自動(dòng)調(diào)諧的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及反饋控制的改進(jìn)，具體的，但不限制的，涉及系統(tǒng)和工藝的反饋控制。本發(fā)明的實(shí)施例還涉及用于這種應(yīng)用的控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)和參數(shù)化，和/或涉及系統(tǒng)和工藝動(dòng)態(tài)的識(shí)別。
【背景技術(shù)】
[0002]控制系統(tǒng)通常用于調(diào)整和控制系統(tǒng)和工藝?？刂葡到y(tǒng)通常包括傳感器和執(zhí)行器，憑此執(zhí)行器的輸入導(dǎo)致改變，該改變由傳感器檢測。在幾乎所有的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，執(zhí)行器的輸入和傳感器的輸出之間為非線性關(guān)系，這可能歸因于例如執(zhí)行器的速度、傳感器的響應(yīng)性和分辨率、時(shí)間滯后、力學(xué)、慣性等廣泛的系統(tǒng)變量。
[0003]如此，幾乎全部的控制系統(tǒng)需要調(diào)整包含于控制算法中的某些參數(shù)，以滿足性能規(guī)格。通常手動(dòng)調(diào)整控制算法的參數(shù)，因?yàn)樵谝恍┣闆r下，不能完全建模和模擬真實(shí)世界情況或真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。本發(fā)明提供一種方法，該方法用于自動(dòng)調(diào)整控制器的參數(shù)、以滿足特定性能特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明通常涉及反饋控制系統(tǒng)。但是，本發(fā)明具體地用于真空沉積系統(tǒng)領(lǐng)域，憑此模擬所有可能的工藝參數(shù)(其能夠獲得無需校準(zhǔn)的自包含控制系統(tǒng))是特別困難的。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供可自動(dòng)執(zhí)行一系列的執(zhí)行器的動(dòng)作，并基于傳感器的響應(yīng)，確定待控制的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息(這將稱為系統(tǒng)識(shí)別過程)。這通過自動(dòng)傳感器校準(zhǔn)過程進(jìn)行，以確定控制器的操作窗口。根據(jù)該信息，為特定動(dòng)態(tài)響應(yīng)，自動(dòng)計(jì)算控制器的參數(shù)。
[0006]本發(fā)明的第二方面提供一種自動(dòng)計(jì)算控制器的參數(shù)的方法，其包括步驟:自動(dòng)傳感器校準(zhǔn)過程，以確定控制器的操作窗口 ；根據(jù)傳感器的響應(yīng)，自動(dòng)執(zhí)行一系列的執(zhí)行器動(dòng)作；系統(tǒng)識(shí)別過程，用于確定關(guān)于待控制的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息；以及根據(jù)校準(zhǔn)和系統(tǒng)識(shí)別過程，針對特定動(dòng)態(tài)響應(yīng)自動(dòng)計(jì)算控制器的參數(shù)。
[0007]本發(fā)明的第三方面提供一種用于自動(dòng)計(jì)算控制器的參數(shù)的方法，該方法需要獲得系統(tǒng)中的特定動(dòng)態(tài)響應(yīng)，該系統(tǒng)包括可操作地連接至傳感器和執(zhí)行器的控制器，憑此傳感器的輸出依賴于執(zhí)行器的輸入，該方法包括:自動(dòng)傳感器校準(zhǔn)過程，以確定最大(1)和最小(2)傳感器水平，自動(dòng)傳感器校準(zhǔn)過程包括:執(zhí)行一系列的第一執(zhí)行器斜坡(actuatorramps) (4)并記錄傳感器的響應(yīng)(3);確定在執(zhí)行第一執(zhí)行器斜坡(4)過程中記錄的最大
(1)和最小(2)傳感器值；記錄與最小傳感器值(2)對應(yīng)的執(zhí)行器值(5);記錄與最大傳感器值(1)對應(yīng)的執(zhí)行器值(6);確定控制器的操作窗口為落入最小傳感器值(2)對應(yīng)的執(zhí)行器值(5)和最大傳感器值(1)對應(yīng)的執(zhí)行器值(6)之間的執(zhí)行器值的范圍；系統(tǒng)識(shí)別過程，以確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，該系統(tǒng)識(shí)別過程包括:選擇落入控制器的操作窗口內(nèi)的執(zhí)行器值U0);在選擇的執(zhí)行器值U0)周圍執(zhí)行第二執(zhí)行器斜坡(3);通過記錄在偏離uO的執(zhí)行器值(Au)處的傳感器響應(yīng)的坡度(dy/dt)，分析傳感器響應(yīng)(2);以及確定關(guān)系(B)，其為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的特征，其中B= f(dy/dt, Au)。
[0008]合適地，該方法進(jìn)一步包括針對從所選擇的所述執(zhí)行器值(uO)偏移的多個(gè)執(zhí)行器值(Au)，為B確定平均值。
[0009]該方法可進(jìn)一步包括如下步驟:計(jì)算用于指定的到設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間(tts)的最優(yōu)的控制器的參數(shù)(K)，到設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間(tts)為從初始執(zhí)行器的輸入開始至傳感器的輸出達(dá)到設(shè)定點(diǎn)的點(diǎn)所經(jīng)過的時(shí)間。
[0010]初始，可以使用默認(rèn)到設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間(tts)，當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)諧之后，可通過函數(shù)K =g(B, tts)計(jì)算最優(yōu)的控制器的參數(shù)(K)。
[0011]合適地:
B = dy/dt / Au (1)
K =向量(K1，K2)，其中 (2)
ΚΙ = 2 χ (阻尼比)X (1.8/tts) x (1/B);和(3)
K2 = (1.8/tts)2 χ (1/B) (4)
K = g x (1/B);其中(5)
g =向量(2 x (阻尼比)χ (1.8/tts), (1.8/tts)2) (6)
默認(rèn)到設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間可以是任意的。但是，優(yōu)選使用計(jì)算的默認(rèn)tts，其為執(zhí)行器的動(dòng)作與傳感器的響應(yīng)之間的相位差的函數(shù)?？赏ㄟ^識(shí)別執(zhí)行器和傳感器數(shù)據(jù)曲線中的拐點(diǎn)，并計(jì)算拐點(diǎn)之間的時(shí)間滯后來計(jì)算該相位差。因此，默認(rèn)tts可以是nX相位差(以秒計(jì))，優(yōu)選為3 X相位差(以秒計(jì))。通過利用計(jì)算的默認(rèn)tts，確保防止系統(tǒng)不穩(wěn)定，如果默認(rèn)tts值，或任意tts值過低可導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0012]根據(jù)控制器使用的控制算法合適地選擇函數(shù)g，其中控制算法包括選自以下組中的任意一個(gè)或多個(gè):比例(P)控制算法、比例積分(PI)控制算法、比例-積分-微分(PID)控制算法、或者比例-微分反饋(PDF)控制算法。
[0013]雖然第一斜坡的周期可以是任何持續(xù)周期，但是可以使用大致1分鐘的斜坡周期。相似地，雖然第二斜坡的周期可以是任何持續(xù)周期，但是可以是大致10秒。
[0014]通過對在一段時(shí)間內(nèi)記錄的最高或最低傳感器值進(jìn)行積分或平均可合適地獲得最大(1)和最小(2)傳感器值。
[0015]可合適地自動(dòng)識(shí)別并記錄最大(1)和最小(2)傳感器值，其中縮放傳感器值，從而最大值(1)表示為100%傳感器值，最小值(2)表示為0%傳感器值。
[0016]第一和/或第二斜坡可包括選自以下組中的任意一個(gè)或多個(gè):三角脈沖、平方階梯脈沖(1)、鋸齒形脈沖(2 )、平方脈沖(3 )、和恒定信號。
[0017]第二斜坡可以包括使用在不同平均振幅處的一系列的連續(xù)脈沖的斜坡，其中可計(jì)算用于不同平均振幅的最優(yōu)的控制器的參數(shù)，其中控制器配置為為完整范圍的可能的設(shè)定點(diǎn)插入最優(yōu)控制器增益。
[0018]可根據(jù)傳感器、系統(tǒng)、執(zhí)行器或工藝的類型自動(dòng)選擇脈沖持續(xù)時(shí)間和振幅。
[0019]本發(fā)明的第四方面提供選自以下組中的任意一個(gè)或多個(gè):等離子沉積處理方法；非等離子沉積和處理方法、等離子真空法、反應(yīng)磁控濺射法、非反應(yīng)性磁控濺射方法、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法、陰極電弧離子輔助沉積法、高功率脈沖磁控管濺射(HIP頂S)方法、和涂層或沉積法，上述方法中的任意一個(gè)或全部都由控制器控制，其中自動(dòng)計(jì)算控制器的參數(shù)，以獲得根據(jù)本發(fā)明的特定動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
[0020]控制器合適地適于調(diào)節(jié)沉積的速度、組合物和均勻性。
[0021]執(zhí)行器合適地用于控制選自以下組中的任意一個(gè)或多個(gè):處理氣體的流量、電壓、電流、電壓頻率、電壓幅度、電流頻率、電流振幅、氣體或流體注射流速率、化學(xué)注射液、顆粒注射液、電動(dòng)機(jī)、線性執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器和閥。
[0022]傳感器合適地用于直接或間接測量沉積速度。
[0023]傳感器可以包括選自以下組中的任意一個(gè)或多個(gè):目標(biāo)電壓傳感器、等離子發(fā)光傳感器、壓力傳感器、氧分壓傳感器、和氫氣傳感器、光發(fā)射傳感器、光譜CCD、局部壓力傳感器、和氧傳感器(Lambda sensor)。
[0024]圖形用戶界面可以用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的控制器。GUI可適用于使用戶設(shè)定到設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間，其包括用于用戶選擇理想的到設(shè)定點(diǎn)的時(shí)間的滑塊或文本輸入框，憑此當(dāng)tts改變時(shí)，可利用函數(shù)g自動(dòng)重新計(jì)算控制器的參數(shù)。
[0025]本發(fā)明的另一方面在于提供由前面所述方法控制的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括選自以下組中的任意一個(gè)或多個(gè):能量產(chǎn)生裝置、風(fēng)力渦輪機(jī)、水電渦輪機(jī)、潮汐流渦輪機(jī)、當(dāng)驅(qū)動(dòng)時(shí)干預(yù)電能產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、能源網(wǎng)格、能量管理系統(tǒng)、光伏能源生產(chǎn)和管理系統(tǒng)、和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。
[0026]本發(fā)明涉及由控制器和/或控制算法管理和/或控制的任何系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及模擬、數(shù)字或混合控制的模擬/數(shù)字系統(tǒng)。
[0027]本發(fā)明還涉及對能量產(chǎn)生元件的控制，其中能量產(chǎn)生元件為例如風(fēng)力渦輪機(jī)、水電渦輪機(jī)、潮汐流渦輪機(jī)、以及當(dāng)驅(qū)動(dòng)時(shí)干涉電能產(chǎn)生的任何發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0028]本發(fā)明還涉及對能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的控制。
[0029]本發(fā)明還涉及對利用能量的元件的控制，該能量為例如電能、熱能、燃燒能、核能和其任意組合。
[0030]本發(fā)明還涉及對氣動(dòng)系統(tǒng)的控制。
[0031]本發(fā)明還涉及對能量網(wǎng)格的控制。
[0032]本發(fā)明還涉及能量管理系統(tǒng)，例如建筑物的能量管理系統(tǒng)。
[0033]本發(fā)明還涉及光伏能量的產(chǎn)生和管理。
[0034]本發(fā)明還涉及任何能量存儲(chǔ)方法，例如電池、氧化還原電池、熔融鹽、重力、飛輪、超導(dǎo)體、和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的任何組合。
[0035]本發(fā)明還涉及等離子體和非等離子體沉積和處理方法。本發(fā)明還涉及與等離子體真空和非真空應(yīng)用相關(guān)的控制系統(tǒng)和工藝，等離子體真空和非真空應(yīng)用為例如反應(yīng)性和非反應(yīng)性磁控濺射、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積、陰極電弧離子輔助沉積、HIPIMS和任何涂層或沉積方法。
[0036]本發(fā)明涉及任何濺射工藝，其中控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)沉積速度、組合物和均勻性。例如，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)反應(yīng)性濺射工藝中反應(yīng)性氣體，如氧氣或氮?dú)獾牧髁俊?br>[0037]本發(fā)明涉及使用本發(fā)明的方法控制具有例如鋁、鈦、銀等任何靶材料的濺射系統(tǒng)。
[0038]本發(fā)明涉及任何濺射系統(tǒng)，其中傳感器用于直接或間接測量沉積速度，例如目標(biāo)電壓傳感器、等離子體光發(fā)射傳感器、氧分壓傳感器、氫傳感器、或者任何相關(guān)的元件傳感器。
[0039]本發(fā)明還涉及任何類型的基于反饋控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和傳感器。例如，具有速度傳感器、角速度旋轉(zhuǎn)位置和轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、光強(qiáng)度傳感器、電壓或電流傳感器和壓力傳感器的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的執(zhí)行器的例子包括，但不限于:電壓或電流振幅或頻率的信號、氣體或流體注射液流速、化學(xué)劑注射液、顆粒注射液和所有機(jī)電致動(dòng)裝置，例如電動(dòng)機(jī)、線性執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器和閥門。
[0040]本發(fā)明涉及使用本發(fā)明的方法參數(shù)化如PID、P1、P、PDF的任何控制算法。
【附圖說明】
[0041]參考附圖，僅通過舉例方式進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中:
圖1展示了用于斜坡化執(zhí)行器輸入的傳感器輸出的示意圖；
圖2展示了可用于代替圖1的三角斜坡的各種不同的斜坡曲線；
圖3展示了用于斜坡式執(zhí)行器的輸入的傳感器的輸出的另一示意圖；