一种培养人工晶体的温度控制系统设计

倪榕生

（福州职业技术学院 智能与建筑工程学院,福州 350108）

一种培养人工晶体的温度控制系统设计

倪榕生

（福州职业技术学院 智能与建筑工程学院,福州 350108）

本文介绍了一种适用于人工晶体培养的集成温度控制系统，实现了规模化生产。系统采用二级控制，第一级由STM32微处理器为核心的智能型模糊PID控制器，对温度变化快速响应和控制。第二级以工控机为核心，对多套加热炉温度系统的数据采集与监控。该系统能适应3天至180天的不同品种晶体培养周期。实现了人工晶体培养的自动控制和生产的计算机控制。

人工晶体；加热炉；集成温度控制；模糊PID控制器

1 引言

目前我国的人工晶体研究以非线性光学晶体为代表的人工晶体材料为主，具有国际先进水平。主要集中在我国的一些国家级的科研机构和高等院校，并都形成了一定的生产规模，产品应用于光通讯和工业激光等领域，提供出口和国内使用。中科院上海硅酸盐研究所、中科院物理所、中科院福建物质结构研究所、山东大学等是国内较早研究生产人工晶体的单位，是专门研究开发人工晶体并将其产业化的重要基地。

但是长期以来，由于晶体生长对其温度控制的高要求和高可靠性一直困扰着晶体培养的规模化生产。如原来设备庞大、集成度低、控制不稳、温漂严重、通讯不可靠等，这些都严重制约着企业的规模化生产。因此，研究开发一套高精度、高可靠性、具有优异控制特性和可靠通讯功能的集成化温度控制系统，是解决以上问题的关键所在。本文论述的控制系统经过近二年的研发、调试和完善，整套设备已投入使用，并实现了上位机集中控制和规模化生产。

2 集成控制系统框图

人工晶体种类繁多，用途极广，有偏硼酸钡(β-BBO)晶体、三硼酸锂(LiB3O5)、KDP晶体、铌酸锂、钽酸锂等等。但归纳其生产过程主要包括以下几个阶段：（1）高温化料；（2）下晶种；（3）放尖阶段；（4）恒温等径；（5）拉断及降温等[1]。晶体培养的生产时间跨度大，可以历时3天至9个月(180天)不等。因此，整个生产过程的温度控制是其核心和难点。

为满足晶体培养过程中温度精度和稳定性的控制要求，本文介绍的系统采用二级计算机控制。第一级的下位机采用基于STM32F103VCT6芯片的智能型可编程数字控制器，该芯片为ST公司新推出基于ARM Cortex-M3的32位处理器芯片, 片内具有256KB FLASH，48KB RAM，72 MHz 运行频率，1.25 DMIPS/MHz。内存大、运算速度高，具有多任务功能和多种通讯接口。可以快速、实时的计算和控制每台加热炉的温度，并上传到上位计算机。系统最多可以满足36套晶体炉同时工作，每只温度控制器对应一台加热炉。为适应3天至9个月的不同品种大跨度晶体培养时间，针对晶体炉温度对外部的各种扰动信号的快速响应要求。在温度控制器软件控制算法的设计上，采用数字模糊PID算法，对加热炉温度进行精确控制和显示，并将随时采集到的温度数据及超温等状态信息送往上一级计算机。第二级上位机采用工业级控制计算机，监控第一级的控制器群，对上传的温度数据及状态信息进行记录、处理、制表、绘制曲线及打印。为了实现系统的集成控制，上位机除了可以实现对下一级任一台控制器的控制参数设置及控制目标温度的设定外，在下位机温度控制器工作异常时，还可以自动进行干预或报警，避免温度的波动，进一步提高系统温度控制的可靠性。晶体炉温度集成控制系统的框图如图1示。

3 温度闭环控制设计

由于晶体生长过程中对温度稳定性和精度的要求高，因此，在整个控制系统中，第一级的温度控制器的设计是核心。从控制理论上看，需要控制器的调节能力强，迅速改变输出控制量。在晶体炉加热系统中，控制器调节加热器温度，加热器以热辐射的形式把热量传给坩埚，坩埚再把热量以热传导的方式传给籽晶，再通过热传导和热对流的形式把热量传到生长界面。这些传热环节导致加热器系统带有明显的纯滞后特性，因此是单晶炉的温度控制环节是一个大滞后系统[2]。

温度的反馈是控制系统的另外一个要点，考虑到测温范围和响应速度，本系统采用S分度号热电偶作为温度传感器。要求热电偶S分度号传感器检测信号在0-1000℃范围内控制24小时的温差不超过目标温度的±0.2℃(即允许控制偏差在0.2‰范围内)。因此，对检测信号的放大环节和A/D转换提出了很高的要求。本系统中所设计的放大环节和A/D转换电路采用了美国AD公司最新出品的芯片，它具有24位的A/D转换功能和可由软件设置的四级不同放大倍数的放大模块，很好地解决了热电偶的微弱信号在分立器件组成的放大环节中极易产生的零点漂移和温漂等问题，并实现了极高的数字分辨率。为配合热电偶对温度的精确检测，本系统对热电偶的冷端补偿引进了高精度的铂热电阻Pt100传感器检测，其冷端温度测量可精确到小数点后第2位。

为减少加热炉对电网产生的污染，以及减轻对系统自备发电机组的电网冲击，本系统摒弃了老设备中的可控硅过零触发方式，而采用了双向可控硅移相触发方式，对电网冲击小，污染小，三相电源容易做到平衡使用。

温度控制器采用闭环控制设计。其工作原理是：STM32F103VCT6微处理器将经过放大的热电偶炉温检测信号与事先设定好的目标温度进行比较。通过软件中数字模糊PID算法计算，由微处理器给出一个适当的输出百分比。经D/A转换后以0-6.3V的模拟信号形式输出，控制由KC06芯片组成的可控硅双向触发模块，产生0-180℃的移相触发脉冲。控制双向可控硅输出0-220V的电压，提供给加热炉中的电炉丝工作，从而达到控制和调节炉温的目的。温度检测闭环控制框图如图2所示。

4 温度控制算法

人工晶体生长是一个可能达到3天至9个月的长周期不可逆过程，控制系统必须始终在晶体的生长过程周期内对生长温度进行控制调节。扰动一旦出现，必须自动迅速恢复原控制目标。此外，对前期实验数据的分析，发现影响控制精度的另一个因素是相对控制系统采样控制周期的长周期性温度漂移。为了进一步提高温度的控制精度，必须采用适合于晶体生长工况的软件控制算法[3]。

近年来，在各种复杂过程控制中，智能控制算法得到了技术人员的关注。模糊自适应PID控制系统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟和干扰等因素进行检测分析，将模糊推理的方法与经典PID控制方法相结合，不仅保持了PID控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性、控制精度更好，是目前较为先进的一种控制方法[4]。为了实现在扰动工况下具有±0.2℃的温度控制精度，考虑温度控制系统的大惯性和滞后影响，本系统在温度控制器中采用了模糊PID的智能控制算法，控制框图如图3所示。

下位机温度控制器的输出量由两个部分组成：PID控制输出和模糊控制输出。前者采用增量式数字PID算法，依赖经典PID的控制优点，主要解决长周期性温度漂移问题。后者采用模糊推理的方法，主要解决外部扰动引起的温度突变问题，控制器快速调节，使温度快速回归控制目标。控制器根据对温度误差的采用和判断，自动选择两者的输出或者合成输出。为了配合实现这个控制目的，上位机的系统时钟还作为控制指令的指针，计算当前时钟下各个晶体炉的温度，协助下位机扰动后的现场数据恢复[5]。

5 系统配置和调试

为提高计算机长期不间断工作需要，系统采用台湾产研华610工控机。该款工控机具有多个板卡插槽，适用于集成控制。每块研华PCL—745S通讯板卡，有2个RS-485通讯接口，每个接口带9台控制仪表。每台工控机可配2块通讯板卡，共带36台下位机控制器。这样做的目的是基于以下二点考虑：一是每个接口如果所带仪表太多，则工控机对所带仪表巡回检测一遍所需时间周期将变长，影响对每台仪表的数据采集。二是如果一个接口所带控制器中有一台485通讯芯片损坏，将使该口所有仪表的通讯均不正常，如果所带仪表太多，势必给检修带来更多不便。即使我们对仪表内的通讯器件选用了目前市面上最先进的抗静电、防雷击的芯片，但也无法保证绝对不出问题。关于异常现象报警的问题，如超温、热电偶断偶等异常现象报警，通常可采取二种办法予以解决。一是可以采用计算机内自带的蜂鸣器报警，二是可以在工控机内加一个报警板卡，由板卡提供多个继电器接点输出，外接声光报警。前者的优点是简单易行，缺点是计算机所带的控制器只要有一台出现异常情况均报警，操作人员无法直观判别哪一台仪表控制异常；而后者的优点是可通过软件设置对仪表进行分组，不同组内仪表出现异常时将分别由不同的继电器接点输出控制不同的声光报警，使操作员对仪表报警的可识别性更强。两者结合使用，则效果较好。

另外，由于系统采用RS-485通讯方式，且采用较低的通讯波特率(1200bps)，因此具有较长的通讯距离，实现36套设备空间上的分布式布局控制。但从系统的可靠性方面考虑，从控制器到工控机的通讯距离建议不要超过750米。

6 控制效果

在晶体生长过程中，如突遇断电，在将近1000℃的高温下经过10秒钟时间炉温将下降15-20℃，当供电系统在10秒内启动备用电源后，控制系统若不能立刻将温度上升至掉电前的温度值，整炉经过几个月生长出来的晶体都将毁于一旦。所以，在这种情况下系统一旦重新上电就要以100%输出全功率加热，以使炉温尽快跟上掉电前的目标温度。但控制的难点在于当温度上升到目标温度值后其允许的超调不能超过1‰，这是传统PID控制系统无法想象的。本系统在PID算法中引入了智能化的模糊控制概念，很好地解决了这一难题，实现了在该情况下的零超调。下图是系统调试时工业控制计算机记录下的一个模拟掉电及升温过程，系统在稳定工作后将目标温度阶跃上升50度，控温系统从09：17：00开始全功率加热到09：19：33时跟上目标温度。由图中计算机界面上的温升曲线可以看出，在合适的PID参数下升温达到目标温度值后控制系统所实现的零超调。

7 结束语

人工晶体在当今世界上被广泛应用于光通讯、军用激光武器、激光医疗设备制造等诸多高新技术设备制造业中，是一个新兴高科技产业。因此，人工晶体的培养也就成为世界各国争相研究的一个重要课题。本文论述的系统经过一段时间的运行证明其优良的控制性能和高稳定性，深得用户的欢迎，并产生了良好的经济效益。在光通讯技术蓬勃发展的今天，人工晶体的应用领域也将日益扩大，并最终渗透到象激光电视等这样一些民用领域中，相信不久的将来，人工晶体培养将象雨后春笋般地发展成为一个新兴的高科技产业，而其生长的核心----温度控制系统，也必将成为一个值得进一步研究和投入的一个广阔的领域。

[1]仲元昌等.晶体生长炉的PID神经网络温度控制算法[J].重庆:人工晶体学报,2010(10).

[2]李凯.直拉晶体生长嵌入式控制系统及控制方法研究[J].西安:西安理工大学,2014(03).

[3]吴小元.硅晶体凝固生长及位错形核的分子动力学模拟研究[J].南昌:南昌大学,2015(05).

[4]孙小平.基于模糊控制算法的单晶炉等径控制系统设计[J].江苏:武汉工业学院学报,2009(12).

[5]蒋智强.二维云母界面对晶体定向生长的诱导作用研究[J].河南：大学物理实验,2013(08).

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.113

倪榕生（1964-）,男,福建福州人,讲师,研究方向：单片机接口技术、变流技术、电机及其控制。