[發明專利]控制運算設備和方法

有效

• 申請號: 00129933.6
• 申請日: 2000-10-18
• 公開（公告）號: CN1293395A
• 公開（公告）日: 2001-05-02
• 發明（設計）人: 田中雅人
• 申請（專利權）人: 株式會社山武
• 主分類號: G06F7/00
• 分類號: G06F7/00
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司
• 代理人: 蹇煒

本發明涉及一種控制運算設備，該設備根據一設定點與一受控變量之間的誤差(偏差)來計算一受操縱變量(a?manipulatedvariable)而進行比方說PID(比例、積分和差分)控制或IMC(內部模型控制)，本發明特別涉及一種控制運算設備和一種控制運算方法，該控制運算設備能抑制隨一干擾而產生的過調。

使用PID控制的現有裝置一般用作可用于不定受控系統的通用控制運算裝置。如圖5所示，現有的PID控制運算裝置10包括：一主計算機11，該主計算機從一輸入設定點SP中減去一受控變量PV而輸出一誤差Er；以及一控制運算部12，該控制運算部從減法部11輸出的誤差Er計算出一受操縱變量MV后把該受操縱變量輸出到一受控系統13。

設C_PID為控制運算部12的轉移函數，P為受控系統13的轉移函數，可用方程(1)從控制運算部12的轉移函數C_PID中得出受操縱變量MV：

MV=C_PID(SP-PV)?????????????????????????…(1)

該轉移函數C_PID可表示為：

C_PID=Kg{1+(1／Tis)}(1+Tds)／(1+ηTds)??…(2)

其中，Kg為比例增益，Ti為積分時間，Td為差分時間，η為常數(例如η=0．2)

此時，在控制溫度和壓力時，受控系統13的轉移函數P可用方程(3)近似求出：

P=Kp?Erp(-Lps)／(1+Tps)…(3)

其中，Kp為增益，Tp為時間常數，Lp為停滯時間。增益Kp提供該受控系統13的靜態特性；時間常數Tp提供時間延遲特性(動態特性)；停滯時間Lp提供停滯時間特性(動態特性)。

按照控制理論中的公知調節公式或由M．Morari提出的公知IMC理論，為了滿足穩定性和控制的迅速響應，各PID參數(比例增益Kg、積分時間Ti和差分時間Td)最好為：

Kg=αTp／(KpLp)????????????????????????…(4)

Ti=βTp????????????????????????????????…(5)

Td=γLp????????????????????????????????…(6)

其中，α、β和γ為常數(例如，α=0．6，β=1，γ=0．5)。如為控制運算部12設定各PID參數，一般可獲得良好的控制特性。

按照上述現有的PID控制運算裝置，在溫度控制的穩定狀態下，如出現溫度一時下降之類干擾，則該受操縱變量MV更新而回到該溫度。在出現溫度一時下降之類干擾時，在較長時間后無需更新受操縱變量MV，溫度即能自動復原。此時，使用PID控制裝置更新受控變量PV會造成受操縱變量的過度校正。因此，作為一種出現在受控變量PV中的現象，如圖6所示，出現用一過調表示的過度控制響應。

作為把溫度一時下降當作一干擾的例子，當把其上裝有許多半導體晶片的一舟皿插入一用來制作半導體的分批型CVD(化學汽相淀積)反應爐中時，該反應爐中的溫度會一時下降。在圖7所示的分批型CVD爐中，標號61表示一舟皿、62表示一反應爐、63-1到63-5表示加熱反應爐62中各加熱區1到5的加熱器、64-1到64-5表示用于對區1到5中的溫度(受控變量PV)進行測量的傳感器，65-1到65-5表示各PID控制運算設備。各PID控制運算設備65-1到65-5計算受操縱變量MV后把它們輸出到加熱器63-1到63-5，把區1到5中的溫度設定成由設定點SP指定的溫度。

對于使用化學反應形成薄膜的半導體制作過程中的溫度控制來說，過調是一種不希望發生的嚴重現象。在該情況下，日本特許公開No．4-039701(參考文獻1)公開了一種控制運算裝置。如圖8A所示，這種裝置在檢測到受控變量PV接近設定點SP時，把輸入PID控制運算部的設定點SP校正到一接近受控變量PV的值，從而抑制過調。