高精度模糊自整定溫度控制系統(tǒng)研究

李金濤，顏向乙，尚美杰，張繼靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

半導(dǎo)體產(chǎn)品的制造加工質(zhì)量與一致性對工藝溫度的依賴亦逐漸加深，因此某些半導(dǎo)體專用設(shè)備對溫度控制系統(tǒng)提出了更高要求。而半導(dǎo)體制造工序的高精度、高準(zhǔn)確度、多樣性、流水線式、批量化的生產(chǎn)特點(diǎn)決定了半導(dǎo)體專用設(shè)備的溫度控制有著自己獨(dú)特的一面與難度，如：半導(dǎo)體制造對溫度控制的高精度要求、反復(fù)進(jìn)出料對設(shè)備工作模塊的溫度沖擊、為適應(yīng)不同型號(hào)產(chǎn)品加工而更換工作臺(tái)所造成的溫度控制對象的巨大變化對溫度控制系統(tǒng)提出了高精度、高穩(wěn)定性、抗沖擊、強(qiáng)適應(yīng)性等要求。本文針對半導(dǎo)體對溫度控制的高要求，結(jié)合某半導(dǎo)體專用設(shè)備加工工藝特點(diǎn)，提出了一種基于模糊理論、模型自適應(yīng)、PID參數(shù)自整定溫度控制結(jié)構(gòu)，并將該控制結(jié)構(gòu)應(yīng)用于半導(dǎo)體加工設(shè)備中。

1 模糊PID自整定算法

1.1 模糊算法引進(jìn)

模糊模型使用模糊語言和規(guī)則描述一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性及性能指標(biāo)。其特點(diǎn)是不需要知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強(qiáng)適應(yīng)性，對控制系統(tǒng)干擾有較強(qiáng)抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)的方法步驟，規(guī)則庫缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求，特別是其對控制對象的強(qiáng)針對性能較好適應(yīng)高精度控制。但PID本質(zhì)是線性控制，過于依賴控制對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，而模糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域，因此，將模糊控制與PID結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點(diǎn)，即用PID調(diào)節(jié)來控制單種狀態(tài)下的控制輸出，用模糊規(guī)則自學(xué)習(xí)當(dāng)前的工作狀態(tài)，然后指導(dǎo)PID控制做出相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整，這樣的方法主要的問題就是要合理地獲得PID參數(shù)的模糊校正規(guī)則，其實(shí)質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般PID控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。

1.2 模糊PID自整定算法

傳統(tǒng)的PID控制器以設(shè)定值R（t）與實(shí)際控制結(jié)果 y（t）之差 e（t）作為控制器輸入，通過比例、積分、微分3個(gè)環(huán)節(jié)輸出控制量，其控制規(guī)律為：

式中：Kp為比例系數(shù)，適當(dāng)調(diào)節(jié)此系數(shù)可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度；KI為積分系數(shù)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)此系數(shù)可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。KD為微分系數(shù)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)此系數(shù)可以產(chǎn)生有效地早期修正信號(hào)，增加系統(tǒng)的阻尼程度，可改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過調(diào)整3個(gè)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)被控對象的小范圍精度控制，但3個(gè)系數(shù)的調(diào)整是建立在準(zhǔn)確被控對象精確模型基礎(chǔ)之上的，在不確定控制對象及控制動(dòng)態(tài)性方面具有一定的局限性。為適應(yīng)半導(dǎo)體工藝中高精度、抗沖擊要求，引入模糊控制算法，將比例積分微分3個(gè)參數(shù)在運(yùn)行范圍內(nèi)模糊化，利用溫度控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中溫度偏差和溫度偏差變化率實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到適應(yīng)控制對象變化、改善控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的目的。以溫度誤差為例模糊模型隸屬度如圖1所示。

圖1 溫度誤差隸屬度模型

根據(jù)溫度調(diào)整規(guī)律，結(jié)合PID控制器特性，以溫度誤差及溫度誤差變化率為標(biāo)準(zhǔn)，分別建立比例、積分、微分系數(shù)模糊化規(guī)則表，在此以積分系數(shù)為例，列舉模糊化規(guī)則表，如表1所示。

（其中縱坐標(biāo)為溫度控制誤差，橫坐標(biāo)為溫度控制誤差變化率）。

表 1 積分系數(shù)模糊規(guī)則

模糊規(guī)則表是進(jìn)行PID實(shí)時(shí)調(diào)整的依據(jù)，設(shè)定溫度誤差為 e（t），溫度誤差變化率為 σ（t），溫度誤差隸屬于模型ξ區(qū)間的隸屬度為Re(t)*ξ，溫度誤差變化率隸屬于模型ψ區(qū)間的隸屬度為Rσ(t)*ψ，積分系數(shù)取自規(guī)則表ξ*ψ區(qū)間的指數(shù)為RKI*ξ*ψ，權(quán)重為 KI*ξ*ψ，則自整定關(guān)系可表示為：

以上為81條隸屬度傳遞關(guān)系，則積分值提取計(jì)算量可表示為：

將上式在計(jì)算機(jī)語言中實(shí)現(xiàn)，則每個(gè)控制更新周期控制量可近似為：

通過以上處理過程得到每個(gè)控制更新周期PID控制器積分參數(shù)，其中比例參數(shù)和微分參數(shù)可通過類似過程得到，在此不作累述。

2 控制模型自學(xué)習(xí)

通過模糊PID自整定控制器可提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性和抗干擾性。但對于熱控制對象的大幅度劇烈變化，模糊規(guī)則表權(quán)重參數(shù)KI*ξ觹ψ仍需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校正，如控制結(jié)構(gòu)前向通道整體DC增益隨工作臺(tái)熱容量變化大幅度變動(dòng)。

對于整個(gè)溫度控制系統(tǒng)中整個(gè)溫度控制對象，可視為大滯后環(huán)節(jié)和大慣性環(huán)節(jié)的組合，其傳遞函數(shù)可表示為：

其階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。

通過對控制對象分析，可得到對象模型試驗(yàn)測定方法，在溫度驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中給定固定功率輸出，可得到溫度響應(yīng)時(shí)間曲線，其中純延遲環(huán)節(jié)可通過響應(yīng)空白時(shí)間段τ確定，大慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)可通過溫度0.63區(qū)段過度時(shí)間確定，而慣性環(huán)節(jié)

比例系數(shù)可通過溫度過度最終值確定。

圖2 熱控對象階躍響應(yīng)曲線

在溫度控制系統(tǒng)中通過1～3次功率階躍，得到熱控對象的粗略模型。在預(yù)先進(jìn)行的模型仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證PID控制器與控制模型的對應(yīng)關(guān)系，即因被控對象引起的巨大變化即可通過以上方法適當(dāng)改變PID模糊規(guī)則表中的對應(yīng)權(quán)值，以達(dá)到控制器對控制對象大幅度變化的強(qiáng)適應(yīng)能力。

3 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

溫度控制器中模糊PID自整定模塊處理溫度沖擊，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，模型辨識(shí)模塊處理PID模糊規(guī)則表權(quán)值，以適應(yīng)因設(shè)備工作臺(tái)變化引起的控制對象特性大幅度變化，控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中，除控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中所提到的模塊外，仍有許多附屬模塊，如：用于積分量限制保護(hù)的積分飽和模塊、用于適應(yīng)功率驅(qū)動(dòng)單元功率上限的處理模塊、檢測反饋回路的濾波及擬合模塊等，在此不做贅述。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，以AVR系列mega128型單片機(jī)為控制器CPU，使用K型熱電偶為檢測傳感器，以隔離式固態(tài)繼電器為功率轉(zhuǎn)換模塊，使用定頻變占空比PWM為驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了三路溫度控制通道，在此以其中一路通道為例在某型號(hào)半導(dǎo)體專用設(shè)備熱加工工作臺(tái)進(jìn)行試用試驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)一：以熱臺(tái)為控制對象，加熱功率上限400 W，驗(yàn)證單一PID控制器與本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)控制器控制結(jié)果，以超調(diào)、過度時(shí)間、穩(wěn)態(tài)精度為指標(biāo)，驗(yàn)證結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果對比（初始溫度：室溫，目標(biāo)溫度：220℃）

實(shí)驗(yàn)二：以熱臺(tái)為控制對象，加熱功率上限400 W，在系統(tǒng)穩(wěn)定在220℃情況下，在熱工作臺(tái)上加一銅塊，給以熱臺(tái)溫度干擾，驗(yàn)證系統(tǒng)抗干擾能力,結(jié)果見表3。通過以上兩組實(shí)驗(yàn)可以看出，自學(xué)習(xí)模糊自整定控制器在控制精度方面與單一PID結(jié)構(gòu)控制器相似，在動(dòng)態(tài)性能、抗干擾沖擊等方面明顯優(yōu)于單一PID結(jié)構(gòu)控制器。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比（初始溫度：220℃，回復(fù)溫度220℃）

5 結(jié) 論

本文通過半導(dǎo)體專用設(shè)備對溫度控制的要求分析，提出了一種基于模糊算法、對控制對象適應(yīng)能力較強(qiáng)的變參數(shù)溫度控制系統(tǒng)，并對模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟，溫控對象辨識(shí)及控制器整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，最后通過與一種單一PID結(jié)構(gòu)溫度控制器作對比，在某半導(dǎo)體專用設(shè)備熱工作臺(tái)上進(jìn)行了溫度驗(yàn)證試驗(yàn)和設(shè)備運(yùn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證：所設(shè)計(jì)控制結(jié)構(gòu)控制精度高，響應(yīng)速度快，過度平穩(wěn)，抗干擾能力強(qiáng)。最后，該款溫度控制器已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備。

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