基于维纳模型控制算法的扩散炉温度控制方法及控制系统与流程

本发明涉及集成电路制造设备扩散炉的温度控制技术领域，具体涉及基于维纳模型控制算法的扩散炉温度控制方法及控制系统。

背景技术：

扩散炉是集成电路制造中较为常用的设备，其工作温度较高，一般高于1000摄氏度，升温过程中快速性和炉内温度的均匀性是判断扩散炉性能的重要指标，性能优异的扩散炉需要满足快速升温的同时，保持炉内温度的均匀性，所以在扩散炉内需要采用性能优异的温度控制器。

由于炉体内从低温到高温的温度跨度较大，控制对象即炉体温度表现出很强的非线性，一般的控制方法很难满足控制要求，为了满足温度均匀性的要求，只能降低升温的速度，加之扩散炉的体积较大，需要使用多组pid控制器同时工作，这样容易相互干扰引发温度震荡，影响使用并造成电力的浪费。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于维纳模型控制算法的扩散炉温度控制方法，它可以解决现有技术中扩散炉的炉体升温速度慢、升温均匀性差的问题。此外，本发明还要提供一种基于维纳模型控制算法的一般温度控制系统。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种基于维纳模型控制算法的扩散炉温度控制方法，该方法的实现步骤如下：

（1）将非线性控制对象即扩散炉加热系统用维纳模型进行描述；

（2）通过对静态非线性φ的逆运算，将非线性控制的温控过程简化为线性最优控制；

（3）利用状态观测器来模拟控制对象的内部状态变量。

其中，所述步骤（3）之后还包括：将控制量u、温度测量值z_k反馈至状态观测器进行状态观察，状态观测器推算得到的线性动态部分的内部状态ẋ_k和线性动态部分的输出估计值ŷ_k，ŷ_k与控制目标值之间的误差e，通过误差e、ẋ_k来计算最优的反馈控制量u。

其中，所述步骤（1）中维纳模型通过以下步骤获得：

（a）采用阶跃响应测量控制对象的时间常数，用于设计输入信号，即m序列；

（b）将m序列输入到控制对象，进行实验，获得温度数据；

（c）将控制对象的输出信号进行采集并保存，与对应的输入信号构成输入输出数据对；

（d）利用上述输入输出数据对，进行系统辨识，计算维纳模型中的各参数；

（e）构建维纳模型，用状态空间描述维纳模型的线性动态部分，用多项式近似维纳模型中的静态非线性部分。

其中，所述步骤（d）还包括对建立的模型进行验证的步骤。

本发明的第二方面提供一种基于维纳模型控制算法的一般控制系统，对于一般非线性控制对象，采用上述的维纳模型描述，系统辨识建模，就可以构建一个以线性最优控制为基础的控制系统：包括非线性变换模块、反馈增益控制模块、功率放大器，所述非线性变换模块的输出端连接所述反馈增益控制模块的输入端，所述反馈增益控制模块的输出端连接所述功率放大器的输入端，所述功率放大器的输出端连接所述控制对象的输入端，所述非线性变换模块用于将设定值（例如温度）转换为线性动态部分的控制值。

进一步地，还包括状态观测器，所述状态观测器的输入端连接所述反馈增益模块的输出端和控制对象的输出端，所述状态观测器的输出端连接所述反馈增益控制模块的输入端。

更进一步地，所述状态观测器采用扩展卡尔曼滤波器。

与现有技术相比，本发明的扩散炉温度控制方法易于编程，计算量较小适合实时控制，可作为软件在微机或电脑上运行满足各种需求，用途广泛。经过验证，本发明的控制算法在保持温度均匀性同时能够实现快速升温，与pid控制器设定相同升温速率下进行消费电力比较，比pid控制器节省约3.68%电力消费。

附图说明

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明建立的维纳模型的示意图；

图2为本发明维纳模型参数化示意图；

图3为本发明扩散炉温度控制方法中维纳模型的建模流程图；

图4为本发明扩散炉温度控制系统的结构示意图；

图5为对本发明扩散炉温度控制方法进行温控实验的实验设备的结构示意图；

图6为本发明扩散炉温度控制方法与pid控制方法的升温曲线图。

具体实施方式

本发明针对扩散炉的温度控制问题，采用基于维纳模型的控制器的策略，首先对控制对象（扩散炉）建立数学模型即维纳模型，然后构建针对维纳模型的非线性控制系统，之后在小型的实验设备验证该控制系统的效果。

本发明基于维纳模型控制算法的扩散炉温度控制方法，其具体步骤如下：

第一步，建立维纳模型。

如图1所示，本发明建立的维纳模型任何时不变系统均可由维纳模型表述，维纳模型包括一个线性动态部分和一个非线性静态部分（标记为φ），其中，u_k输入，y_k为动态线性部分的输出，为内部变量，不能直接测量，z_k为输出，v_k为观察噪声。将控制对象用维纳模型来表述，必须进一步将维纳模型参数化，然后用系统辨识理论来计算模型中的各个参数。我们考虑用现代控制理论中的状态空间来描述线性动态部分，用多项式来描述静态非线性部分，将维纳模型参数化。如图2所示，利用系统辨识来推算出维纳模型的各项参数：状态空间的(a,b,c,d)和多项式φ中的（a_0,a_1,a_2…），这样就可以建立一个能精确描述控制对象的数学模型。

由于线性动态的输出与整个控制对象输出只相差一个非线性转换，只要通过控制线性动态部分的输出，相应地可以得到控制对象的输出，这样控制策略可以简化为目前较为成熟的线性控制问题。在应用到扩散炉温度控制时，加热器就可以定义为一个维纳模型，加热器的电力输入对应维纳模型的输入，加热器得温度输出对应维纳模型的输出。

建模过程采用如图3所示的步骤：

（a）输入信号设计；采用阶跃响应测量控制对象的时间常数，获得输入信号，即m序列。由时间常数来设计m序列信号的方法可以参考系统辨识教科书例如：作者：向晓燕，孟凡斌，张书真的《m序列在系统辨识中的应用》。

（b）加载实验；将m序列输入到控制对象，进行实验，获得温度数据，作为模型的输出信号。

（c）数据测量；将控制对象的输出信号进行采集并保存，与对应的输入信号构成输入输出数据对。

（d）系统辨识演算；利用上述输入输出数据对，确定模型参数并存入数据库中。使用matlab软件，先用其中的状态空间辨识软件包计算出各参数的一个预估值，然后用参数优化软件包对预估参数进行优化，使模型输出与实际测量值的误差最小，这样就可以得到维纳模型的各项参数。

（e）维纳模型构建；由于在系统辨识中已经推算出维纳模型的各项参数，根据各项参数就能构建一个可以精确描述控制对象的数学模型。

第二步，根据维纳模型构建扩散炉温度控制系统。

如图4所示，扩散炉温度控制系统包括：非线性变换模块、反馈增益控制模块、功率放大器及状态观测器，非线性变换模块的输出端连接反馈增益控制模块的输入端，反馈增益控制模块的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接控制对象（加热器）的输入端，非线性变换模块用于输入设定温度值。状态观测器的输入端连接反馈增益模块的输出端、加热器的温度输出端，状态观测器的输出端连接反馈增益控制模块的输入端。状态观测器采用扩展卡尔曼滤波器。功率放大器采用现有市场中的产品，静态非线性逆运算模块、反馈增益控制模块采用c语言或matlab软件来编写，装载于电脑或微机电路中运行。

采用上述扩散炉温度控制系统对扩散炉的升温过程进行控制，其具体步骤如下：

（1）非线性变换模块通过对多项式φ的逆运算，将设定温度转换为线性动态部分的控制目标值；

（2）反馈增益控制；反馈增益模块通过误差e，ẋ_k来计算出最优的控制量u；ẋ_k为状态观测器推算得到的线性动态部分的内部向量、ŷ_k为状态观测器推算得到的非线性静态部分的输出、误差e为状态观察值ŷ_k与控制目标值之间差值。

（3）功率放大器将控制目标值放大为电流信号、电压信号，得到功率输出信号w。

（4）将功率输出信号w输入加热器，得到输出信号，即温度测量值z_k。

（5）将控制量u、温度测量值z_k反馈至状态观测器进行状态观察，状态观测器推算得到的线性动态部分的内部向量ẋ_k、非线性静态部分的输出ŷ_k、状态观察值ŷ_k与控制目标值之间的误差e。

如图5所示，采用小型的扩散炉进行温控实验，验证本发明扩散炉温度控制系统与pid控制系统的升温特性。其中，扩散炉为三段加热式，控制电路为三输入三输出，温控目标是保持三个输出温度均匀性小于1℃的同时尽快从600℃升温到1000℃。实验效果见图4。

从图6可以看出与传统pid控制相比，本发明获得了更快的升温效果，同时避免发生温度的震荡。由于电力消耗和升温速度有关，在供电功率有限的情况下，设定相同升温速率下进行消费电力比较，本发明控制系统比pid控制器节省约3.68%电力消费，如果是现有产品设备，温控在4到5段的情况下，我们预计可以实现5%至10%的节电效果。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。