论控制系统方案管理对单晶技术有何影响

　　摘要：在系统设计过程中将副控制回路设计成一个控温系统，此时输入就作为直径调节器的输出，而输出的单晶炉温度将对主被控对象单晶直径产生直接作用。如图3所示。在副控制回路中，对于单晶炉的温度结构参数易变不易确定，通过纯理论计算过程较为复杂，但采用仿真实验方法进行测试就显得比较方便。实验时把单位阶跃电压信号即给定信号作为单晶炉的输入，相当于单晶炉温度突然变化的情况，通过仿真软件测出单晶炉输出温度变化的过渡曲线。

　　1控制系统方案及构成

　　1.1 控制系统方案模糊控制是通过模仿人的思维方式和控制经验来实现控制的一种新的控制方法。它不依赖于控制对象的数学模型，通过对模糊信息的处理可以对复杂的控制对象实施良好的控制，而且模糊控制具有良好的鲁棒性，即当对象的参数或结构有一定程度变化时仍然可以保持较好的控制性，它最适合用于非线性系统或当输入及操作描述存在着不确定性关系的系统。而PID控制是目前应用最为广泛的控制规律，根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分控制(D)进行控制。在实际运用和理论上分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。

　　由于CZ法单晶等径生长系统中影响晶体等径生长的因素较多，例如：坩埚的温度、提拉速度等，这些因素之间的关系是模糊的、不确定的，若单纯采用模糊控制，实验证明在线辨识结果不一定有效;若采用PID控制，实验得出不仅控温精度低，而且系统自适应能力较差。为了达到较高的精度，必须将模糊控制与PID控制算法相结合，综合二者优点，系统选用模糊PID控制器。

　　1.2 基本构成本文论述CZ法单晶等径生长模糊控制系统由直径调节器、温度调节器以及称重测径系统三部分组成，系统结构图如图1所示。其中直径调节器是系统的控制核心，它可按用户需求直接设定单晶直径，并通过人机界面进行现场监视，方便用户操作;温度调节器又称控温仪，采用欧陆818P温度控制器，该控制器内部为一智能的PID调节，与热电偶配合使用进行测温，测得的数据通过A/D转换单元转换为数字量，并利用系统软件对其进行处理，同时输出控制指令和数显指令，完成整个测控系统的中央处理功能;称重测径系统具有独立数据采集功能，采用简单模糊控制器，利用单片机结合现场采集的直径数据与用户设定的直径比较，产生偏差按照模糊PID控制算法计算出实时控制量即输出量，再以此控制量通过D/A转换电路改变输出驱动信号调节晶体的提拉速度与埚升速度，使单晶直径逐步达到用户设定的直径值。

　　2控制系统设计

　　2.1 控制回路组成CZ法单晶等径生长控制系统中采用双闭环串级控制系统结构。如图2所示。系统设计为双闭环回路中主控制回路由直径调节器、副控制回路、晶体、测径单元组成;副控制回路由温度调节器、加热器、单晶炉、测温单元组成。其中把单晶直径作为主被控对象，单晶炉温度作为副被控对象;直径调节器作为主调节器，温度调节器作为副调节器。

　　2.2 控温回路CZ法单晶等径生长过程主要考虑因素之一是温度控制，基本原理是由所测温度与设定温度校正曲线的温度比较产生偏差信号作为模糊PID控制器的输入，根据不同时刻的采样点得到的偏差或偏差变化作为输入变量，对系统被控对象参数K，T，?子，进行在线整定，输出值可改变单晶炉温度达到控径的目的，同时也限制了单晶提拉速度的引起大范围波动与变化，用来补偿由于单晶长度生长变化而引起单晶炉中固、液体交界面热稳态发生的变化。

　　3软件设计

　　本系统逻辑控制软件主要由单片机选用Intel公司的16位单片机80C196KC实现，采用模块化结构设计。系统程序包括主程序和中断子程序。其中主程序由初始化程序、A/D采样子程序、键盘扫描子程序、模糊PID控制子程序等部分组成。系统主程序流程图如图3所示。初始化主要完成晶体辐射及热传导过程中系统各部件的初始化和自检。键盘扫描和控制算法等子程序利用80C196KC丰富的中断资源，在外部中断和定时器溢出中断子程序中完成温度和直径控制。与上位机的串行通信采用80C196KC自带的UART硬件传输中断，以满足数据双向传输的异步性和实时性要求。

　　模糊控制PID算法子程序包括输入量的模糊化、模糊化计算、输出量的解模糊化三部分。由于模糊集采用非线性分类，所以对输出量KP、TI、TD进行线性划分。系统对具体参数设置后，形成PID控制器的参数KP、TI、TD的调整规则表，并对其进行在线调整。最后使用加权平均法对在线已经调整好的这三个参数进行解模糊。(图4)

　　4实验结果

　　系统通过强大功能的仿真软件MATLAB实验测试，在Simulink的环境下搭建非线性模块，当搭建好后再对系统进行直接仿真，测试表明：该控制系统将晶体单晶等径生长过程的温度控制与晶体提拉速度完美结合，所生长出的单晶直径达到用户要求，而且单晶的等径控制精度可达±1mm、±1.2mm等等。系统不仅稳态精度明显提高，而且具有良好的动态性能和灵活性。

　　5结语

　　本文针对单晶等径生长过程，分析了影响单晶生长的因素，控制策略是结合模糊控制与PID控制的优缺点，并确定系统选用模糊PID算法，设计了一个模糊控制与PID控制算法相结合的单晶等径生长控制系统。系统采用双闭环串级控制其控制是在常用单回路的基础上增加了由温度调节器、坩埚加热器以及测温单元组成的副控制回路，并且通过实验测试，可有效地实现了单晶等径生长控制，系统能够达到较高的稳态精度。

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文章名称： 论控制系统方案管理对单晶技术有何影响

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