用于MPCVD的多变量解耦温压协同控制方法及系统与流程

本发明涉及微波等离子体化学气相沉积设备控制，尤其涉及一种用于mpcvd的多变量解耦温压协同控制方法及系统。

背景技术：

1、mpcvd（microwave plasma chemical vapor deposition,微波等离子体化学气相沉积）是制备高质量金刚石薄膜等宽禁带半导体材料的核心工艺设备，工作过程中以氢气、甲烷混合气体为工艺气源，在微波下激发形成等离子体，在腔内完成薄膜沉积。该工艺对腔体温度、压力要求较高，腔体内部温度会直接影响等离子体的分布、形核速率与薄膜结晶质量，而压力会影响等离子体的放电形态、气体浓度和反应速率。

2、目前，工业界及学术界对于mpcvd设备的温度和压力控制，普遍采用传统单回路pid独立控制架构。温度控制回路以腔体实际温度作为反馈信号，以微波电源的输出功率作为执行变量，通过pid控制器调节微波功率大小，使腔体温度跟踪至工艺设定值；压力控制回路以腔体实际压力作为反馈信号，以蝶阀开度作为执行变量，通过另一个独立的pid控制器调节蝶阀角度，从而改变抽气速率，使腔体压力稳定在工艺设定值。两个回路相互独立，各自闭环运行。

3、然而，上述传统的双回路pid独立控制方案在实际应用中存在明显缺陷：mpcvd设备反应腔内温度和压力存在强耦合关联，温度波动会引发压力漂移，压力变化又会反向扰动温度，导致温压难以同步稳定；mpcvd系统具有滞后、参数时变、非线性特性，常规pid控制超调量大、调节时间长、稳态控制精度低，难以满足金刚石薄膜沉积对温压参数高精度、高一致性的工艺要求；现有控制方案缺乏多变量协同调控机制，抗干扰能力弱，进气扰动、散热变化等外界干扰易造成工艺参数漂移，影响成品沉积质量和良品率。

4、究其根源：传统pid在架构上为单输入单输出控制器，只能对温度、压力各自独立闭环，无法建立两通道间的耦合关系，也无预测能力，只能在偏差出现后进行事后校正，这是耦合振荡无法消除的根源；常规pid的控制参数固定不变，属于线性控制策略，而mpcvd腔体的动态特性随工艺时间、进气配比、腔体状态实时变化，固定参数无法覆盖全工况，这是超调大、收敛慢、稳态精度低的根源；现有方案为分散独立调控，未建立针对mpcvd的多变量协同架构，任何外界扰动都只能由各回路被动响应，这是抗干扰能力薄弱的根源。

5、综上所述，现有基于双回路独立pid的mpcvd温压控制技术，无法有效解决强耦合、大滞后、非线性系统的协同控制问题，已成为制约mpcvd设备工艺性能提升的重要技术瓶颈。因此，亟需提出一种能够实现温度与压力协同控制的新型温压耦合控制方案，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的技术问题，提供一种用于mpcvd的多变量解耦温压协同控制方法及系统，旨在通过建立包含耦合通道的传递函数矩阵并引入模型预测控制算法进行滚动优化，实现温度和压力的自动解耦与协同控制，提高mpcvd设备的工艺稳定性。

2、为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

3、一种用于mpcvd的多变量解耦温压协同控制方法，包括：

4、构建微波等离子体化学气相沉积设备中微波功率和蝶阀开度两个控制输入，分别与腔体温度和腔体压力两个被控输出之间的传递函数矩阵，所述传递函数矩阵包含表征所述微波功率对所述腔体温度影响的主通道、所述蝶阀开度对所述腔体压力影响的主通道、所述微波功率对所述腔体压力影响的耦合通道以及所述蝶阀开度对所述腔体温度影响的耦合通道；

5、基于所述传递函数矩阵构建离散状态空间模型；

6、在每个控制周期，基于当前时刻的状态，利用模型预测控制算法预测未来有限时域内所述腔体温度和所述腔体压力的动态响应，并以跟踪设定值误差最小和控制量变化平缓为优化目标，求解带约束的最优控制序列；

7、将所述最优控制序列中的第一个控制量分别作用于所述微波功率和所述蝶阀开度，并在下一控制周期重复执行预测、优化和输出步骤，形成滚动闭环控制。

8、作为本发明方法的进一步改进：所述传递函数矩阵中的各通道传递函数均采用一阶惯性环节串联纯滞后环节的形式表示：

9、

10、其中，为传递函数，为通道增益放大系数，为惯性时间常数，为纯滞后时间，为复频域变量。

11、作为本发明方法的进一步改进：所述传递函数矩阵为：

12、

13、其中，为阶跃变化的温度值，为阶跃变化的压力值，为微波功率输出值，为蝶阀调节角度大小值，为温度影响主通道，为温度影响耦合通道，为压力影响耦合通道，为压力影响主通道。

14、作为本发明方法的进一步改进：所述传递函数矩阵的参数的获取方法包括：固定一个控制输入不变，对另一个控制输入施加阶跃变化，采集各被控输出直至达到稳态的实时响应数据；将采集到的数据导入系统辨识工具箱，选择一阶惯性加纯滞后过程模型进行拟合，得到各通道的增益放大系数、惯性时间常数和纯滞后时间参数。

15、作为本发明方法的进一步改进：所述阶跃变化具体为：在固定微波功率的情况下对蝶阀开度施加阶跃变化，采集腔体温度和腔体压力的响应数据；以及在固定蝶阀开度的情况下对微波功率施加阶跃变化，采集腔体温度和腔体压力的响应数据。

16、作为本发明方法的进一步改进：所述离散状态空间模型通过对所述传递函数矩阵进行拉普拉斯变换及零阶保持离散化处理得到，表示为：

17、

18、其中，为时刻系统的内部状态向量，所述内部状态向量用于表征微波功率和蝶阀开度的动态特征；为时刻的被控输出向量，包含当前时刻实测的腔体温度值和腔体压力值；为时刻的控制输入向量，包含当前时刻的微波功率值和蝶阀开度值，为温压变化状态转移矩阵，为温压输入矩阵，为温压输出矩阵。

19、作为本发明方法的进一步改进：所述模型预测控制算法的优化目标函数为：

20、

21、其中，为预测时域步数；为控制时域步数且；为当前时刻预测的未来第步的系统输出向量，包含预测的腔体温度值和腔体压力值；为温压目标设定值，包含设定的目标温度值和目标压力值；为输出权重矩阵，用于调整腔体温度和腔体压力的控制优先级；为控制增量项，表示相邻两个控制周期内控制输入的差值，用于衡量微波功率和蝶阀开度的动作幅度；为控制增量权重矩阵，用于调整微波功率和蝶阀开度动作的平缓程度。

22、作为本发明方法的进一步改进：所述带约束的最优控制序列的求解过程中，约束条件包括：

23、

24、其中，为微波功率，和分别为微波功率的下限和上限，为蝶阀开度，和分别为蝶阀开度的下限和上限，t为腔体温度，和分别为腔体温度的下限和上限，p为腔体压力，和分别为腔体压力的下限和上限。

25、作为本发明方法的进一步改进：所述模型预测控制算法在可编程逻辑控制器中执行，每个控制周期对应所述可编程逻辑控制器的一次扫描周期。

26、本发明还提供一种用于mpcvd的多变量解耦温压协同控制系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述用于mpcvd的多变量解耦温压协同控制方法。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

28、本发明通过构建包含耦合通道的传递函数矩阵以量化温度和压力之间的交叉耦合关系，并引入模型预测控制算法在每个控制周期进行滚动优化，实现了对微波功率和蝶阀开度的协同控制，从而解决了传统pid单回路独立控制无法消除温压交叉干扰、难以同步稳定的问题，提高了mpcvd设备在强耦合、大滞后、非线性条件下的工艺稳定性和控制精度。