一种LPCVD工艺生产环境的控制方法及其控制系统

摘要

本发明提供一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，包括：步骤S1，所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；步骤S2，所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；步骤S3，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述温度调节装置和真空度调节装置；步骤S4，所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度。

主权项

一种LPCVD工艺生产环境的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于LPCVD工艺生产环境的控制系统，所述控制系统包括密闭的反应腔室、反馈控制装置、G个温度控制子系统以及H个真空度控制子系统，G、H均为正整数；所述温度控制子系统包括温度传感器和与之对应的温度调节装置，所述真空度控制子系统包括真空度传感器和与之对应的真空度调节装置；所述控制方法包括：步骤S1，所述温度传感器采集所述反应腔室内的温度信息、所述真空度传感器采集所述反应腔室内的真空度信息；步骤S2，所述反馈控制装置获得所述温度信息和真空度信息，并根据所述温度信息和真空度信息计算得出反馈控制增益参数；步骤S3，所述反馈控制装置根据所述温度信息和对应的反馈控制增益参数生成温度控制信号，并发送至所述温度调节装置；所述反馈控制装置根据所述真空度信息和对应的反馈控制增益参数生成真空度控制信号，并发送至所述真空度调节装置；步骤S4，所述温度调节装置根据所述温度控制信号调节所述反应腔室内的温度；所述真空度调节装置根据所述真空度控制信号调节所述反应腔室内的真空度；其中，所述步骤S2中，将温度信息和真空度信息作为子系统的状态变量，通过反馈控制的抽象数学算法得到反馈控制增益参数,具体包括：步骤S201，设所述反应腔室内共有N个子系统，所述子系统由G个温度控制子系统和H个真空度控制子系统组成，N＝G+H；步骤S202，设所述子系统的状态变量公式为：$x_i(t+1)=A_i{x}_i\left(t\right)+B_i{u}_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\ne i}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right),i,j=1,2,...,N---\left(1\right)$其中，x_i(t+1)表示在t+1时刻的第i个子系统的状态变量，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统的状态变量，x_j(t)表示t时刻的第j个子系统的状态变量，所述子系统的状态变量表示所述温度信息或者所述真空度信息；A_i表示第i个子系统输入矩阵，B_i表示第i个子系统控制矩阵，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，表示第i个子系统和第j个子系统的联接项，i、j均为正整数且i≠j；步骤S203，设反馈控制器公式为：u_i(t)＝‑K_ix_i(t)   i＝1,2,…,N           (2)其中，u_i(t)表示第i个子系统的控制输入，x_i(t)表示t时刻的第i个子系统状态变量，K_i表示第i个子系统的反馈控制增益参数；所述第i个子系统将所述控制输入u_i(t)反馈回所述第i个子系统的输入端，对第i个子系统进行反馈控制；步骤S204，把所述反馈控制器公式(2)带入所述子系统的状态变量公式(1)，得到如下公式：$x_i(t+1)=\left(A_i-B_i{K}_i\right)x_i\left(t\right)+\underset{j=1,j\ne i}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_{ij}{x}_j\left(t\right),i,j=1,2,...,N---\left(3\right)$步骤S205，选取Lyapunov函数为：$V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(4\right)$其中，P_i表示能够使所述第i个子系统稳定的对称正定矩阵；表示第i个子系统的状态变量；T代表矩阵的转置；使所述Lyapunov函数中的变量V(t)对时间差分，得到如下公式：$\Delta V\left(t\right)=V(t+1)-V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i^T(t+1)P_i{x}_i(t+1)-\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i^T\left(t\right)P_i{x}_i\left(t\right)---\left(5\right)$步骤S206，把公式(3)带入公式(5)，得到如下公式：$\begin{array}{c}\Delta V\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i^T\left(t\right)\left[G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}-P_i\right]x_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1,k\ne i}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i^T\left(t\right)G_{ik}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ +\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1,j\ne i}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_j^T\left(t\right)A_{ik}^T{P}_i{G}_{ii}{x}_i\left(t\right)+\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{j=1,j\ne i}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1,k\ne j}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_j^T\left(t\right)A_{ij}^T{P}_i{A}_{ik}{x}_k\left(t\right)\\ \le N\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{x}_i^T\left(t\right)\left[G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\ne i}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_{ij}^T{P}_j{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i\right]x_i\left(t\right)\end{array}---\left(6\right)$其中，G_ii＝A_i‑B_iK_i；步骤S207，当公式(6)的不等式右边的部分算式是负定时，使闭环的所述控制系统稳定，得到所述控制系统稳定的条件为：$G_{ii}^T{P}_i{G}_{ii}+\underset{j=1,j\ne i}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_{ij}^T{P}_j{A}_{ij}-\frac{1}{N}{P}_i<0---\left(7\right)$步骤S208，对上述公式(7)利用Schur分解方法求得如下公式：$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{P}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -P_i^{-1}& 0\\ {\underset{‾}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{‾}{P}}_i^{-1}\end{array}\right]<0---\left(8\right)$其中，*代表公式(8)中矩阵的对称项；${\underset{‾}{A}}_{ij}={[A_{1j}^T,...,A_{\left(i-1\right)j}^T,A_{\left(i+1\right)j}^T,...A_{Nj}^T]}^T;$${\underset{‾}{P}}_i^{-1}=diag[P_1^{-1},...,P_i^{-1},P_{i+1}^{-1},...,P_{iN}^{-1}];$diag表示对角阵；步骤S209，设对所述公式(8)的不等式左右同时乘以$\mathrm{diag}\left[\begin{array}{cc}{P}_i^{-1}& I...I\end{array}\right],$得到如下公式：$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{‾}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{‾}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(9\right)$其中，${\underset{‾}{X}}_i=diag[X_1^{-1},...,X_i^{-1},X_{i+1}^{-1},...,X_{iN}^{-1}];$骤S210，设M_i＝K_iX_i，将所述公式(9)改写为：$\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{N}{X}_i& *& *\\ A_i{X}_i-B_i{K}_i& -X_i& 0\\ {\underset{‾}{A}}_{ij}& 0& -{\underset{‾}{X}}_i\end{array}\right]<0---\left(9\right)$利用MATLAB的LMI工具对上述公式(10)求解，得到状态变量矩阵X，进而可求得使闭环的子系统稳定的矩阵P和反馈控制增益参数K_i。