摘要：在系統(tǒng)設(shè)計過程中將副控制回路設(shè)計成一個控溫系統(tǒng)，此時輸入就作為直徑調(diào)節(jié)器的輸出，而輸出的單晶爐溫度將對主被控對象單晶直徑產(chǎn)生直接作用。如圖3所示。在副控制回路中，對于單晶爐的溫度結(jié)構(gòu)參數(shù)易變不易確定，通過純理論計算過程較為復(fù)雜，但采用仿真實驗方法進行測試就顯得比較方便。實驗時把單位階躍電壓信號即給定信號作為單晶爐的輸入，相當(dāng)于單晶爐溫度突然變化的情況，通過仿真軟件測出單晶爐輸出溫度變化的過渡曲線。

　　1控制系統(tǒng)方案及構(gòu)成

　　1.1 控制系統(tǒng)方案模糊控制是通過模仿人的思維方式和控制經(jīng)驗來實現(xiàn)控制的一種新的控制方法。它不依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型，通過對模糊信息的處理可以對復(fù)雜的控制對象實施良好的控制，而且模糊控制具有良好的魯棒性，即當(dāng)對象的參數(shù)或結(jié)構(gòu)有一定程度變化時仍然可以保持較好的控制性，它最適合用于非線性系統(tǒng)或當(dāng)輸入及操作描述存在著不確定性關(guān)系的系統(tǒng)。而PID控制是目前應(yīng)用最為廣泛的控制規(guī)律，根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分控制(D)進行控制。在實際運用和理論上分析都表明，運用這種控制規(guī)律對許多工業(yè)過程進行控制時，都能得到滿意的效果。

　　由于CZ法單晶等徑生長系統(tǒng)中影響晶體等徑生長的因素較多，例如：坩堝的溫度、提拉速度等，這些因素之間的關(guān)系是模糊的、不確定的，若單純采用模糊控制，實驗證明在線辨識結(jié)果不一定有效;若采用PID控制，實驗得出不僅控溫精度低，而且系統(tǒng)自適應(yīng)能力較差。為了達到較高的精度，必須將模糊控制與PID控制算法相結(jié)合，綜合二者優(yōu)點，系統(tǒng)選用模糊PID控制器。

　　1.2 基本構(gòu)成本文論述CZ法單晶等徑生長模糊控制系統(tǒng)由直徑調(diào)節(jié)器、溫度調(diào)節(jié)器以及稱重測徑系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中直徑調(diào)節(jié)器是系統(tǒng)的控制核心，它可按用戶需求直接設(shè)定單晶直徑，并通過人機界面進行現(xiàn)場監(jiān)視，方便用戶操作;溫度調(diào)節(jié)器又稱控溫儀，采用歐陸818P溫度控制器，該控制器內(nèi)部為一智能的PID調(diào)節(jié)，與熱電偶配合使用進行測溫，測得的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并利用系統(tǒng)軟件對其進行處理，同時輸出控制指令和數(shù)顯指令，完成整個測控系統(tǒng)的中央處理功能;稱重測徑系統(tǒng)具有獨立數(shù)據(jù)采集功能，采用簡單模糊控制器，利用單片機結(jié)合現(xiàn)場采集的直徑數(shù)據(jù)與用戶設(shè)定的直徑比較，產(chǎn)生偏差按照模糊PID控制算法計算出實時控制量即輸出量，再以此控制量通過D/A轉(zhuǎn)換電路改變輸出驅(qū)動信號調(diào)節(jié)晶體的提拉速度與堝升速度，使單晶直徑逐步達到用戶設(shè)定的直徑值。

　　2控制系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 控制回路組成CZ法單晶等徑生長控制系統(tǒng)中采用雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示。系統(tǒng)設(shè)計為雙閉環(huán)回路中主控制回路由直徑調(diào)節(jié)器、副控制回路、晶體、測徑單元組成;副控制回路由溫度調(diào)節(jié)器、加熱器、單晶爐、測溫單元組成。其中把單晶直徑作為主被控對象，單晶爐溫度作為副被控對象;直徑調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，溫度調(diào)節(jié)器作為副調(diào)節(jié)器。

　　2.2 控溫回路CZ法單晶等徑生長過程主要考慮因素之一是溫度控制，基本原理是由所測溫度與設(shè)定溫度校正曲線的溫度比較產(chǎn)生偏差信號作為模糊PID控制器的輸入，根據(jù)不同時刻的采樣點得到的偏差或偏差變化作為輸入變量，對系統(tǒng)被控對象參數(shù)K，T，?子，進行在線整定，輸出值可改變單晶爐溫度達到控徑的目的，同時也限制了單晶提拉速度的引起大范圍波動與變化，用來補償由于單晶長度生長變化而引起單晶爐中固、液體交界面熱穩(wěn)態(tài)發(fā)生的變化。

　　3軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)邏輯控制軟件主要由單片機選用Intel公司的16位單片機80C196KC實現(xiàn)，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)程序包括主程序和中斷子程序。其中主程序由初始化程序、A/D采樣子程序、鍵盤掃描子程序、模糊PID控制子程序等部分組成。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。初始化主要完成晶體輻射及熱傳導(dǎo)過程中系統(tǒng)各部件的初始化和自檢。鍵盤掃描和控制算法等子程序利用80C196KC豐富的中斷資源，在外部中斷和定時器溢出中斷子程序中完成溫度和直徑控制。與上位機的串行通信采用80C196KC自帶的UART硬件傳輸中斷，以滿足數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)漠惒叫院蛯崟r性要求。

　　模糊控制PID算法子程序包括輸入量的模糊化、模糊化計算、輸出量的解模糊化三部分。由于模糊集采用非線性分類，所以對輸出量KP、TI、TD進行線性劃分。系統(tǒng)對具體參數(shù)設(shè)置后，形成PID控制器的參數(shù)KP、TI、TD的調(diào)整規(guī)則表，并對其進行在線調(diào)整。最后使用加權(quán)平均法對在線已經(jīng)調(diào)整好的這三個參數(shù)進行解模糊。(圖4)

　　4實驗結(jié)果

　　系統(tǒng)通過強大功能的仿真軟件MATLAB實驗測試，在Simulink的環(huán)境下搭建非線性模塊，當(dāng)搭建好后再對系統(tǒng)進行直接仿真，測試表明：該控制系統(tǒng)將晶體單晶等徑生長過程的溫度控制與晶體提拉速度完美結(jié)合，所生長出的單晶直徑達到用戶要求，而且單晶的等徑控制精度可達±1mm、±1.2mm等等。系統(tǒng)不僅穩(wěn)態(tài)精度明顯提高，而且具有良好的動態(tài)性能和靈活性。

　　5結(jié)語

　　本文針對單晶等徑生長過程，分析了影響單晶生長的因素，控制策略是結(jié)合模糊控制與PID控制的優(yōu)缺點，并確定系統(tǒng)選用模糊PID算法，設(shè)計了一個模糊控制與PID控制算法相結(jié)合的單晶等徑生長控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)串級控制其控制是在常用單回路的基礎(chǔ)上增加了由溫度調(diào)節(jié)器、坩堝加熱器以及測溫單元組成的副控制回路，并且通過實驗測試，可有效地實現(xiàn)了單晶等徑生長控制，系統(tǒng)能夠達到較高的穩(wěn)態(tài)精度。