其中i为 正整数，表示硅芯的第i个温度采样位置，m为硅芯的温度采样位置的数目。
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