超稳定空气微环境温度控制算法研究及实现开题报告

全文总字数：3923字

1. 研究目的与意义（文献综述）

本设计针对现有的多种超精密加工与测量装备器件中存在且要求极高的恒温空气微环境系统，在现有相关设计的基础上，旨在设计温度控制算法，使系统温度达到±0.02℃范围的超稳定控制，满足设备微环境的温度需求，具有较大的推广意义与应用前景。

集成电路技术及其产业的进步推动着全球信息产业的快速扩大，伴随高新装备及技术不断朝着智能化、精密化的发展，各种超精密加工和测量设备随之产生，例如ic制造业、精密制造业、化学工业等。为保证装备核心器件的工作稳定，高精度微环境控制技术在许多行业得到广泛应用。空气环境温度作为多种工艺手段的关键参数，针对其的高精度控制技术在光刻机成像、微纳加工与测量、化学分析的色谱柱恒温箱等环境中都得到应用。

在光刻机中，0.05℃的温度变化将导致波长633m、光程超过1m的光的折射率变化5×10^-9的数量级，产生5nm以上的波程差，降低成像质量^[1]；长周期的微纳加工将导致工作环境温度的波动，影响加工质量^[2]，美国llnl实验室发现温度变化0.056°c时，将造成0.19μm的机床热变形 ^[3]；色谱仪的使用环境要求传感器和色谱柱工作在±0.05 ℃以下非常稳定的恒温环境,否则都会显著降低色谱仪测量的精度 ^[4]。

2. 研究的基本内容与方案

本设计的研究目标是保证空气微环境温控效果达到±0.02℃的精度需求，要实现这样的超稳定控制就必须研究温控理论及方法。以空气为介质的设备微环境中，温度变化非常缓慢且热量传递来自空气对物质的对流热，最佳的环境温度控制方式就是气浴，即将恒温、稳定的气流吹到指定区域；而为维持其中的恒温环境，控制回路中需要制冷和制热单元，因此需要压缩机、稳定传感器、制冷及制热等执行元件。

本设计针对的空气微环境温控系统具有纯滞后、多重扰动等特征，详细分析影响空气微环境温度的各种扰动因素和系统需求；首先设计满足需求的系统原理图和系统控制结构，建立温控系统的精确模型，并进行过程辨识得到模型参数；基于温控系统模型参数，以 pid 控制为基础，设计合适的控制器。参考现有研究可知，气体温度控制大多基于智能控制算法结合的自整定pid算法，所以要着重研究高准确度的温度控制理论和控制技术，针对加热制冷回路的控制器设计控制算法，保证系统的动态性能。在前述得到的系统模型的基础上，加上设计的各个控制器和算法，利用matlab simulink工具仿真验证算法的合理性；最后按照软件工程规范，利用.net框架设计相应的温控控制软件，结合设计的硬件系统，与物理系统进行联调，通过实验测试温控算法的有效性和优异性，实现需求指标。

结合需求设计温度控制算法，以及仿真及实验验证算法的合理性，最终要求算法设计，实验验证有效。由于空气微环境的各项环境参数数据极易受到干扰，控制方案设计过程中关键技术方案的展开较为困难，包括温度采集器的选型、控制器的选择、温度稳定性的保证。通过数理建模和系统辨识的方法建立系统参数模型，通过对温控系统的分析设计出一种克服纯滞后、多扰动等特征的控制算法，最后达到±0.02℃温控精度，并能保证温度控制算法的精确性、稳定性和鲁棒性。

3. 研究计划与安排

第1~3周：查找国内外文献，撰写开题报告；

第4周：确定系统需求，提出超稳定空气微环境温度控制模型；

第5~6周：基于控制模型，选择合适的自整定pid算法，完成超稳定空气微环境温度控制算法设计与仿真；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王红光.光刻机温度控制装置的设计与实现[d].华东理工大学，2011.

[2]姚龙隆,陈晓荣,杨海马,涂建坤,陈成.微纳加工中高精度环境温度控制系统的设计[j].测控技术,2017,36(06):72-75.

[3]杨辉.超精密平面磨床关键技术的发展[j]. 机械工艺师，2001.1:17-19.