恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設計【采用STC12C5A60S2單片機-獨家畢業(yè)課程設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】

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一個 關(guān)鍵因素。投影鏡頭 (的 溫度 精度要求一個光刻工具 在接近 制造 一個小于 100 模型 。另外 需要 部溫度 收斂 率 快 以降低光刻技術(shù)的所有權(quán)（ 的成本 . 然而，實現(xiàn)這些目標 是 一個很大的挑戰(zhàn)，因為加熱器和冷卻器 控制溫度 要求操作遠 離 否 則其性能 將被它們的 振動和污染 所破壞 。另一個原因是， 部結(jié)構(gòu)復雜，它 包含數(shù)十個鏡頭 ， 會導致幾個小時慣性，所以 部的溫度反應相當緩慢， 并 需要 很長時間去調(diào)整適應 。 因此，一個 新的結(jié)構(gòu)和控制算法 是 部 溫度 控制的必要和重要部分。 許多溫度控制結(jié)構(gòu) 已經(jīng)被提出了。 著名的經(jīng)典 方法之一是被 廣泛應用于 簡單或低精度 溫度控制 系統(tǒng)的 單閉環(huán)回路控制 結(jié)構(gòu) 。當被控對象變得更加復 雜或 產(chǎn)生分布式干擾 時， 串級控制結(jié)構(gòu)（ 的 提出改善 了 精度和收斂 率 。預測前饋控制結(jié)構(gòu)已被證明具有更好的 滯后 系統(tǒng)性能。另一種有效的方法 ， 并行串級控制結(jié)構(gòu)（ 也 開發(fā)了具有 延遲 分布 式干擾的系統(tǒng) 。但 是 上述使用方法，很難實現(xiàn) 部溫度 控制的 高精確度和 快 收斂 率 。 在此， 本文 提出了一種新的方法，即多 閉 環(huán)溫度控制 系統(tǒng)，含有一個內(nèi)部 一個外部 文 大致分為四個 部分。 第一部分解釋了一個 遠程 間接溫度控制 方法的應用。 第二部分 是一個 多 閉環(huán)回路 溫度控制結(jié)構(gòu) 的分析。 第三部分，一個雙 進 雙出非線性比例積分（ 法 的提出用來提高控制過程的收斂速度和精度。 在文章的最后一 部分 ，對比實驗驗證了系統(tǒng)的有效性 這種顯示 ，最后，給出了 結(jié)論。 2 遠程間接溫度控制方法 為了防止 震動和污染影響 性能 ，一個 遠程 間接溫度控制 的方法被提出來 控制部溫度 。 不同于傳統(tǒng) 的 直接加熱和冷卻控制對象 的方法 ，它 借助于冷卻水和冷卻套間的熱交換使 部溫度恒定。 冷卻水通過長距離管道由 送 至冷卻外殼。水箱 、 溫度傳感器 、 溫度控制器 、 加熱器 、 冷卻器 和 泵 組成。 它用于 調(diào)節(jié)冷卻水的溫度以達到需求值 。 光刻工具放置在不同的潔凈室，如圖 1 所示 。 理論上，這種方法屬于開 環(huán) 結(jié)構(gòu) 。 除了 他光刻技術(shù) 的部分 ，如晶圓 階段 、 標線的階段 、 標線交接 、 晶圓移交等， 都在操作時產(chǎn)生熱量 。 的 冷卻水還用于 冷卻光刻技術(shù)的其他部 件 。 循環(huán)系統(tǒng) 回收冷卻水 ， 節(jié)省最大能量 ， 是 很必要的。圖 1 展示了 包括 離器、 冷卻 套和管道 的循環(huán)系統(tǒng)。從 儲水 中抽出冷卻水 通過管道和 分離器進入冷卻套 ，最后通過合成器 、 管道和 冷卻 器流回儲水箱 。 對冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的分析 表明了影響 部 溫度的 三個 主要因素 ： 干擾多， 遲滯多， 還有 慣性 大 。干擾 多 ，包括冷卻水 溫度波動 ， 部熱量散失 ， 外部 介質(zhì)之間的熱交換 。冷卻水溫度波動是多種因素造成的，其中包括 部 自 勵 溫度 震蕩造成的 非線性 加熱冷卻 ， 管道和周圍氣體之間的熱傳遞 ，以及光刻 工具其他地方產(chǎn)生的 熱量 。 在這個循環(huán)系統(tǒng)中， 冷卻水溫度波動 達到 最差的情形 。 部熱量散失有兩個原因 ，一個是 當 激光穿過透鏡 時，內(nèi)部 輻射和 導 熱 交換 ，另一個是在鏡 頭和內(nèi)部凈化氮 之間的導熱和對流熱交換。至于激光，它的散熱量大概是 15W。 部介質(zhì)之間熱交換 來自兩個方面 ， 一方面來自 其相鄰零件之間的相互熱交換，另一方面來自 部箱體和周圍空氣的導熱和對流熱交換。 但是， 外部介質(zhì)之間交換的熱量 由于其復雜性 ，故 難以計算 。遲滯多 主要包括 熱和冷卻 3秒遲滯，冷卻水交換 3 分鐘遲滯，還有 冷卻套間熱交換 10 分鐘 遲滯。 此外， 雜結(jié)構(gòu)導致不平衡熱交換，而由于 其體積大導致慣性在和小體積物體相比時，溫度波動較小。 上述分析表明， 僅僅通過開環(huán)結(jié)構(gòu)使 部溫度控制精度高和收斂速度快 是非常難以實 現(xiàn)的。 此外， 在開環(huán)結(jié)構(gòu)中 還有 很大的穩(wěn)態(tài)誤差。在以下部分中，我們將介紹一個提高 部溫度控制的控制結(jié)構(gòu)， 并解釋如何提高溫度控制精度和收斂 率 。 3 多閉環(huán)控制 結(jié)構(gòu) 多閉環(huán)溫度控制結(jié)構(gòu)由一個內(nèi)部 一個外部 成。 連 控制結(jié)構(gòu) 度控制的內(nèi)部 圖 2 所示。有兩個分別帶有兩個控制器的反饋回路。主要回路 用來控制 部的溫度 ( 箱中的冷卻水溫度控制 (成了第二條回路 . 分析這個系統(tǒng)的運作質(zhì)量是很容易。如果 部 溫度偏離 期望 值 ( 嵌入 主 控制器 中的 控制算法會 通過比較溫度的測量值 算一個新的冷卻水溫度設定值 （ 。 然后，發(fā)送新的設定值 溫度控制器 。 隨后根據(jù)溫度測量 值 新的設定值 的偏差 ， 的控制算法計算加熱器和冷卻器的輸入值，并對 水箱里的冷卻水進行加熱或者降溫，直到溫度達到新的設定值。 部溫度期望設定值通過一臺機 器連續(xù)地給出。 制回路是一個慢控制回路。 制回路是一個快速控制回路，能快速跟隨主回路設定值 當一個新的 設定值 送到 需要幾分鐘 時間去調(diào)整 箱中的水溫至設定值。 二次回路具有很強的抗內(nèi)部干擾的能力。 此外，還可以減少 對主回路 非線性和 遲滯的影響。 圖 3 顯示了 關(guān)于 上述 描述 串級控制系統(tǒng)的控制原理圖。在下面的圖表和方程式， Gt(s)表示加熱器和冷卻器傳遞函數(shù) ,Gp(s)表示管道傳遞函數(shù)， Gl(s)表示 遞函數(shù)。Gm(s) Gm(s)表示主控制回路傳遞函數(shù)， Gs(s)表示二次控制回路 傳遞函數(shù)。 Hm(s) 表示測量設備主回路傳遞函數(shù)， Hs(s)表示測量設備二次回路傳遞函數(shù)。 表示 箱中冷卻水遲滯 ， 表示通過管道的冷卻水遲滯 ， 表示 部熱交換遲滯 ， Nt(s) 表示部擾動 ,Np(s)表示管道外擾動 ,Nc(s)表示 Nn(s)表示 Rl(s)表示 部輸入溫度， Rt(s)表示 箱中冷卻水的輸入溫度， C1(s)表示 的輸出溫度， Ct(s)表示 箱中冷卻水的輸出溫度。 二次回路中的輸入輸出函數(shù)如下所示： 根據(jù)二次回路的穩(wěn)態(tài)，輸出 Ct(s)近似等于輸入 Rt(s)。因此，主回路的輸入輸出函數(shù)可表示如下： 在此 早期的研究表明， 時間常數(shù)約為 4h。傳遞函數(shù) G1(s） 為 傳遞函數(shù) Gp(s)為 對于簡單的閉環(huán)系統(tǒng) 容易消除它的穩(wěn)態(tài)誤差。然而，根據(jù)方程式 (2)和（ 3)，溫度的收斂率從開始到穩(wěn)態(tài)變慢，因為 和 的延遲。而且，很難獲得 精確的溫度，因為 和 的擾動。在定態(tài)的狀態(tài)之下，由于的作用， 當瞬時溫度變動超過冷卻水溫度 ， 的溫度變動超過 ℃。需要幾個控制周期才達到下一個穩(wěn)定狀態(tài) 。因此介紹 行串聯(lián)控制結(jié)構(gòu) 圖 4是擴展的 個圖省略了操作系統(tǒng) ，在系統(tǒng)的框中確定了主要組成環(huán)。與 比較，也有兩個控制環(huán)和兩個控制器。一個是 一個是結(jié)合處冷卻水溫度的副環(huán)。它們之間的不同是主控制對象和副控制對象之間是并行的。 副控制對象的輸出不是主控制對象的輸入。在這個系統(tǒng)中， 控制運算法則是主要的控制器根據(jù) 和 之間的偏差決定一個新的冷卻水的最佳溫度值。然后輔助的控制器中的控制運算法則依照 和 之間的偏差計算 控制環(huán) 是一個慢的控制環(huán)?？刂骗h(huán) 是一個快速控制環(huán)，它過去一直快速的預測結(jié)合處的冷卻水最佳溫度值。當合處冷卻水的溫度就是最佳溫度。這個最佳溫度將會保存為一個常數(shù)。從擾動抑制的觀點看，根據(jù)前饋控制相同的原則來控制輔助環(huán)。他們之間的不同是擾動必須是可測量的前饋結(jié)構(gòu)，而 圖 5 顯示了上面提到的并行串聯(lián)控制系統(tǒng)的詳細原理圖。在下面的圖表和方程式中， 代表結(jié)合處冷卻水的傳遞函數(shù)， 代表副控制器的傳遞函數(shù)。代表輔助環(huán)測量裝置的傳遞函數(shù)， 代表結(jié)合處冷卻水的輸入溫度， 代表結(jié)合處冷卻水的輸出溫度。 副環(huán)的輸入輸出的傳遞函數(shù)如下： 在副環(huán)的穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出 和輸入 近似相等。所以主環(huán)的輸入和輸出的傳遞函數(shù)可以簡化為： 比較方程（ 2）（ 3）和（ 7），我們可以得出擾動 和延遲時間常數(shù) 從主環(huán)分離，只有擾動 和延遲時間常數(shù) 仍在主環(huán)內(nèi)。所以輔助環(huán)獲得了物理結(jié)構(gòu)中互相延遲和互相擾動的分離，且隔離了主控制對象的非線性，互相延遲和互相擾動的影響。這種結(jié)構(gòu)也控制器設計的困難。即使冷卻水有溫度的變 動，他也能通過副控制器補償。因此， 的溫度控制可具有高精度和快收斂率。 4 非線性比例積分算法 為了進一步提高系統(tǒng)的收斂率和精確度，一種具有非線性 法的二重輸入和二重輸出智能控制器被設計出來，如圖六所示。 的溫度偏差 和結(jié)合處冷卻水的溫度偏差 都是控制器的輸入端?？刂破鞯妮敵龆耸?面冷卻水溫度值 和結(jié)合處最佳冷卻水溫度值 。 控制器里嵌有智能算法。它包括兩級且根據(jù)理想的動態(tài)響應分為五個控制階段。高級算法決定從我們先前介紹的五個階段中選擇 [10]。非線性 法在低級算法中使用，它將 在后面的段落中介紹。 考慮到溫度控制系統(tǒng)的相互擾動特點， 法代替了不同比例積分算法（ 因為不同項目將引起高頻率振動和增加系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差。 圖七顯示了非線性 法的原理圖，在接下來的圖表和方程中， 代表 代表結(jié)合處最佳冷卻水的溫度值， 代表 制法 對 的 影響， 代表 制法 對 的影響， 代表 制法 對 的影響， 代表制法 對 的影響， 和 代表數(shù)據(jù)融合系數(shù)。 控制算法可以被描述如下： 其中 i=1， 2， j=1， 2， 是基本不相關(guān)的增加的 制算法 ： 其中， 代表比例系數(shù)， 代表積分系數(shù)， 代表取樣結(jié)果，和 分別代表在 k 時刻的控制輸出， e（ e（ k）分別代表（ k 時刻的信號偏差。 數(shù)據(jù)混合系數(shù)由已有的規(guī)則得出。詳細規(guī)則如下： 其中 代表由 溫度的的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值， 代表由 溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動值， 代表由結(jié)合處冷卻水溫度的穩(wěn)態(tài)誤差決定的偏差值， 代表由結(jié)合處冷卻水溫度的暫態(tài)誤差決定的擾動值。 根據(jù)已有的規(guī)則和控制過程的輸入信息，可以獲得十六種不同的算法。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制器可以靈活的選擇任何一種 算法。這不僅能提高算法的適應性和收縮率，還能增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和反干擾能力。 5 實驗驗證控制結(jié)構(gòu)與算法 如圖 8 所示，建立了一個實驗平臺來驗證該方法的有效性，其中包括一個仿制 度傳感器，溫度測量系統(tǒng)， 程計算機，隔熱室，光源等。仿制的 實 際的 有相同的溫度特性。隔熱室模仿光刻表面隔離熱的作用。用一個 20W 的白熾燈作為暴露光源。三個溫度傳感器具有高精度的負溫度系數(shù)， 的校準精度是用來檢測 的溫度，結(jié)合處冷卻水的溫度和熱隔離室外環(huán)境的溫度 。溫度測量系統(tǒng)由 1590 模型超溫度計和一個具 有 分辨率的掃描器組成。 置了的精確度。工程計算機上具有智能算法。 用四個實驗來檢測控制系統(tǒng)和算法：（ a）是用開環(huán)結(jié)構(gòu)，（ b）使用具有 法的 c）使用具有 法的 d）使用具有非線性 法的 這些試驗中理想的 度是 22℃，非線性 法的參數(shù)是： 是 是 是 是 實驗結(jié)果如圖 9 所示。圖 9（ a）展示了開環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度曲線。正如圖 9 所示， 定且沒有達到 2℃ 系統(tǒng)中存在三個大的穩(wěn)定性誤差，使用閉環(huán)系統(tǒng)是非常必要的。圖 9（ b）顯示了使用閉環(huán)系統(tǒng) 20 小時后代到了穩(wěn)定。圖 9（ c）顯示了溫度收斂比圖 9（ b）快，但 溫度的精確度并沒有得到很大的提高。圖 9（ d）顯示了具有非線性 法的 統(tǒng)的溫度曲線。它只用了 時達到了 穩(wěn)定。即使外部溫度 在 內(nèi)擺動， 的溫度仍可以達到 的穩(wěn)定性。很明顯新的方法大大的增加了收斂率，精確性和抗干擾能力。 6 結(jié)論 通過使用閉環(huán)交互系統(tǒng)可以提高光刻 溫度控制準確性。通過分析和實驗揭示了具有 法的 統(tǒng)具有預測和滾動最優(yōu)的能力。它在收斂率，控制精確性，抗干擾能力方面比開環(huán)結(jié)構(gòu)和閉環(huán) 好。它用于光學領(lǐng)域生產(chǎn) 100過簡單的改進，它也可以控制其他的需要遠程遙控的非直接溫度控制，尤其是侵入液體的侵入式光刻等復雜對象的溫度控制。