一种基于模糊控制的HVPE温度控制系统及方法

一种基于模糊控制的hvpe温度控制系统及方法
技术领域
1.本公开涉及氢化物气相外延材料生长技术领域，特别是涉及一种基于模糊控制的hvpe温度控制系统及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着半导体工业技术的发展，半导体工业材料生长领域的产品不断更新，生长过程对温度场控制要求越来越高，加热炉在半导体材料生长领域，尤其是在氢化物气相外延(hvpe)材料生长领域中被广泛应用。其关键技术是保证加热炉的温场恒定和高精度控制。
4.在大尺寸hvpe生长设备中，由于反应室和衬底尺寸扩大，导致流场涡流和预反应的形成和增强，使得大尺寸gan衬底更难均匀、稳定和高质量生长。
5.其次，现有加热炉存在温度均匀性较差(温度梯度很大)、加热精度控制低、控温方式不合理等缺陷，在温度控制过程中，存在大滞后、强耦合、未知干扰和不确定性等非线性控制问题。
6.最后，由于hvpe设备温度控制过程中涉及多个加热温区，加上温度测量元件和电阻加热炉温度传导引起的延迟，使其温度控制存在超调过大、温度控制精度低和调节时间过长等问题。


技术实现要素：

7.为了解决上述问题，本公开提出了一种基于模糊控制的hvpe温度控制系统及方法，提出基于plc、温控电路以及模糊自适应整定pid控制的氢化物气相外延hvpe设备加热炉温度控制系统，针对hvpe设备加热炉温度控制过程采用模糊控制与pid控制相结合的模糊自适应整定pid控制方法，提高控制精度，使生长区域温场温度保持均匀、稳定。
8.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
9.第一方面，本公开提供一种基于模糊控制的hvpe温度控制系统，包括：加热子系统、控制子系统和plc子系统；
10.所述加热子系统包括至少两组温区，所述温区内设置加热模块和温度传感器，所述温度传感器将采集的温区的温度信号经a/d转换后传输到plc子系统；
11.所述plc子系统通过比较温区在加热期间的实际温度值与预设温度值，结合基于模糊自适应控制算法计算温度控制量，输出温度控制信号通过d/a转换发送到控制子系统；
12.所述控制子系统包括自动控温电路，所述自动控温电路与加热模块连接，通过接收的温度控制信号调节加热模块的加热功率，结合加热模块的种类和加热方式，控制温区的温度在预设温度范围内。
13.作为可能的一些实现方式，所述plc子系统包括pid控制器，每个温区设有独立的pid控制器，pid控制器以温度偏差e和偏差变化率e
c
作为输入，输出为pid控制参数的调整
量δk
p
，δk
i
和δk
d
，pid控制器参数的实时校正公式如下：
[0014][0015]
其中，k
p
—比列系数，k
i
—积分系数，k
d
—微分系数，k
p0
，k
i0
，k
d0
为pid控制器的初始值。
[0016]
作为可能的一些实现方式，通过设计模糊规则表对pid控制参数进行自适应调节。
[0017]
作为可能的一些实现方式，所述加热子系统的反应腔体采用立式圆形腔体，加热方式采用环状电阻片加热，加热子系统与气体引入方式呈近似轴对称结构，在反应腔体内形成较大容积的立体对称聚焦型加热空间。
[0018]
作为可能的一些实现方式，所述温区至少包括镓源区ⅰ和生长区ⅱ，其他温区作为辅助控制温区；相邻两组温区设有绝热挡板，所述绝热挡板用来减小加热单元的相互影响，消除烟囱效应。
[0019]
作为可能的一些实现方式，所述自动控温电路包括由可控硅调功器和变压器串联组成的电路，自动控温电路接收温度控制信号，通过改变可控硅调功器占空比大小控制加热模块的加热功率。
[0020]
作为可能的一些实现方式，该系统还包括上位机监控子系统，所述上位机监控子系统与plc子系统连接，显示温度控制界面，并以曲线或表格形式显示系统运行状态。
[0021]
第二方面，本公开提供一种基于模糊控制的hvpe温度控制方法，包括：
[0022]
温区内温度传感器采集温区的温度信号，并将其经a/d转换后传输到plc子系统；
[0023]
plc子系统接收温度信号，通过比较温区在加热期间的实际温度值与预设温度值，结合基于模糊自适应控制算法计算温度控制量，输出温度控制信号通过d/a转换发送到控制子系统；
[0024]
控制子系统中自动控温电路接收的温度控制信号，通过与温区内加热模块连接，调节加热模块的加热功率，结合加热模块的种类和加热方式，控制温区的温度在预设温度范围内。
[0025]
第三方面，本公开提供一种hvpe设备，包括加热炉体、控制柜和plc子系统，
[0026]
所述加热炉体包括至少两组温区，所述温区内设置加热模块和温度传感器，所述温度传感器将采集的温区的温度信号经a/d转换后传输到plc子系统；
[0027]
所述plc子系统通过比较温区在加热期间的实际温度值与预设温度值，结合基于模糊自适应控制算法计算温度控制量，输出温度控制信号通过d/a转换发送到控制柜；
[0028]
所述控制柜包括自动控温电路，所述自动控温电路与加热模块连接，通过接收的温度控制信号调节加热模块的加热功率，结合加热模块的种类和加热方式，控制温区的温度在预设温度范围内。
[0029]
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
[0030]
本公开的hvpe设备的反应腔体采用立式圆形腔体，将加热炉体分为5个温区，加热方式采用环状电阻片加热，加热系统与气体引入方式呈近似轴对称结构，在加热炉中空腔室内形成较大容积的立体对称聚焦型加热空间，使生长区域温场温度保持均匀、稳定；
[0031]
控制策略方面，本公开针对hvpe设备加热炉温度控制过程采用模糊控制与pid控
制相结合的模糊自适应整定pid控制方法，通过控制算法的优化对大滞后的系统状态进行自适应预测控制，从而提高控制精度，实现高质量gan的长时间稳定生长；
[0032]
本公开的模糊自适应整定pid控制方法具有更快的响应时间、更短的调节时间和更小的超调量，在一定程度上可以克服干扰影响，与传统pid控制相比，具有更小的超调量、更短的调节时间以及更好的鲁棒性，明显提高了温度控制精度，较好地满足了hvpe工艺材料生长的要求。
附图说明
[0033]
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0034]
图1为hvpe设备加热炉温度控制系统硬件结构框图；
[0035]
图2为hvpe设备加热炉结构图；
[0036]
图3为hvpe设备温度控制界面；
[0037]
图4为单温区模糊自适应整定pid控制器结构图；
[0038]
图5为δkp/δki/δkd的模糊规则表；
[0039]
图6为传统pid和模糊自适应整定pid控制仿真模型；
[0040]
图7为传统pid控制和模糊pid控制的仿真结果；
[0041]
图8为在5300s将相同的脉冲干扰信号添加给两个温度控制系统，传统pid控制和模糊pid控制的仿真结果；
[0042]
图9为设定温度为980℃时传统pid控制和模糊pid控制的实时温度曲线。
具体实施方式：
[0043]
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
[0044]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0045]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0046]
实施例1，如图1所示为hvpe设备加热炉温度控制系统的硬件结构框图，
[0047]
加热炉体采用立式整体非开合式结构，两端开口，有固定支架可固定于设备框架上。控制部分集中在一个控制柜内，由功率控制系统和温度控制系统组成。在炉体各温区均设置多个加热模块以及内置温度传感器，且分别与采用可控硅调功器、变压器等电气元件组成的串级自动控温电路连接，通过自动控温电路合理调节各加热模块的加热功率，结合在加热温区中设置的加热模块的种类及加热方式，将每一个温区的温度独立、精密控制在预设温度范围，因此，炉内温场内的温度分布均匀稳定，满足hvpe设备的控制要求；
[0048]
加热模块的种类包括电阻丝加热、电感加热、射频加热等，加热方式采用环状电阻片加热。
[0049]
上位机监控界面采用组态王软件设计的系统监控画面，与plc通讯，根据工艺要求设定各温区温度，在其内部各温区设置温度传感器，收集到的温度信号经a/d转换后进入plc，plc通过比较加热期间实际温度值与设定值，结合模糊控制算法计算出控制量，然后输出信号通过d/a转换发送到可控硅调功器，通过改变其占空比大小来控制电阻炉加热功率，实现加热控制。
[0050]
hvpe技术是目前制备gan自支撑衬底最有效的方法。hvpe设备主要包括气路系统、加热炉、反应室和检测及控制系统等几个部分。加热炉主要是对反应发生的衬底进行加热，提供反应所需要的温度，必须满足均匀加热，快速升温和冷却，以及温度稳定时间短的要求。
[0051]
加热炉体至少分为2组温区，在本实施例中，将加热炉体分为5组温区，其中镓源区(ⅰ)温度最高1000℃，生长区(ⅱ)温度500-1100℃，其他温区为辅助控制，保证温区ⅰ和温区ⅱ相互不干扰，即温区ⅰ温度保持在850-900℃时，温区ⅱ可在500-800℃保持稳定至少30分钟，整套系统能够长时间持续运行，进行厘米级大尺寸gan体单晶材料的生长。
[0052]
在本实施例中，hvpe设备主要由加热炉体、温度控制两部分组成整机系统，加热炉体可包含外径210mm的石英管，由5组加热单元组成，从上到下总有效高度为900mm，每相邻两区有绝热挡板以减小温区相互影响，同时消除烟囱效应。加上上下两端绝缘层，设备整体高度不高于1100mm。加热炉示意图如图2所示。
[0053]
上位机设计如图3所示，上位机界面设计使用组态王来实现，温度控制界面主要在实际运行中更直观地展现温度数据，以曲线或表格形式显示系统运行状态，便于实验人员后期处理分析；此外还包括启动按钮、停止按钮、参数设置、历史数据及返回主界面按钮。
[0054]
模糊pid控制算法系统模型的建立，经过理论分析及实验验证，在阶跃输入的影响下hvpe设备加热炉具有自平衡能力和非振荡特性，其传递函数可以通过比例环节、一阶惯性环节和一个延迟环节来近似，可近似表示为：
[0055][0056]
其中，k—静态增益，τ—延迟时间，t—惯性时间常数，g(s)—传递函数，s—状态变量的拉普拉斯变换因子。
[0057]
单温区自适应模糊pid控制器设计：hvpe设备加热炉单温区自适应模糊pid控制器采用二维输入和三维输出，利用matlab软件fuzzy logic toolbox进行构建。pid控制器以温度偏差e和偏差变化率e
c
作为输入，输出为pid控制参数的调整量δk
p
，δk
i
和δk
d
，pid控制器参数的实时校正公式如下：
[0058][0059]
其中，k
p
—比列系数，k
i
—积分系数，k
d
—微分系数，k
p0
，k
i0
，k
d0
为pid控制器的初始值，一般通过试凑法得到。
[0060]
hvpe设备加热炉共有5个温区，每个温区配有独立的模糊自适应整定pid控制器，其结构如图4所示。
[0061]
依据实际控制需求，模糊变量e、e
c
，输出量δk
p
、δk
i
和δk
d
均采用7段式模糊语言值{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}，分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中和正大。根据实际设备实验数据将e,ec的模糊论域设为[-6,6]，划分为7个等级，即e,ec＝{-6，-4,-2,0,2,4,6}；δk
p
,δk
i
,δk
d
的模糊论域分别为[-0.3,0.3]，[-0.06,0.06],[-5,5]，划分等级与e,ec相同；模糊控制的关键在于设计合适的模糊规则表，由专家经验和现场调试情况得到模糊控制器的控制规则如图5所示；
[0062]
每个变量均采用三角形隶属度函数，模糊推理选取mamdani推理法，清晰化方法采用面积重心法。
[0063]
模糊自适应整定pid控制器仿真结果及分析：
[0064]
为验证所建控制器的有效性，通过matlab模糊逻辑工具箱建立上述模糊推理系统，在simulink环境下对系统传递函数进行仿真分析；通过matlab拟合工具箱拟合实际工程数据，近似得到传递函数参数：k＝14，t＝380，τ＝75，即hvpe设备加热炉温度控制模型的传递参数为
[0065]
在实验中，仿真温度值设定为1000℃，分别采用传统pid控制和模糊自适应整定pid控制，对加热炉温度控制系统进行仿真，采用simulink工具构建仿真模型，如图6所示；
[0066]
通过ziegler-nichols方法整定，传统pid控制与模糊自适应整定pid的控制参数初值均取：k
p0
＝0.012，k
i0
＝0.00009，k
d0
＝4。两者仿真结果如图7所示；
[0067]
由图7可发现，在稳态误差小于1％的情形下，传统的pid控制在控制过程中的超调量为3.1％，调节时间为4100s；而模糊自适应整定pid控制的超调量为0.04％，调节时间为1700s。相比于传统pid控制，模糊自适应整定控制具有更快的响应时间、更短的调节时间和更小的超调量。
[0068]
在5300s将相同的脉冲干扰信号添加给两个温度控制系统，仿真结果如图8所示；由图8可发现，模糊自适应整定pid控制一定程度上可以克服干扰影响，与传统pid控制相比，其最大超调量要小得多，且调节时间短，提高了系统的抗干扰能力；
[0069]
综上可知，从理论上讲本公开设计的单温区模糊自适应整定pid控制器能达到控制要求，且仿真结果表明该控制器的控制效果优于传统的pid控制器。
[0070]
在现场调试实验过程中通过上位机监控画面观察模糊pid控制下炉温的变化情况，将温度数据点绘制成动态曲线进行显示。图9为单温区设定为980℃时传统pid控制和模糊pid控制的实时温度曲线，可发现采用模糊pid控制时炉温上升阶段曲线平滑、波动较小，温度变化基本同步；此外，应用模糊自适应整定pid控制的hvpe设备生长出的gan材料质量良好，表明模糊自适应整定pid控制是可以用于hvpe设备加热炉温度控制系统的，且控制效果优于传统pid控制。
[0071]
本公开对现有的hvpe生长设备进行改进，反应腔体采用立式圆形腔体，将加热炉体分为5个温区，加热方式采用环状电阻片加热，加热系统与气体引入方式呈近似轴对称结构，在加热炉中空腔室内形成较大容积的立体对称聚焦型加热空间，使生长区域温场温度保持均匀、稳定；
[0072]
在控制策略方面，传统的pid控制适应性差，控制效果很不理想，导致gan基材料生长质量不高，近年来模糊控制逻辑在自动控制领域应用很成功，它利用人类专家控制经验，
能够实现对非线性、复杂对象的高性能控制。因此，本公开针对hvpe设备加热炉温度控制过程采用模糊控制与pid控制相结合的模糊自适应整定pid控制方法，以期可以提高控制精度，实现高质量gan的长时间稳定生长。
[0073]
本公开根据自制hvpe设备工艺要求，对其温度控制系统进行研究分析，将模糊控制思想与传统pid控制相结合，通过plc编程控制设计了一套hvpe生长设备加热炉的智能温度控制系统。仿真结果及实际现场实验效果表明，相比于传统的pid控制，采用模糊pid控制的系统具有更小的超调量、更短的调节时间以及更好的鲁棒性，明显提高了温度控制精度，较好地满足了hvpe工艺材料生长的要求。
[0074]
实施例2，本公开提供一种基于模糊控制的hvpe温度控制方法，包括：
[0075]
温区内温度传感器采集温区的温度信号，并将其经a/d转换后传输到plc子系统；
[0076]
plc子系统接收温度信号，通过比较温区在加热期间的实际温度值与预设温度值，结合基于模糊自适应控制算法计算温度控制量，输出温度控制信号通过d/a转换发送到控制子系统；
[0077]
控制子系统中自动控温电路接收的温度控制信号，通过与温区内加热模块连接，调节加热模块的加热功率，结合加热模块的种类和加热方式，控制温区的温度在预设温度范围内。
[0078]
所述plc子系统包括pid控制器，每个温区配有独立的pid控制器，pid控制器以温度偏差e和偏差变化率e
c
作为输入，输出为pid控制参数的调整量δk
p
，δk
i
，δk
d
，pid控制器参数的实时校正公式如下：
[0079][0080]
其中，k
p
—比列系数，k
i
—积分系数，k
d
—微分系数，k
p0
，k
i0
，k
d0
为pid控制器的初始值。
[0081]
实施例3，本公开提供一种hvpe设备，包括加热炉体、控制柜和plc子系统，
[0082]
所述加热炉体包括至少两组温区，所述温区内设置加热模块和温度传感器，所述温度传感器将采集的温区的温度信号经a/d转换后传输到plc子系统；
[0083]
所述plc子系统通过比较温区在加热期间的实际温度值与预设温度值，结合基于模糊自适应控制算法计算温度控制量，输出温度控制信号通过d/a转换发送到控制柜；
[0084]
所述控制柜包括自动控温电路，所述自动控温电路与加热模块连接，通过接收的温度控制信号调节加热模块的加热功率，结合加热模块的种类和加热方式，控制温区的温度在预设温度范围内。
[0085]
以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0086]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。