基于模型预测控制的硅单晶体提拉效果仿真研究

摘要

硅单晶体提拉法在工业现场中广泛应用，是生长出外形均匀且内部品质满足要求的硅单晶体的主要方法。目前的工业生产现场有两种传统的生产工艺:一种是通过炉膛温度的调节来实现硅单晶体等径生长，另外一种是通过调节拉速和温度组成的串级控制系统来实现硅单晶体等径生长。对利用传统PID控制的生长系统进行仿真后发现:这两种传统的控制方法都普遍存在控制精度低、控制回路抗干扰能力差、调节时间长、鲁棒性差的问题，导致生产出来的硅晶体会存在瑕疵、光学均一性较差、更严重可能会导致不等径的情况。
　　考虑到传统PID控制不能有效解决硅单晶体提拉效果控制等实际问题，本文基于模型预测控制的方法对硅单晶体提拉效果控制等问题进行了仿真研究，主要的研究内容有:
　　(1)首先，采用拉速控径单元作为主回路，温度控径单元作为副回路的方法，提出了带史密斯预估的拉速-温度串级控制系统。仿真结果表明，控制系统的响应曲线超调量小，调节时间短，鲁棒性能较好，具有一定的抗干扰能力。
　　(2)其次，基于事先设定的期望响应的方法，提出了一种改进的模型预测控制器，实现参考轨迹在预测时域内最大限度地渐进期望轨迹，使系统的响应能够精确地跟踪所设定的期望轨迹。仿真结果表明，基于时变参考轨迹系数的动态矩阵控制和PID上下层结合的控制方法比传统的预测控制方法和传统的PID串级控制都具有更好的动态响应性能和稳态响应指标，兼顾了被控系统鲁棒性和快速性之间的矛盾。
　　(3)最后，考虑到硅单晶体控制系统是一个输入受约束、外界存扰动、模型会失配的不确定性时滞系统，给出了基于输出反馈的鲁棒预测控制方法。采用鲁棒预测控制和PID控制上下层结合的控制策略保证不确定外界干扰和模型失配对闭环系统的影响抑制在一定水平之下。通过仿真分析得出，改进模型预测控制和鲁棒预测控制对于硅单晶体提拉系统的控制有着很好的稳态和动态特性，控制效果良好。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 硅单晶体提拉法工业背景

1．2 硅单晶体提拉效果控制方法

1．2．1 传统串级PID控制

1．2．2 模型预测控制

1．2．3 模型预测控制研究背景

1．3 模型预测的前沿问题

1．3．1 工业过程的模型化

1．3．2 机理建模和系统辨识

1．3．3 线性模型与辨识

1．3．4 状态空间模型的辨识------子空间方法

1．3．5 模型预测控制算法

1．3 模型预测控制的提出

1．4 鲁棒预测控制

1．5 本论文的主要研究内容

2 硅单晶体生长模型建模

2．1 引言

2．2 提拉单晶炉结构简介

2．3 提拉法晶体生长简介

2．4 提拉法等径原理

2．5 提拉法等径公式

2．6 晶体生长建模

2．6 小结

3 拉速-温度串级PID控制系统

3．1 引言

3．2 串级PID控制原理及特点

3．3 拉速-温度串级PID控制系统分析

3．4 串级控制系统的设计

3．3．1 副回路设计

3．3．2 主回路设计

3．3．3 串级系统主副调节器选型

3．3．4 串级系统控制器PID参数整定方法

3．5 带史密斯预估补偿的串级PID控制系统

3．5 小结

4改进的模型预测控制

4．1 引言

4．2 动态矩阵控制

4．2．1 预测模型

4．2．2 滚动优化

4．2．3 反馈校正

4．2．4 参考轨迹

4．2．5 控制器设计

4．3 基于时变参考轨迹系数的动态矩阵控制

4．4 系统仿真

4．5 模型失配下仿真分析

4．6 小结

5鲁棒预测控制

5．1 引言

5．2 鲁棒控制理论

5．2．1 数学基础

5．3 不确定系统的鲁棒预测控制研究方法

5．3．1 不确定系统的描述

5．3．2 鲁棒预测控制的研究现状

5．3．3 线性矩阵不等式(LMI)理论

5．3．4 Lyapunov稳定性引理

5．3．5 鲁棒控制器设计方法

5．4 不确定时滞系统的输出反馈鲁棒预测控制

5．5 仿真分析

5．6 小结

6 结束与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢