一种还原炉系统的温度控制方法及装置与流程

1.本发明属于多晶硅技术领域，具体涉及一种还原炉系统的温度控制方法及装置。

背景技术：

2.还原炉中，多晶硅生产需要经过预加热过程、持续加热过程和恒温加热过程，而其中最重要的一个环节就是恒温加热过程，恒温加热过程中硅棒表面温度需要维持在1000℃～1080℃。
3.由于还原炉是一个具有大时滞性、强耦合作用和非线性特性的系统，因此增大了对还原炉系统进行温度控制的难度。现有的线性控制方法，难以满足还原炉系统对温度调节的需求，也就是说现有技术存在控制对象的强烈非线性、时变性与现有线性控制方法之间的不匹配问题。为解决该问题，提高还原炉的温度控制品质并保障系统的可靠性，亟需提出一种更先进的控制方法，用于匹配控制非线性、大时滞性、强耦合作用的还原炉系统。

技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述不足，提供一种还原炉系统的温度控制方法及装置，可匹配控制非线性、大时滞性、强耦合作用的还原炉系统，并提高还原炉系统的硅棒温度的控制精度和动态性能，且使还原炉系统的温度控制具有较高的稳定性。
5.本发明实施例提供一种还原炉系统的温度控制方法，包括：将控制指令输入值u(k)输入模型器中，所述模型器中设有改进紧格式数据模型：
[0006][0007][0008]
其中，y(k)和u(k)分别为还原炉系统的温度输出值与控制指令输入值,τ为滞后时长，t＞0为差值周期，φ(k)为伪偏导数；再将模型器中输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值输入控制还原炉系统的控制器，所述控制器包括第一计算器和第二计算器：所述第一计算器用于根据式(25)计算出还原炉系统在k时刻的输入u(k)：
[0009][0010]
其中，β＞0,λ＞0,为惩罚因子，ρ1、ρ2、ρ3∈(0,1]为步长因子，y*(k+1)为k+1时刻期望输出温度，y(k)为k时刻实际的输出温度；所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻
[0011][0012]
其中，η∈(0,2]为步长因子，μ＞0为惩罚因子，为伪偏导数估计值；将通过所述控制器计算得到的u(k)作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)；将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则将所述差值重新输入所述控制器进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内。
[0013]
优选地，还原炉系统的温度控制方法还包括：建立模型器。所述建立模型器具体包括：建立还原炉系统模型；对还原炉系统模型进行动态线性化转换，得到所述改进紧格式数据模型。
[0014]
优选地，所述建立还原炉系统模型，具体包括：建立硅棒电流与温度的第一模型：
[0015][0016]
其中，硅棒两端的电压u0＝i0r、k为混合气体与周围介质的总传热系，d为硅棒直径，η为比例系数，c为还原炉内反应混合气体的热比容,g为还原炉内反应混合气体的质量，温度延时时间常数τg一般取5～12s，v为硅棒体积，g、k、d随时间变化；
[0017]
建立硅棒恒温加热电源的第二模型：
[0018]
其中，其中，ks为晶闸管比例放大系数，ts为晶闸管惯性时间常量，取晶闸管失控平均滞后时间常量；
[0019]
根据第一模型和第二模型建立还原炉系统模型：
[0020]
[0021]
其中，ki为积分系数，k
p
为比例系数。
[0022]
优选地，式(25)的获取步骤，具体包括：基于误差变化率[(y
*
(k+1)-y(k+1))-(y
*
(k)-y(k))]构建控制输入准则函数j(u(k))：
[0023]
j(u(k))＝[y
*
(k+1)-y(k+1)]2+β[(y
*
(k+1)-y(k+1))-(y
*
(k)-y(k))]2+
[0024]
λ[u(k)-u(k-τ-1)]2[0025]
对控制输入准则函数j(u(k))求导，得到式(25)。
[0026]
优选地，式(28)的获取步骤，具体包括：构建伪偏导数估计准则函数j(φ(k))：
[0027][0028]
对伪偏导数估计准则函数求导，得到式(28)。
[0029]
优选地，在通过所述控制器计算得到的u(k)作用于还原炉系统之后，还原炉系统的温度控制方法还包括：增大差值周期t，得到控制精度和动态性能优于预设阈值。
[0030]
优选地，还原炉系统的温度控制方法还包括对式(25)引入参数重置机制并进行整理得到式(30)以替换式(25)：
[0031]
对式(25)引入参数重置机制：
[0032]
当或||δu(k-1)||≤ε或令
[0033]
并对式(25)进行简化整理，得到改进后的第一计算器，式(30)：
[0034][0035]
其中e(k)＝y
*
(k+1)-y(k)，
[0036]
e(k-1)＝y
*
(k)-y(k-1)，u(k)为第k时刻第一计算器的输出，作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)。
[0037]
相应地，本发明实施例还提供一种还原炉系统的温度控制装置，包括模型器和控制器。模型器，用于接收控制指令输入值u(k)，所述模型器中设有改进紧格式数据模型：
[0038][0039][0040]
其中，y(k)和u(k)分别为还原炉系统的温度输出值与控制指令输入值，τ为滞后时长，t＞0为差值周期，φ(k)为伪偏导数；控制器，用于接收模型器中输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值，所述控制器包括第一计算器和第二计算器：所述第一计算器用于根据式(25)计算出还原炉系统在k时刻的输入u(k)：
[0041][0042]
其中，β＞0,λ＞0,为惩罚因子，ρ1、ρ2、ρ3∈(0,1]为步长因子，y*(k+1)为k+1时刻期望输出温度，y(k)为k时刻实际的输出温度；所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻
[0043][0044]
其中，η∈(0,2]为步长因子，μ＞0为惩罚因子，为伪偏导数估计值；控制器，还用于将计算得到的u(k)作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)；并将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则重新接收所述差值进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内。
[0045]
优选地，控制器还包括改进模块。改进模块，用于对式(25)引入参数重置机制并进行整理得到式(30)以替换式(25)：
[0046]
改进模块用于对式(25)引入参数重置机制：
[0047]
当或||δu(k-1)||≤ε或令
[0048]
改进模块用于对式(25)进行简化整理，得到改进后的第一计算器，式(30)：
[0049][0050]
其中e(k)＝y
*
(k+1)-y(k)，
[0051]
e(k-1)＝y
*
(k)-y(k-1)，u(k)为第k时刻第一计算器的输出，作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)。
[0052]
优选地，控制器还包括调节模块。调节模块，与第一计算器和第二计算器连接，用于增大差值周期t，以得到控制精度和动态性能优于预设阈值。
[0053]
本发明的还原炉系统的温度控制方法及装置，由于对紧格式数据模型进行了改进，其不仅利用了紧格式数据模型的优势，即无模型自适应控制方法优势：仅依赖于系统的输入、输出数据，根据前一时刻系统输入、输出数据对当前时刻控制器的输出数据进行实时调整和补充，使系统实际的输出收敛到期望值，不需要建立具体的控制系统模型便能达到
良好的温度控制效果，从而解决了控制方法与非线性系统的不匹配问题。还引入差值周期t，使得增大控制输入的差值周期t，从而提高还原炉系统的硅棒温度的控制精度和动态性能，且使还原炉系统的温度控制具有较高的稳定性。此外，还引入滞后时长，使得改进的紧格式数据模型与实际的还原炉系统更吻合，进一步提高还原炉系统的硅棒温度的控制精度。
附图说明
[0054]
图1：为本发明实施例1的还原炉系统的温度控制方法的流程图；
[0055]
图2：为本发明实施例1的还原炉系统的温度控制的系统框图；
[0056]
图3：为本发明实施例2的不同惩罚因子对应的动态性能仿真示意图；
[0057]
图4：为本发明实施例2的mfac与pid、pi的控制效果误差的仿真对比示意图；
[0058]
图5：为本发明实施例2的mfac与pid、pi的动态性能的仿真对比示意图；
[0059]
图6：为本发明实施例2的mfac与pid、pi的输出误差的仿真对比示意图；
[0060]
图7：为本发明实施例2的预测控制结果的仿真示意图；
[0061]
图8：为图7的局部放大图。
具体实施方式
[0062]
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
[0063]
实施例1：
[0064]
如图1所示，本实施例提供一种还原炉系统的温度控制方法，应用于如图2所示的被控系统，其中，被控系统为还原炉系统或其他非线性系统。还原炉系统的温度控制方法包括：
[0065]
步骤101，将控制指令输入值u(k)输入模型器中，模型器中设有改进紧格式数据模型：
[0066][0067][0068]
其中，y(k)和u(k)分别为还原炉系统的温度输出值与控制指令输入值，τ为滞后时长，t＞0为差值周期，φ(k)为伪偏导数。
[0069]
步骤102，再将模型器中输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值输入控制还原炉系统的控制器，控制器包括第一计算器和第二计算器：
[0070]
第一计算器用于根据式(25)计算出还原炉系统在k时刻的输入u(k)：
[0071][0072]
其中，β＞0,λ＞0,为惩罚因子，ρ1、ρ2、ρ3∈(0,1]为步长因子，y*(k+1)为k+1时刻期望输出温度，y(k)为k时刻实际的输出温度；
[0073]
所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻
[0074][0075]
其中，η∈(0,2]为步长因子，μ＞0为惩罚因子，为伪偏导数估计值；
[0076]
步骤103，将通过控制器计算得到的u(k)作用于还原炉系统，预测出还原炉系统在k时刻实际的输出温度y(k)。
[0077]
步骤104，将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则将所述差值重新输入所述控制器进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内。
[0078]
本实施例提供的还原炉系统的温度控制方法，如图2所示，预先给定期望输出温度y
*
(k+1)的命令，根据当前时刻还原炉系统的实际输出温度y(k)，计算温度偏差e(k)和伪偏导数作为imfac(improved model free adaptive control，改进的无模型自适应控制)控制器的输入，imfac控制器输出的u(k)作为被控系统的输入，被控系统得到输入指令后更新温度，令k＝k+1，更新温度偏差e(k)再次进入负反馈回路中，从而使还原炉系统的实际输出温度收敛到期望输出温度，从而实现对还原炉系统的温度控制。可选地，被控系统在接收imfac控制器输出的u(k)的同时，还接收环境干扰系统向其输出的v(k)。
[0079]
实施例2：
[0080]
本实施例提供一种还原炉系统的温度控制方法，应用于如图2所示的被控系统，其中，被控系统为还原炉系统。还原炉系统的温度控制方法包括：
[0081]
步骤201，建立模型器。
[0082]
具体地，建立模型器包括：建立还原炉系统模型；并对还原炉系统模型进行动态线性化转换，得到改进紧格式数据模型。
[0083]
本实施例中，建立还原炉系统模型具体包括步骤s11-步骤s13：
[0084]
步骤s11，建立硅棒电流与温度的第一模型。
[0085]
以恒温阶段硅棒为研究对象，对硅棒电流-温度环节进行建模。假设整个沉积反应过程中，硅棒粗细均匀且各处温度都一样，可以根据焦耳定律、能量定律，单位时间内硅棒交流电发热产生的热量减去，单位时间内硅棒表面反应吸收的热量与没有吸收的而是通过还原炉炉壁和底盘夹套冷却水散失的热量全部之和，应等于硅棒存储能量的变化率，有：
[0086][0087]
式中，
[0088]
c为还原炉内各种气体反应的热比容，单位为j/(kg
·
c)；
[0089]
g为还原炉内各种气体反应的质量，单位为kg；
[0090]
t为生产多晶硅硅棒表面的温度，单位为℃；
[0091]qin
为单位时间内还原炉硅棒交流电发热产生的热量；
[0092]qout
为单位时间内硅棒表面反应吸收的热量、未吸收的而通过还原炉炉壁、底盘夹套冷却水散失的热量之和；
[0093]
交流电在单位时间内产生的热量为：
[0094]qin
＝i2r
ꢀꢀ
(2)
[0095]
单位时间内硅棒表面反应吸收的热量、未吸收的而通过还原炉炉壁、底盘夹套冷却水散失的热量之和：
[0096]qout
＝q
out1
+q
out2
ꢀꢀ
(3)
[0097]
式中，q
out1
为单位时间内硅棒表面反应吸收的热量；q
out2
为单位时间内未吸收的而通过还原炉炉壁和底盘夹套冷却水散失的热量。
[0098]
而在实际生产中，q
out1
、q
out2
与q
out
能耗关系，一般认为有以下的关系：
[0099][0100]
由式(3)和式(4)整理得：
[0101][0102]
而单位时间内未吸收的而通过还原炉炉壁和底盘夹套冷却水散失的热量为：
[0103]qout2
＝kπdl(t-ta)
ꢀꢀ
(6)
[0104]
式中，k为混合气体与硅棒的总传热系数(w/(m2·
k))；ta为外部环境温度(℃)；l为还原炉内硅棒q
out2
的长度(m)，d为硅棒的直径(m)，随硅棒的生长直径将发生变化。
[0105]
将式(2)、(5)、(6)代入式(1)整理得：
[0106][0107]
即，
[0108][0109]
当输入量i在i0处有增量变化时，即有：
[0110]
i＝i0+δi
ꢀꢀ
(9)
[0111]
对应的被制量t也将随之变化：
[0112]
t＝t0+δt
ꢀꢀ
(10)
[0113]
将式(9)、(10)代入式(8)方程得：
[0114][0115]
略去δi2，整理得到：
[0116][0117]
将式(12)整理成微分形式，有：
[0118][0119]
式中，t、i为硅棒温度和电流增量。
[0120]
为硅棒的时间惯性常数；
[0121]
为硅棒温度的放大系数。
[0122]
对式(13)进行拉氏变换，得到：
[0123]
sτt(s)+t(s)＝k
t
i(s)
ꢀꢀ
(14)
[0124]
则硅棒电流-温度传递函数：
[0125][0126]
考虑还原炉系统存在滞后性，因此得到硅棒电流与温度的第一模型如下：
[0127][0128]
其中，硅棒两端的电压u0＝i0r、k为混合气体与周围介质的总传热系，d为硅棒直径，η为比例系数，c为还原炉内反应混合气体的热比容,g为还原炉内反应混合气体的质量，温度延时时间常数τg一般取5～12s，v为硅棒体积，g、k、d随时间变化。
[0129]
步骤s12，建立硅棒恒温加热电源的第二模型。
[0130]
由于在沉积多晶硅的过程中，硅棒在高温下，对于热应力比较差，对于温度的波动很敏感。当温度波动较大时，硅棒容易发生裂棒，甚至倒棒，因此必须对硅棒的温度必须进行实时精确控制。而由前面分析知，能够直接快速控制温度的方法，就是控制电流，所以对于电流的精确控制显得很有必要的了，故根据现有技术建立交流变换器的模型，即获得硅棒恒温加热电源的第二模型为：
[0131][0132]
其中，ks为晶闸管比例放大系数，ts为晶闸管惯性时间常量，取晶闸管失控平均滞后时间常量。
[0133]
步骤s13，根据第一模型和第二模型建立还原炉系统模型。
[0134]
如图2所示的双闭环系统的框图中，被控对象1表示硅棒两端的电压，被控对象2表示硅棒温度，当副控制器采用比例积分pi控制器，不考虑imfac控制器的环节，根据第一模型和第二模型建立还原炉系统模型(即被控系统的开环传递函数)为：
[0135][0136]
式中，ki为积分系数，k
p
为比例系数。由于参数i0、d变化幅度比较大(当还原炉在0～140h的时间范围内变化时，i0为30～2000a，d为8～150mm)，不能进行简单估计，因此开环传递函数w
out
(s)可认为是参数大时变，带有滞后的三阶非线性系统。因此，有必要设计改进的无模型自适应控制器实现对还原炉系统的温度进行精确控制。
[0137]
由于还原炉系统为具有滞后的三阶非线性系统，故对还原炉系统模型进行动态线性化转换，得到改进紧格式数据模型。具体地，对式(18)施加一个单位阶跃函数，反拉氏变换，求得时域中的一个输出函数，离散化后可得到单入单出离散时间非线性滞后系统，该系统可用如下的泛函数式(19)进行描述：
[0138]
y(k+1)＝f(y(k),
…
,y(k-ny),
[0139]
u(k-τ),
…
,u(k-τ-nu))
ꢀꢀ
(19)
[0140]
其中y(k)和u(k)分别表示非线性滞后系统(即还原炉系统)的输出与输入，τ为系统的滞后时长，ny和nu分别表示系统的未知阶数。
[0141]
对于非线性滞后的还原炉系统(19)，给出如下假设:
[0142]
假设1非线性滞后系统的输入输出可测、可控。如果对于某系统输出一致有界的期望输出信号为y
*
,那么存在一致有界的可行控制输入信号，并且使得系统在可行控制输入信号的驱动下使系统实际输出等于系统的期望输出。
[0143]
假设2f(
·
)是对系统的控制输入信号u(k-τ)的偏导数是连续的。
[0144]
假设3系统(19)是广义lipschitz的，即满足对任意的k和δu(k)有
[0145]
|δy(k+1)|≤b|δu(k)|
ꢀꢀ
(20)
[0146]
其中b是常数，
[0147]
δu(k)＝u(k)-u(k-τ-1)，
[0148]
δy(k+1)＝y(k+1)-y(k)。
[0149]
定理1如果非线性系统式(19)满足假1-假设3，那么当δu(k)≠0时，一定存在一个伪偏导数φ(k)使其δy(k+1)＝φ(k)δu(k)，并且|φ(k)|≤b，其中b是一个常量。
[0150]
根据定理1，动态线性化模型可以表示为
[0151]
y(k+1)＝y(k)+φ(k)δu(k)
ꢀꢀ
(21)
[0152]
基于误差变化率[(y
*
(k+1)-y(k+1))-(y
*
(k)-y(k))]构建控制输入准则函数j(u(k))如式(22)：
[0153][0154]
其中，λ和β为惩罚因子，加入惩罚因子是为了让式(22)更具有一般性。
[0155]
其中，令t
1-t2＝t，
[0156]
令t
3-t4＝t，
[0157]
故对式(21)做近似等价，得到模型器中的改进紧格式数据模型如式(23)和式(24)：
[0158][0159][0160]
其中，u(k)为还原炉系统的控制指令输入值，y(k)为还原炉系统的温度输出值，t1为u(k)的控制周期(即控制时长)，t2为u(k-τ-1)的控制周期，t3为u(k-1)的控制周期，t4为u(k-τ-2)的控制周期，t为差值周期，τ为滞后时长，φ(k)为伪偏导数。引入差值周期t，通过增大控制输入的差值周期t，能提高还原炉系统的硅棒温度的控制精度和动态性能，且使还原炉系统的温度控制具有较高的稳定性。
[0161]
步骤202，将控制指令输入值u(k)输入模型器中。
[0162]
步骤203，将模型器(即还原炉系统)输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值输入控制还原炉系统的控制器(即图2所示的imfac控制器)，控制器包括第一计算器和第二计算器。
[0163]
其中，第一计算器用于根据式(25)计算出还原炉系统在k时刻的输入u(k)，而u(k)为对控制输入准则函数式(22)进行求导得到，即利用误差变化率与控制变化率为性能指标，对性能指标函数极小化求得的imfac控制器如式(25)：
[0164][0165]
其中，β＞0,λ＞0,为惩罚因子，ρ1、ρ2、ρ3∈(0,1]为步长因子，加入步长因子是为了让式(25)更具有一般性。y*(k+1)为k+1时刻期望输出温度，y(k)为k时刻实际的输出温度。
[0166]
此外，第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻而的获取步骤包括：
[0167]
构建伪偏导数估计准则函数j(φ(k))如式(26)：
[0168][0169]
其中，
[0170]
δu(k-1)＝u(k-1)-u(k-2-τ)
ꢀꢀ
(27)
[0171]
对伪偏导数估计准则函数式(26)求导，得到式(28)，
[0172][0173]
其中，μ为惩罚因子，η为步长因子。
[0174]
将式(27)代入式(28)整理得到伪偏导估计式(29)，
[0175][0176]
步骤204，将通过imfac控制器计算得到的u(k)作用于还原炉系统，预测出还原炉系统在k时刻实际的输出温度y(k)。
[0177]
步骤205，将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则将差值重新输入imfac控制器进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内，以使还原炉系统实际的输出温度趋近于期望输出温度，实现对还原炉系统的温度控制。
[0178]
可选地，还原炉系统的温度控制方法还包括：增大控制输入的差值周期t，得到控制精度和动态性能优于预设阈值。
[0179]
可选地，为使imfac控制器更具有代表性，还原炉系统的温度控制方法还包括：对式(25)引入参数重置机制并进行整理得到式(30)以替换式(25)。
[0180]
对式(25)引入参数重置机制：
[0181]
当或||δu(k-1)||≤ε或令
[0182]
并对式(25)进行简化整理，得到改进后的第一计算器，式(30)：
[0183][0184]
其中e(k)＝y
*
(k+1)-y(k)，
[0185]
e(k-1)＝y
*
(k)-y(k-1)，u(k)为第k时刻第一计算器的输出，作用于还原炉系统，预测出还原炉系统在k时刻实际的输出温度y(k)。φ(k)为伪偏导数，为伪偏导数估计值。
[0186]
本实施例的温度控制方法具有较高的控制精度和动态性能，为说明其效果，对imfac控制器的算法收敛性进行理论分析如下：
[0187]
假设4对某一给定的一致有界的系统期望输出信号y
*
(k)，对任意的当前k及以前时刻的系统(19)的输入和输出信号的数据，总存在一个一致有界的可控信号u
*
(k)并且使得系统在此输入可控信号的驱动下，其输出等于y
*
(k)。
[0188]
假设5对充分大的k以后及δu(k)≠0，系统(19)的伪偏导数满足φ(k)≥0,且只能在有限个k时刻上使φ(k)＝0。
[0189]
定理2在假设1～假设5满足的条件下，mfac算法式(29)～(30)应用于滯后非线性系统式(19)有：
[0190]
|y
*
(k+1)-y(k+1)|≤m|δu(k+τ)|，其中m是一个常量；当y
*
(k)＝const时，系统在选择适当ρ，μ，η后,存在一个正常数λ
min
且λ＞λ
min
，使得
[0191]
证首先证明伪偏导数有界性，令
[0192]
利用定理1、定理2，式(29)两边减去φ(k)得：
[0193][0194][0195]
适当得调整η,μ，使得式(33)成立：
[0196][0197]
由式(33)可知道有界，又定理1、定理2进一步可推出有界。
[0198]
现在：证明系统输入输出的稳定性、收敛性。
[0199]
e(k)＝y
*
(k+1)-y(k+1)
ꢀꢀ
(34)
[0200]
利用式(23)和式(24)得：
[0201][0202]
将式(35)、(34)代入式(30)中得到：
[0203]
e(k+1)＝(1-θ)e(k)+(1-θ)e(k-1)
ꢀꢀ
(36)
[0204]
即：
[0205]
e(k+1)≤|(1-θ)e(k)|+|(1-θ)e(k-1)|
ꢀꢀ
(37)
[0206]
选择适当ρ，μ，η后,存在一个正常数λ
min
且λ＞λ
min
后,0＜d1≤θ≤d2＜1。
[0207]
|e(k+1)|≤|(1-θ)e(k)|+|(1-θ)e(k-1)|
[0208]
≤(1-d1)2|e(k-1)|+(1-d1)2|e(k-2)|
[0209]
≤(1-d1)k|e(1)|+(1-d1)
k-1
|e(1)|
[0210]
＝((1-d1)k+(1-d1)
k-1
)|e(1)|
ꢀꢀ
(38)
[0211]
由于0＜d1＜1，故因此证明系统收敛。
[0212]
为进一步说明本实施例中控制方法的控制效果，对本发明实施例的方法进行仿真验证。
[0213]
从新疆某企业获得还原炉系统的历史运行数据，并计算得到还原炉系统模型：
[0214][0215]
设定期望输出温度yr＝1。其中，温度延时时间常数τg一般取5～12s。
[0216]
(1)对imfac控制器的惩罚因子λ的取值进行实验，首先对延时取值τg＝10，其他的步长因子和惩罚因子的取值均为1，ε＝10-5
。从图3的仿真效结果来看，当λ＝0.0001，t＝1.7时，系统响应快，无超调，在8s时候趋于稳定；当λ＝0.1，t＝1.1时，系统响应平稳，无超调，在15s时候趋于稳定；当λ＝1，t＝0.8时，系统响应慢，无超调，在54s时候趋于稳定。因此可以得出结论：当λ增大时，系统响应时间变慢，稳定时间变长。从图4的仿真结果来看，随着λ增大时，系统的输出误差逐渐增大；如果既要保证系统稳定性、快速性，又要保证系统准确
性的话，就要选取合适的惩罚因子λ并增大差值周期t。
[0217]
(2)利用本实施例的imfac控制器与传统的pi、pid控制器进行比较：首先在实验之前，对imafc控制器的参数进行选取：λ＝0.0001，其余的步长因子和惩罚因子取值为1；pi控制器的参数选取为k
p
＝0.001,ki＝1,kd＝0；pid控制器的参数选取为k
p
＝0.001,ki＝1,kd＝2；取延时τg＝10。从图5的仿真结果来看，imfac控制器的跟踪效果良好，快速性好，无超调，8s的时候系统趋于稳定；其次是pid控制器，快速性慢，要较长的时间才能达到所期望的效果；最后是pi控制器，效果非常差；从图6的仿真结果来看，imfac跟踪误差最小，其次pid跟踪误差相对较大，最后是pi控制器跟踪误差最大。
[0218]
为了进一步说明本实施例中控制方法的有效性，表1对本实施例所设计的控制方法与传统pi、pid控制方法的误差均方根性能进行了对比。
[0219]
表1
[0220]
控制方法误差均方根本实施例方法(λ＝0.0001)0.0003传统pi方法0.2278传统pid方法0.2345
[0221]
通过表1可知，本实施例提出的控制方法具有良好的控制效果，因此说明了本实施例的改进的mfac控制器的有效性，其也适用于时滞系统的在线控制。
[0222]
进一步地，为说明本实施例的控制方法的可行性，且得到实验数据来源于新疆某多晶硅企业实际数据，该企业的gbai-ics系统平台每0.05h采集一次数据，利用本实施例的控制方法对部分温度进行预测控制，得到预测温度控制曲线图如图7所示和预测温度控制曲线局部放大图如图8所示。由图7可以看出本实施例的控制方法和传统的pid控制方法能够很好的预测控制输出的温度；由图8可以看出本实施例的imfac控制方法基本上能够很好的预测输出的温度，并且取得了较好的控制精度与预测效果。
[0223]
本实施例提供的还原炉系统的温度控制方法，通过建立硅棒的电流与温度的第一模型，增加硅棒的恒温加热电源的第二模型，并组建了还原炉系统的双闭环控制系统；其次将误差变化率与控制变化率为性能指标，用伪偏导数在等价数据点处等价线性化，求得改进的无模型自适应控制器，该改进的无模型自适应控制器在线边建模边控制，算法小，容易实现；通过增大控制输入的差值周期，不仅能保证温度控制系统稳定性，还能提高系统对于温度控制的控制精度和动态性能。与传统的pid、pi控制方法比较，无论在跟踪控制方面，还是误差方面，本实施例的改进的无模型自适应控制方法的跟踪控制和误差均小，且imfac控制器中不包含还原炉系统的任何信息，故容易实现对非线性的、时滞的、强耦合的还原炉系统的温度进行控制。且算法分析和仿真结果表明本实施例的控制方法的有效性。
[0224]
实施例3：
[0225]
本实施例提供一种还原炉系统的温度控制装置，包括模型器和控制器。
[0226]
模型器，用于接收控制指令输入值u(k)，模型器中设有改进紧格式数据模型：
[0227][0228]
[0229]
其中，y(k)和u(k)分别为还原炉系统的温度输出值与控制指令输入值,τ为滞后时长，t＞0为差值周期，φ(k)为伪偏导数。
[0230]
控制器，用于接收模型器中输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值，所述控制器包括第一计算器和第二计算器：
[0231]
所述第一计算器用于根据式(25)计算出还原炉系统在k时刻的输入u(k)：
[0232][0233]
其中，β＞0,λ＞0,为惩罚因子，ρ1、ρ2、ρ3∈(0,1]为步长因子，y*(k+1)为k+1时刻期望输出温度，y(k)为k时刻实际的输出温度；
[0234]
所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻
[0235][0236]
其中，η∈(0,2]为步长因子，μ＞0为惩罚因子，为伪偏导数估计值；
[0237]
控制器，还用于将计算得到的u(k)作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)；
[0238]
并将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则重新接收所述差值进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内。
[0239]
可选地，控制器还包括改进模块。改进模块，用于对式(25)引入参数重置机制并进行整理得到式(30)以替换式(25)：
[0240]
改进模块用于对式(25)引入参数重置机制：
[0241]
当或||δu(k-1)||≤ε或令
[0242]
改进模块用于对式(25)进行简化整理，得到改进后的第一计算器，式(30)：
[0243][0244]
其中e(k)＝y
*
(k+1)-y(k)，
[0245]
e(k-1)＝y
*
(k)-y(k-1)，u(k)为第k时刻第一计算器的输出，作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)。
[0246]
可选地，控制器还包括调节模块。调节模块，与第一计算器和第二计算器连接，用于增大差值周期t，以得到控制精度和动态性能优于预设阈值。
[0247]
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种还原炉系统的温度控制方法，其特征在于，包括：将控制指令输入值u(k)输入模型器中，所述模型器中设有改进紧格式数据模型：输入值u(k)输入模型器中，所述模型器中设有改进紧格式数据模型：其中，y(k)和u(k)分别为还原炉系统的温度输出值与控制指令输入值，τ为滞后时长，t＞0为差值周期，φ(k)为伪偏导数；再将模型器中输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值输入控制还原炉系统的控制器，所述控制器包括第一计算器和第二计算器：所述第一计算器用于根据式(25)计算出还原炉系统在k时刻的输入u(k)：其中，β＞0,λ＞0,为惩罚因子，ρ1、ρ2、ρ3∈(0,1]为步长因子，y*(k+1)为k+1时刻期望输出温度，y(k)为k时刻实际的输出温度；所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻其中，η∈(0,2]为步长因子，μ＞0为惩罚因子，为伪偏导数估计值；将通过所述控制器计算得到的u(k)作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)；将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则将所述差值重新输入所述控制器进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内。2.根据权利要求1所述的还原炉系统的温度控制方法，其特征在于，所述方法还包括：建立模型器，所述建立模型器具体包括：建立还原炉系统模型；对还原炉系统模型进行动态线性化转换，得到所述改进紧格式数据模型。3.根据权利要求2所述的还原炉系统的温度控制方法，其特征在于，所述建立还原炉系统模型，具体包括：建立硅棒电流与温度的第一模型：
其中，硅棒两端的电压u0＝i0r、k为混合气体与周围介质的总传热系，d为硅棒直径，η为比例系数，c为还原炉内反应混合气体的热比容,g为还原炉内反应混合气体的质量，温度延时时间常数τ
g
一般取5～12s，v为硅棒体积，g、k、d随时间变化；建立硅棒恒温加热电源的第二模型：其中，其中，k
s
为晶闸管比例放大系数，t
s
为晶闸管惯性时间常量，取晶闸管失控平均滞后时间常量；根据第一模型和第二模型建立还原炉系统模型：其中，k
i
为积分系数，k
p
为比例系数。4.根据权利要求3所述的还原炉系统的温度控制方法，其特征在于，式(25)的获取步骤，具体包括：基于误差变化率[(y
*
(k+1)-y(k+1))-(y
*
(k)-y(k))]构建控制输入准则函数j(u(k))：j(u(k))＝[y
*
(k+1)-y(k+1)]2+β[(y
*
(k+1)-y(k+1))-(y
*
(k)-y(k))]2+λ[u(k)-u(k-τ-1)]2对控制输入准则函数j(u(k))求导，得到式(25)。5.根据权利要求4所述的还原炉系统的温度控制方法，其特征在于，式(28)的获取步骤，具体包括：构建伪偏导数估计准则函数j(φ(k))：对伪偏导数估计准则函数求导，得到式(28)。6.根据权利要求5所述的还原炉系统的温度控制方法，其特征在于，在通过所述控制器计算得到的u(k)作用于还原炉系统之后，所述方法还包括：增大差值周期t，得到控制精度和动态性能优于预设阈值。7.根据权利要求6所述的还原炉系统的温度控制方法，其特征在于，所述方法还包括对式(25)引入参数重置机制并进行整理得到式(30)以替换式(25)：对式(25)引入参数重置机制：当或||δu(k-1)||≤ε或令并对式(25)进行简化整理，得到改进后的第一计算器，式(30)：
其中e(k)＝y
*
(k+1)-y(k)，e(k-1)＝y
*
(k)-y(k-1)，u(k)为第k时刻第一计算器的输出，作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)。8.一种还原炉系统的温度控制装置，其特征在于，包括模型器和控制器，模型器，用于接收控制指令输入值u(k)，所述模型器中设有改进紧格式数据模型：模型器，用于接收控制指令输入值u(k)，所述模型器中设有改进紧格式数据模型：其中，y(k)和u(k)分别为还原炉系统的温度输出值与控制指令输入值,τ为滞后时长，t＞0为差值周期，φ(k)为伪偏导数；控制器，用于接收模型器中输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值，所述控制器包括第一计算器和第二计算器：所述第一计算器用于根据式(25)计算出还原炉系统在k时刻的输入u(k)：其中，β＞0,λ＞0,为惩罚因子，ρ1、ρ2、ρ3∈(0,1]为步长因子，y*(k+1)为k+1时刻期望输出温度，y(k)为k时刻实际的输出温度；所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻所述第二计算器用于根据式(28)计算出还原炉系统k时刻其中，η∈(0,2]为步长因子，μ＞0为惩罚因子，为伪偏导数估计值；控制器，还用于将计算得到的u(k)作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)；并将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则重新接收所述差值进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内。
9.根据权利要求8所述的还原炉系统的温度控制装置，其特征在于，控制器还包括改进模块，改进模块，用于对式(25)引入参数重置机制并进行整理得到式(30)以替换式(25)：改进模块用于对式(25)引入参数重置机制：当或||δu(k-1)||≤ε或令改进模块用于对式(25)进行简化整理，得到改进后的第一计算器，式(30)：其中e(k)＝y
*
(k+1)-y(k)，e(k-1)＝y
*
(k)-y(k-1)，u(k)为第k时刻第一计算器的输出，作用于所述还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)。10.根据权利要求9所述的还原炉系统的温度控制装置，其特征在于，控制器还包括调节模块，调节模块，与第一计算器和第二计算器连接，用于增大差值周期t，以得到控制精度和动态性能优于预设阈值。

技术总结

本发明公开一种还原炉系统的温度控制方法，包括：将控制指令输入值输入模型器中；再将模型器中输出的温度输出值y(k)与设定的期望输出温度y*(k+1)的差值输入控制还原炉系统的控制器，将通过控制器计算得到的控制指令输入值作用于还原炉系统，预测出其在k时刻实际的输出温度y(k)；将y(k)与y*(k+1)进行比较，如果差值超出了预设的误差阈值，则将所述差值重新输入所述控制器进行循环校正，直至差值在预设的误差阈值内。相应地，还提供温度控制装置。该温度控制方法可匹配控制非线性、大时滞性、强耦合作用的还原炉系统，并提高还原炉系统的硅棒温度的控制精度和动态性能，且使还原炉系统的温度控制具有较高的稳定性。的温度控制具有较高的稳定性。的温度控制具有较高的稳定性。