基于藍寶石加熱爐的溫度控制系統(tǒng)

劉銀法， 倪 屹

(江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇無錫214122)

近年來，藍寶石晶體的需求量大幅度增加，致使藍寶石的研究和生產(chǎn)具有良好的發(fā)展前景［1］。然而，由于晶體生長過程中的不穩(wěn)定性，導致晶體不能大規(guī)模生產(chǎn)或者出現(xiàn)各種缺陷，難以滿足市場的要求。這種不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在不能對溫度實現(xiàn)精確控制，故無法采用溫度梯度法還是其他方法生長藍寶石晶體。因此，探討高精度的溫度控制就顯得尤為重要。

影響溫度控制的因素可以簡單地分為電氣設(shè)備和控制策略兩部分。傳統(tǒng)的晶體生長爐使用的是可控硅電源，它體積笨重、輸入功率因素低、對電網(wǎng)電磁干擾大等缺點并不適合藍寶石加熱爐，文中使用的移相全橋電源則有它不可比擬的優(yōu)點，如更加省電，效率跟高，體積小等，這些為溫度控制提供了良好的電氣環(huán)境。另外，工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用PID控制策略，但常規(guī)PID因為控制算法過于簡單，僅僅適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。考慮到藍寶石加熱爐的大滯后性、時變性、非線性和無法獲取精確數(shù)學模型等特點，文中將模糊控制和常規(guī)PID控制器相結(jié)合，這樣就既有模糊控制無需精確數(shù)學模型、控制靈活、魯棒性強，又有PID控制精度高的特點。仿真實驗表明，這種控制策略對加熱爐溫度控制更加有效。

1 晶體爐溫控系統(tǒng)的組成部分

晶體爐的溫控系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 晶體爐溫控系統(tǒng)組成部分Fig.1 Crystal furnace temperature control system

圖1 中晶體爐的主要控制系統(tǒng)是AI智能儀表，移相全橋電源提供電壓電流，另外還有晶體爐、溫度傳感器等幾部分組成。

AI智能儀表采集電流傳感器的模擬量信號(此值與晶體爐內(nèi)溫度成線性關(guān)系)，根據(jù)測量值和設(shè)定值進行PID調(diào)節(jié)，輸出給移相全橋電源，進而保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定;在此基礎(chǔ)上通過模擬量的輸出改變移相角度以控制功率的大小，實現(xiàn)晶體生長爐的溫度控制。

2 控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)配置

在晶體爐中控制系統(tǒng)使用宇電所生產(chǎn)的AI智能溫度調(diào)節(jié)器，它包含高通用性的硬件主板(I/O接口及模塊插座、顯示接口插座、A/D轉(zhuǎn)換單元及電源單元)，通過安裝不同的軟件及CPU、輸入 /輸出模塊及顯示界面，即能適應(yīng)多種不同功能的過程儀表控制要求，具有無超調(diào)、高精度、參數(shù)確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。

在使用過程中，AI調(diào)節(jié)器結(jié)合PID調(diào)節(jié)、自學習及模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)了自整定/自適應(yīng)功能，做到完成無超調(diào)的精確調(diào)節(jié)，性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器。

在實現(xiàn)溫度控制的環(huán)節(jié)中，溫度傳感器是提供溫度參數(shù)的一個重要介質(zhì)。文中溫度傳感器利用德國IMPAC生產(chǎn)的雙色ISQ5紅外測溫儀。晶體爐需要兩個紅外測溫儀進行測溫，分別放置于爐壁上下的兩個測溫口。

其工作方式是測溫儀模擬量輸出4～20 mA給控制器顯示溫度，達到測溫效果。由于實驗采用溫度梯度法生長藍寶石，根據(jù)其特性設(shè)計的石墨加熱元件，上下存在溫差，利用兩個測溫儀實時監(jiān)測，上溫控儀起著顯示觀察作用，而下測溫儀進行實時溫度控制。

2.2 控制流程

根據(jù)晶體爐的控制要求，得到圖2所示的系統(tǒng)控制流程。

圖2 系統(tǒng)控制流程Fig.2 Flow chart of system control

2.3 模糊PID控制算法

由于晶體爐溫度有很大的慣性和一定的滯后性，其滯后效應(yīng)是影響控制效果的主要因素。系統(tǒng)滯后時間越大，常規(guī)PID控制器要獲得理想的控制效果就越困難，而模糊控制不需要掌握精確的數(shù)學模型，過程的動態(tài)響應(yīng)優(yōu)于常規(guī)PID控制，對被控對象的非線性何時變性具有一定的適應(yīng)能力。因此，將模糊控制與PID控制器結(jié)合能揚長補短，達到良好的控制效果。

2.3.1 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模糊PID控制器是一種在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊集合理論，根據(jù)控制偏差和偏差變化率在線自動調(diào)整比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的模糊控制器［2］。對于加熱爐系統(tǒng)，采用二輸入三輸出的形式:以溫度偏差 e和偏差變化率 ec作為輸入量，以 ΔKP，ΔKI，ΔKD作為輸出，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊PID控制結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a fuzzy-PID controller

2.3.2 模糊PID控制規(guī)則 常規(guī)PID控制的函數(shù)表達式為［3］

將模糊規(guī)則和常規(guī)PID控制結(jié)合，通過圖3也可以看出，其函數(shù)表達式為

式中:kP，kI，kD為初始的PID參數(shù);ΔKP，ΔKI，ΔKD為經(jīng)過模糊規(guī)則調(diào)整的PID參數(shù)。

溫度控制器將紅外測溫儀采樣得到的溫度信號與系統(tǒng)的溫度設(shè)定值進行比較，得到系統(tǒng)的溫度偏差 e與偏差變化率 ec，以此作為輸入，ΔKP，ΔKI，ΔKD3個PID調(diào)節(jié)參數(shù)的變化量作為輸出。將e，ec和ΔKP，ΔKI，ΔKD的變化范圍都定義為模糊集合上的論域:{－ 6，－ 5，－ 4，－ 3，－ 2，－ 1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集 e，ec和 ΔKP，ΔKI，ΔKD={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，e，ec和 ΔKP，ΔKI，ΔKD均服從三角形隸屬函數(shù)曲線分布。

結(jié)合理論分析以及參數(shù)KP，KI，KD對系統(tǒng)輸出特性的影響關(guān)系，在不同的|e|和|ec|時，被控對象對參數(shù) KP，KI，KD的自整定規(guī)則為［4－6］:

1)當|e|較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時避免e突然變大可能引起的微分過飽和，故取較大的KP和較小的KD。為防止積分飽和，一般去掉積分作用，即取KI=0。

2)當|e|和|ec|中等大小時，為使系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)減少，取較小的KP;為保證響應(yīng)速度，KI和KD應(yīng)取適當值。

3)當|e|較小時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，可取較大的KP和KI;同時為防止系統(tǒng)在設(shè)定值左右出現(xiàn)振蕩，取合適的KD值。當|ec|較小時，KD取中等大小;當|ec|較大時，KD取較小值。

由以上規(guī)則以及工程設(shè)計人員的技術(shù)和實際操作經(jīng)驗可作出針對KP，KI，KD3個參數(shù)的模糊控制規(guī)則表，直接引用并存入微機存儲器中。系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則結(jié)果處理，查表和運算，對KP，KI，KD自動調(diào)整，可達到PID參數(shù)自整定效果。

2.3.3 仿真實驗 由于被控對象為電阻加熱爐的溫度控制系統(tǒng)，是一個非線性、大滯后性、時變性等的復雜系統(tǒng)，可以用一階慣性滯后環(huán)節(jié)描述溫控對象的數(shù)學模型。溫控模型的傳遞函數(shù)表示為

文中實驗是在Matlab/Simulink環(huán)境下對模糊PID控制進行的仿真，利用模糊邏輯工具箱建立模糊控制的模糊推理系統(tǒng)，模糊推理用Mamdani法，隸屬函數(shù)類型為三角形，解模糊采用centroid法，并利用Toolbox分別搭建模糊PID控制器和常規(guī)PID控制器［7］。溫度數(shù)學模型參數(shù)取 k=2.8，T=178，τ=40。在仿真實驗中對各輸入?yún)?shù)模糊化處理，取 e和 ec的量化因子為 ke=0.1，kec=0.4，比例因子均取 0.1。初始的 PID參數(shù)的確定采用Ziegler-Nicholas整定法得到臨界比例增益Km和臨界周期Tm;再利用經(jīng)驗公式:

KP=0.6Km，KI=1.2Km/Tm，KD=0.075KmTm得到

KP=1.662，KI=0.0277，KD=24.93。模糊PID控制和常規(guī)PID控制仿真曲線如圖4所示。

圖4 模糊PID和常規(guī)PID曲線比較Fig.4 Comparison of the fuzzy PID and the conventional PID

由圖4可以看出，常規(guī)PID曲線超調(diào)量大，調(diào)整時間長;而模糊PID控制可有效抑制超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差為零，有良好的控制精度，顯著改善了系統(tǒng)控制效果，即可以通過功率的變化體現(xiàn)控制效果。

2.4 移相全橋電源

藍寶石加熱爐使用的電源是移相全橋ZVS軟開關(guān)電源，因為移相全橋電路工作簡單可靠、不需要其他的輔助電路、變壓器功率利用率高、易實現(xiàn)軟開關(guān)，在中大功率應(yīng)用場合受到普遍重視。

實驗中使用石墨加熱器，根據(jù)石墨加熱器的加熱原理石墨加熱器采用低電壓大電流使加熱器自身發(fā)熱，所以電源設(shè)計0～30 V，0～3 000 A可調(diào)電源。這樣充分利用石墨加熱器的特性，同時滿足藍寶石加熱環(huán)境。電源的系統(tǒng)框架如圖5所示。

由圖5可知，控制器根據(jù)溫度傳感器的檢測和反饋給定輸出信號，同時驅(qū)動IGBT波形的移相角控制輸出功率的大小，從而實現(xiàn)晶體爐溫度的控制。

3 溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)

控制系統(tǒng)的完美運行是晶體生長的關(guān)鍵所在，整個系統(tǒng)的調(diào)試運行都是在實驗室完成的。

在安裝好電源系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等的前提下，調(diào)試運行控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)中每一個功能使之達到系統(tǒng)要求。在不同的階段可以用不同的溫度控制方式。如在加熱，退火等階段可以用功率控制的方式，在生長階段用溫度控制方式。圖6為晶體加熱生長及降溫程序。

圖5 電源系統(tǒng)框架Fig.5 Diagram of the power system

圖6 晶體加熱生長及降溫程序Fig.6 Crystal growth and cooling processes

圖6 是不同階段所需不同的功率，表1為晶體生長過程中各個階段實際測量的數(shù)值。圖中只取重要的溫度節(jié)點，經(jīng)過長時間的觀察，PID調(diào)節(jié)器自整定后的參數(shù)不一定滿足控溫的要求，再經(jīng)過多次的實驗完善參數(shù)配置以達到最優(yōu)的結(jié)果。

4 結(jié)語

文中藍寶石爐的溫控系統(tǒng)是基于溫梯法上的研究，其簡易的操作步驟有別于其他方法的晶體生長［8］。由多次實驗數(shù)據(jù)表明，整個系統(tǒng)的控制精度高，可達到2 000±0.2℃，且控制速度平穩(wěn)，振蕩小，超調(diào)小，對于藍寶石晶體生長是較為理想的溫控系統(tǒng)。

表1 晶體生長實際測量值Tab.1 Measured value of crystal growth

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［8］范志剛，劉建軍，肖昊蘇，等.藍寶石單晶的生長技術(shù)及應(yīng)用研究進展［J］.硅酸鹽學報，2011，39(5):880-891.FAN Zhigang，LIU Jianjun，XIAO Haosu，et al.Research progress growth technique and application of sapphire single crystal［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2011，39(5):880-891.(in Chinese)

(責任編輯:邢寶妹)