直拉单晶炉生长系统模型预测控制方法研究

论文摘要

晶体生长的主要目的是生长出外形均匀且内部品质满足要求的单晶体。在直拉法晶体生长过程中,主要是通过调节提拉速度和加热器温度跟踪目标曲线来实现晶体等径生长的。本文通过对晶体生长动态特性的理论推导,得到晶体半径响应方程,并结合实验经验,提出拉速控径系统近似为一个积分环节加纯滞后的系统。再通过设计辨识实验得到系统参数,用于建立控径系统的参数模型。通过研究传统单晶炉控制结构和原理得出单晶炉控制系统实质上是跟踪目标经验曲线的系统,并结合加热器串级控制结构和前馈控制技术来实现晶体等径生长的,因此跟踪目标曲线性能的好坏在很大程度上影响了晶体等径生长过程。本文设计得到了单晶炉晶体生长系统的开环阶跃响应,然后应用动态矩阵控制(DMC)方法来仿真跟踪给定目标曲线,性能上明显优于传统PID控制。考虑到基于非参数模型的动态矩阵控制在模型获取后不能再改变的不足,应用基于在线辨识参数模型的广义预测控制(GPC)方法,仿真长时间运行的直拉法晶体生长过程来检验跟踪设定曲线的能力。仿真结果表明应用DMC和GPC无论在抗干扰能力还是在跟踪代表拉速指令的斜坡曲线能力上,都比传统PID控制要好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 提拉法晶体生长简介
• 1.2 晶体直径控制原理
• 1.2.1 晶体生长系统的热平衡
• 1.2.2 直拉法晶体生长的几个重要参数
• 1.3 预测模型控制的提出
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 2 晶体生长模型
• 2.1 晶体半径的影响因素
• 2.2 晶体半径的响应方程
• 2.3 本章小结
• 3 等径控制的原理与方法
• 3.1 单晶炉控制系统结构
• 3.2 晶体生长的传统控制方法
• 3.2.1 加热器串级控制系统
• 3.2.2 提拉速度前馈跟踪技术
• 3.3 常规系统PID控制算法
• 3.4 本章小结
• 4 等径控制系统模型的辨识
• 4.1 等径控制系统预测模型获取
• 4.1.1 系统非参数模型
• 4.1.2 系统参数模型
• 4.2 控制模型结构辨识
• 4.2.1 利用行列式估计模型阶次原理
• 4.2.2 利用Akaike准则估计模型阶次原理
• 4.3 控制模型参数辨识
• 4.3.1 递推最小二乘原理及辨识结果
• 4.3.2 随机逼近法原理及辨识结果
• 4.4 本章小结
• 5 基于等径控制系统模型的预测控制研究与仿真
• 5.1 预测控制的研究方法
• 5.2 动态矩阵控制
• 5.2.1 预测模型
• 5.2.2 滚动优化
• 5.2.3 反馈校正
• 5.2.4 仿真结果
• 5.3 广义预测控制
• 5.3.1 广义预测控制的基本原理
• 5.3.2 Diophantine方程的递推求解及程序流程图
• 5.3.3 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献