基于雙重預(yù)測(cè)PI的單晶硅直徑控制系統(tǒng).pdf

1、單晶硅是微電子產(chǎn)業(yè)和太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)原材料，主要通過(guò)直拉法生產(chǎn)。在單晶硅的制備過(guò)程中，氬氣的流動(dòng)、坩堝的旋轉(zhuǎn)造成爐內(nèi)熱場(chǎng)梯度的波動(dòng)，加之熱傳遞的容性和滯后，因此過(guò)程對(duì)象的大慣性、大滯后、非線性及多干擾成為控制的難點(diǎn)。液面溫度和拉晶速度不僅關(guān)系到硅棒的直徑，還影響到單晶硅的原子排列結(jié)構(gòu)。液面溫度越高，直徑越小，拉晶速度慢，直徑越大，如何協(xié)調(diào)控制好液面溫度和拉速是直拉式單晶硅生產(chǎn)爐控制的重點(diǎn)。
　　本文首先描述了雙重控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2、并分析其原理，從理論層面分析了其性能特點(diǎn)。比較了預(yù)測(cè)PI控制和史密斯預(yù)估器對(duì)遲滯系統(tǒng)的控制效果。然后對(duì)熱場(chǎng)溫度和液面溫度的準(zhǔn)確測(cè)量提出基于卡爾曼濾波的解決思路。根據(jù)直拉式單晶硅棒的生產(chǎn)特點(diǎn)，結(jié)合雙重控制的基本思想，采用直徑和拉晶速度兩個(gè)操縱變量，綜合直徑控制速度快、溫度控制抗熱場(chǎng)干擾的優(yōu)點(diǎn)，協(xié)調(diào)控制液面溫度和拉晶速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。采用兩層串級(jí)系統(tǒng)，快速抑制熱場(chǎng)溫度和液面溫度的擾動(dòng)。對(duì)于過(guò)程對(duì)象的遲滯和干擾，采取預(yù)測(cè)PI控制算法

3、。以雙重控制系統(tǒng)作為系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，主控制器和副控制器均采用預(yù)測(cè)PI算法，從而提出雙重預(yù)測(cè)PI控制系統(tǒng)的概念，本文詳細(xì)推導(dǎo)了雙重控制系統(tǒng)中，在主控制器采用預(yù)測(cè)PI控制算法的情況下，副控制回路的對(duì)象模型，為副控制器的選擇和參數(shù)整定提供了理論依據(jù)。
　　基于直拉式單晶硅生長(zhǎng)爐的雙重控制，快則治標(biāo)：以拉速-直徑環(huán)作為主控制環(huán)，快速應(yīng)對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)的各種擾動(dòng)；緩則治本：以溫度-直徑-拉速作為副控制環(huán)，盡量使拉速處于理想狀態(tài)，平穩(wěn)快速的克服控

4、制系統(tǒng)中熱場(chǎng)的擾動(dòng)，保證單晶硅棒的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本文通過(guò)仿真詳細(xì)比較了不同副控制器的控制作用，驗(yàn)證了雙重預(yù)測(cè)PI控制系統(tǒng)的快速性和魯棒性。為了更加貼合工程實(shí)際，本文開(kāi)發(fā)了一套實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件。其中，控制器硬件采用OPTO22 PAC，軟件平臺(tái)則使用OPTO22 PAC Project。通過(guò)PAC控制器硬件、OPTO22的OPC服務(wù)器和simulink提供的模擬過(guò)程對(duì)象，搭建了一個(gè)在線實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面、控制器、simulin