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恒温箱
温度
控制系统
设计
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毕业设计（论文）中期检查表（指导教师） 指导教师姓名： 韦寿祺 填表日期： 2016 年 04 月 21 日 学生学号 1200120304 学生姓名 孙卉 题目名称 恒温箱温控制系统的设计 已完成内容 1、 搜集并查阅文献，完成开题报告 2、 完成外文翻译 3、 完成主控电路板、系统供电电路板、加热 驱动板的 。 制作出部分的硬件电路，经过测试，板子工作正常。 4、 部分模型的建立 检查日期： 2016 年 04 月 21 日 完成情况 全部完成 按进度完成 滞后进度安排 存在困难 1、 外文翻译准确度稍差，且排版存在问题 。 2、 程序编写的还不是很完善，未能达到预期的期望 3、 在检测电压和检测电流的时候，选取的电压和电流互感器的时候参数难以确定。 4、 制作加热灯的晶闸管驱动电路的时候，因为未将弱电和强电布线过进，导致上电时产生爬电、电弧现象。 5、对建模软件 使用还不是很熟练，对一些专业知识理解的不够透彻，使 数的整定难度增加 解决办法 1、 多查阅资料，多请教英文专业的同学，排版时要更加细心。 2、 多查阅相关资料，不断进行调试，知道达到预期效果。 3、 查阅资料，和根据自己所买的加热器件的参数，确定电压互感器和电流互感器的变比等参数 。 4、 将板子的布线进一步优化，将弱电和强电的先尽可能分开，在距离近的地方，在板子上打通孔，利用空气绝缘。 5、多上网查询该软件的使用方法或询问会使用该软件的同学，多看书，及时了解该方面的专业知识，了解相关系统的原理及参数的整定。 预期成绩 优 秀 良 好 中 等 及 格 不及格 建 议 按照任务书提出的要求，查阅和收集了相关资料，并在此基础上撰写了开题报告。且自己查找外文文章并对其进行翻译。确定设计的总体思路， 电路的设计，编写程序，完成了部分电路的制作与 =调试。开始建立模型。表现良好，达到了中期检查的要求。 教师签名： 教务处实践教学科制表 说明： 1、 本表由检查毕业设计的指导教师如实填写； 2、 此表要放入毕业设计（论文）档案袋中； 3、 各院 (系 )分类汇总后报教务处实践教学科备案。 11223344D B 2016/6/1 E: .y:755300K,0K,00D)R)0)1)8)9)10)11)12)13)14)15)按键电路 02. 5过零检测04. 加热负载驱动电路05. 蜂鸣器驱动07. 热电偶信号处理电路 光刻投影镜头多闭环温度控制系统 摘 要 图像质量是光学光刻工具的最重要指标之一， 尤其易 受温度 、 振动和投影镜头（ 染 的影响 。本地温度 控制的 传统方法更容易引入振动和污染， 因此研发 多闭环 温度控制系统来控制 部 温度，并隔离振动和污染 的影响 。一个新的远程间接温度 控制（ 案 ，提出了 利用 冷却水 循环完成对 间接温度控制 。嵌入温度 控制 单元（ 的 加热器和冷却器 用于控制 冷却水的温度 ，并且， 须远离 避免震动和污染的影响。 一种包 含 一个 内部 级联 控制 结构（ 一个外部 并行 串 联 控制 结构 （ 新 型 多 闭环 控制结构 被用来 防止大惯性， 多重迟滞 ， 和统的多重干扰。 一种非线性比例积分（ 算法应用，进一步提高收敛速度和控制过程 的 精度。不同的控制回路和算法的对比实验 被用来验证对控制性能的影响。结果表明，精度达到 规格 的 多闭环温度控制系统收敛 率 快 ，鲁棒性强 ，自我适应能力好。 该方法已成功地应用于光学光刻工具，制作了 临近尺寸 （ 100 纳米的模型 ，其 性能 令人满意。 关键词 ：投影镜头，远程间接温度串级控制结构，并行串 连 控制结构，非线性比例积分（ 算法 1 简 介 由于集 成电路缩小，更小的临界尺寸（ 求，生产 过程 的控制越来越严格。作为最重要的制造 工艺 设备，先进的光学光刻工具需要更 严格 的微控制环境， 如 严格控制其温度 、 洁净度 、 气压 、 湿度等 。 温度波动，特别是导致图像失真 和 平面图像转变，成为 了 光学光刻工具对图像质量影响的 一个 关键因素。投影镜头 (的 温度 精度要求一个光刻工具 在接近 制造 一个小于 100 模型 。另外 需要 部温度 收敛 率 快 以降低光刻技术的所有权（ 的成本 . 然而，实现这些目标 是 一个很大的挑战，因为加热器和冷却器 控制温度 要求操作远 离 否 则其性能 将被它们的 振动和污染 所破坏 。另一个原因是， 部结构复杂，它 包含数十个镜头 ， 会导致几个小时惯性，所以 部的温度反应相当缓慢， 并 需要 很长时间去调整适应 。 因此，一个 新的结构和控制算法 是 部 温度 控制的必要和重要部分。 许多温度控制结构 已经被提出了。 著名的经典 方法之一是被 广泛应用于 简单或低精度 温度控制 系统的 单闭环回路控制 结构 。当被控对象变得更加复 杂或 产生分布式干扰 时， 串级控制结构（ 的 提出改善 了 精度和收敛 率 。预测前馈控制结构已被证明具有更好的 滞后 系统性能。另一种有效的方法 ， 并行串级控制结构（ 也 开发了具有 延迟 分布 式干扰的系统 。但 是 上述使用方法，很难实现 部温度 控制的 高精确度和 快 收敛 率 。 在此， 本文 提出了一种新的方法，即多 闭 环温度控制 系统，含有一个内部 一个外部 文 大致分为四个 部分。 第一部分解释了一个 远程 间接温度控制 方法的应用。 第二部分 是一个 多 闭环回路 温度控制结构 的分析。 第三部分，一个双 进 双出非线性比例积分（ 法 的提出用来提高控制过程的收敛速度和精度。 在文章的最后一 部分 ，对比实验验证了系统的有效性 这种显示 ，最后，给出了 结论。 2 远程间接温度控制方法 为了防止 震动和污染影响 性能 ，一个 远程 间接温度控制 的方法被提出来 控制部温度 。 不同于传统 的 直接加热和冷却控制对象 的方法 ，它 借助于冷却水和冷却套间的热交换使 部温度恒定。 冷却水通过长距离管道由 送 至冷却外壳。水箱 、 温度传感器 、 温度控制器 、 加热器 、 冷却器 和 泵 组成。 它用于 调节冷却水的温度以达到需求值 。 光刻工具放置在不同的洁净室，如图 1 所示 。 理论上，这种方法属于开 环 结构 。 除了 他光刻技术 的部分 ，如晶圆 阶段 、 标线的阶段 、 标线交接 、 晶圆移交等， 都在操作时产生热量 。 的 冷却水还用于 冷却光刻技术的其他部 件 。 循环系统 回收冷却水 ， 节省最大能量 ， 是 很必要的。图 1 展示了 包括 离器、 冷却 套和管道 的循环系统。从 储水 中抽出冷却水 通过管道和 分离器进入冷却套 ，最后通过合成器 、 管道和 冷却 器流回储水箱 。 对冷却水循环系统的分析 表明了影响 部 温度的 三个 主要因素 ： 干扰多， 迟滞多， 还有 惯性 大 。干扰 多 ，包括冷却水 温度波动 ， 部热量散失 ， 外部 介质之间的热交换 。冷却水温度波动是多种因素造成的，其中包括 部 自 励 温度 震荡造成的 非线性 加热冷却 ， 管道和周围气体之间的热传递 ，以及光刻 工具其他地方产生的 热量 。 在这个循环系统中， 冷却水温度波动 达到 最差的情形 。 部热量散失有两个原因 ，一个是 当 激光穿过透镜 时，内部 辐射和 导 热 交换 ，另一个是在镜 头和内部净化氮 之间的导热和对流热交换。至于激光，它的散热量大概是 15W。 部介质之间热交换 来自两个方面 ， 一方面来自 其相邻零件之间的相互热交换，另一方面来自 部箱体和周围空气的导热和对流热交换。 但是， 外部介质之间交换的热量 由于其复杂性 ，故 难以计算 。迟滞多 主要包括 热和冷却 3秒迟滞，冷却水交换 3 分钟迟滞，还有 冷却套间热交换 10 分钟 迟滞。 此外， 杂结构导致不平衡热交换，而由于 其体积大导致惯性在和小体积物体相比时，温度波动较小。 上述分析表明， 仅仅通过开环结构使 部温度控制精度高和收敛速度快 是非常难以实 现的。 此外， 在开环结构中 还有 很大的稳态误差。在以下部分中，我们将介绍一个提高 部温度控制的控制结构， 并解释如何提高温度控制精度和收敛 率 。 3 多闭环控制 结构 多闭环温度控制结构由一个内部 一个外部 成。 连 控制结构 度控制的内部 图 2 所示。有两个分别带有两个控制器的反馈回路。主要回路 用来控制 部的温度 ( 箱中的冷却水温度控制 (成了第二条回路 . 分析这个系统的运作质量是很容易。如果 部 温度偏离 期望 值 ( 嵌入 主 控制器 中的 控制算法会 通过比较温度的测量值 算一个新的冷却水温度设定值 （ 。 然后，发送新的设定值 温度控制器 。 随后根据温度测量 值 新的设定值 的偏差 ， 的控制算法计算加热器和冷却器的输入值，并对 水箱里的冷却水进行加热或者降温，直到温度达到新的设定值。 部温度期望设定值通过一台机 器连续地给出。 制回路是一个慢控制回路。 制回路是一个快速控制回路，能快速跟随主回路设定值 当一个新的 设定值 送到 需要几分钟 时间去调整 箱中的水温至设定值。 二次回路具有很强的抗内部干扰的能力。 此外，还可以减少 对主回路 非线性和 迟滞的影响。 图 3 显示了 关于 上述 描述 串级控制系统的控制原理图。在下面的图表和方程式， Gt(s)表示加热器和冷却器传递函数 ,Gp(s)表示管道传递函数， Gl(s)表示 递函数。Gm(s) Gm(s)表示主控制回路传递函数， Gs(s)表示二次控制回路 传递函数。 Hm(s) 表示测量设备主回路传递函数， Hs(s)表示测量设备二次回路传递函数。 表示 箱中冷却水迟滞 ， 表示通过管道的冷却水迟滞 ， 表示 部热交换迟滞 ， Nt(s) 表示部扰动 ,Np(s)表示管道外扰动 ,Nc(s)表示 Nn(s)表示 Rl(s)表示 部输入温度， Rt(s)表示 箱中冷却水的输入温度， C1(s)表示 的输出温度， Ct(s)表示 箱中冷却水的输出温度。 二次回路中的输入输出函数如下所示： 根据二次回路的稳态，输出 Ct(s)近似等于输入 Rt(s)。因此，主回路的输入输出函数可表示如下： 在此 早期的研究表明， 时间常数约为 4h。传递函数 G1(s） 为 传递函数 Gp(s)为 对于简单的闭环系统 容易消除它的稳态误差。然而，根据方程式 (2)和（ 3)，温度的收敛率从开始到稳态变慢，因为 和 的延迟。而且，很难获得 精确的温度，因为 和 的扰动。在定态的状态之下，由于的作用， 当瞬时温度变动超过冷却水温度 ， 的温度变动超过 。需要几个控制周期才达到下一个稳定状态 。因此介绍 行串联控制结构 图 4是扩展的 个图省略了操作系统 ，在系统的框中确定了主要组成环。与 比较，也有两个控制环和两个控制器。一个是 一个是结合处冷却水温度的副环。它们之间的不同是主控制对象和副控制对象之间是并行的。 副控制对象的输出不是主控制对象的输入。在这个系统中， 控制运算法则是主要的控制器根据 和 之间的偏差决定一个新的冷却水的最佳温度值。然后辅助的控制器中的控制运算法则依照 和 之间的偏差计算 控制环 是一个慢的控制环。控制环 是一个快速控制环，它过去一直快速的预测结合处的冷却水最佳温度值。当合处冷却水的温度就是最佳温度。这个最佳温度将会保存为一个常数。从扰动抑制的观点看，根据前馈控制相同的原则来控制辅助环。他们之间的不同是扰动必须是可测量的前馈结构，而 图 5 显示了上面提到的并行串联控制系统的详细原理图。在下面的图表和方程式中， 代表结合处冷却水的传递函数， 代表副控制器的传递函数。代表辅助环测量装置的传递函数， 代表结合处冷却水的输入温度， 代表结合处冷却水的输出温度。 副环的输入输出的传递函数如下： 在副环的稳定状态下，输出 和输入 近似相等。所以主环的输入和输出的传递函数可以简化为： 比较方程（ 2）（ 3）和（ 7），我们可以得出扰动 和延迟时间常数 从主环分离，只有扰动 和延迟时间常数 仍在主环内。所以辅助环获得了物理结构中互相延迟和互相扰动的分离，且隔离了主控制对象的非线性，互相延迟和互相扰动的影响。这种结构也控制器设计的困难。即使冷却水有温度的变 动，他也能通过副控制器补偿。因此， 的温度控制可具有高精度和快收敛率。 4 非线性比例积分算法 为了进一步提高系统的收敛率和精确度，一种具有非线性 法的二重输入和二重输出智能控制器被设计出来，如图六所示。 的温度偏差 和结合处冷却水的温度偏差 都是控制器的输入端。控制器的输出端是 面冷却水温度值 和结合处最佳冷却水温度值 。 控制器里嵌有智能算法。它包括两级且根据理想的动态响应分为五个控制阶段。高级算法决定从我们先前介绍的五个阶段中选择 10。非线性 法在低级算法中使用，它将 在后面的段落中介绍。 考虑到温度控制系统的相互扰动特点， 法代替了不同比例积分算法（ 因为不同项目将引起高频率振动和增加系统稳定性误差。 图七显示了非线性 法的原理图，在接下来的图表和方程中， 代表 代表结合处最佳冷却水的温度值， 代表 制法 对 的 影响， 代表 制法 对 的影响， 代表 制法 对 的影响， 代表制法 对 的影响， 和 代表数据融合系数。 控制算法可以被描述如下： 其中 i=1， 2， j=1， 2， 是基本不相关的增加的 制算法 ： 其中， 代表比例系数， 代表积分系数， 代表取样结果，和 分别代表在 k 时刻的控制输出， e（ e（ k）分别代表（ k 时刻的信号偏差。 数据混合系数由已有的规则得出。详细规则如下： 其中 代表由 温度的的稳态误差决定的偏差值， 代表由 温度的暂态误差决定的扰动值， 代表由结合处冷却水温度的稳态误差决定的偏差值， 代表由结合处冷却水温度的暂态误差决定的扰动值。 根据已有的规则和控制过程的输入信息，可以获得十六种不同的算法。根据输入数据控制器可以灵活的选择任何一种 算法。这不仅能提高算法的适应性和收缩率，还能增强系统的稳定性和反干扰能力。 5 实验验证控制结构与算法 如图 8 所示，建立了一个实验平台来验证该方法的有效性，其中包括一个仿制 度传感器，温度测量系统， 程计算机，隔热室，光源等。仿制的 实 际的 有相同的温度特性。隔热室模仿光刻表面隔离热的作用。用一个 20W 的白炽灯作为暴露光源。三个温度传感器具有高精度的负温度系数， 的校准精度是用来检测 的温度，结合处冷却水的温度和热隔离室外环境的温度 。温度测量系统由 1590 模型超温度计和一个具 有 分辨率的扫描器组成。 置了的精确度。工程计算机上具有智能算法。 用四个实验来检测控制系统和算法：（ a）是用开环结构，（ b）使用具有 法的 c）使用具有 法的 d）使用具有非线性 法的 这些试验中理想的 度是 22，非线性 法的参数是： 是 是 是 是 实验结果如图 9 所示。图 9（ a）展示了开环结构的温度曲线。正如图 9 所示， 定且没有达到 2 系统中存在三个大的稳定性误差，使用闭环系统是非常必要的。图 9（ b）显示了使用闭环系统 20 小时后代到了稳定。图 9（ c）显示了温度收敛比图 9（ b）快，但 温度的精确度并没有得到很大的提高。图 9（ d）显示了具有非线性 法的 统的温度曲线。它只用了 时达到了 稳定。即使外部温度 在 内摆动， 的温度仍可以达到 的稳定性。很明显新的方法大大的增加了收敛率，精确性和抗干扰能力。 6 结论 通过使用闭环交互系统可以提高光刻 温度控制准确性。通过分析和实验揭示了具有 法的 统具有预测和滚动最优的能力。它在收敛率，控制精确性，抗干扰能力方面比开环结构和闭环 好。它用于光学领域生产 100过简单的改进，它也可以控制其他的需要远程遥控的非直接温度控制，尤其是侵入液体的侵入式光刻等复杂对象的温度控制。 F 9, 1, 011 23in is to of in to in In it is to in dc be in dc of of It be in in is at of It in is on by by of 1. n as a of in 8, 2010; 8, 2011. S. W. is he is a ( M. V. is is 6% 0%. US is to 0% is 5,195 MW 0,925 MW 009. of is of of to to so as to in a of to of on A in on of -5. of in to of . . of in is to is to . of of 9. to 0,11. of to of to in it in s a or it as a in is at on In is . . F 9, 1, 011 24 to In to of of is is on at to in of is as to 2. he in on of is a in it is to , 1. In is as as is be 123Z= (1) 12I is r.m.s is of to At of is 1. (2) 2of L L+1. in in in . in 2. In .5 to be as it to it is as + is at in of )LZ + (3) h is is to of is , is is is on as 4): 1=. (4) in an on 2. is on on it is to in 3. he to in is on on as 2. 315 V,50 =LV ia,b,2. of to of 15 V, 50Hz of , R, b,c et n of is by is as an of is to is dc to be in in be is in at of of he to is 3. In of a dc is to a is a dc at is is of is by a be is by so is to to as an of in as 4. 3. of 4. of is as sa ( )ii v v + (5) sb ( )ii v v + (6) sc ( )ii v v + (7) ib iS + (8) , , by * of , , to to N FF or In a is to of a is by A, C. of A=() of a of a be , 21, 2(9) h of A=0 S =1 of to in a is of To in a is at as )120 )120 )= =+DD(10) be be 0 s) 6420246I (F 9, 1, 011 26 )120 )240 )iI = =DD(11) is to of of a. is to be of is or is it or to It at a 4. he of is as he is it of of by of is (12) (kgm3) is (is by It is to of it a of in it is (13) of m, = (14) is s be as a of . It is a . If it is to is . (15) )= (16) 23 (17) in m/s. dc(5. dc 4.2 n is as 3. of is it is as dc dc(dc( I (18) is is dc(is as 5. is to is by a in an b. of dc (19) It is to to dc (20) r.m.s of 0 dc is 00V. is as (21) of of n of of is on of as as is 2. in an of is on In a b b b et 7in in to as dc n of is as a of is if FF if it N. be 2 1311 2 = . (22) of a of A, 3-17. 5. he of a of is 2 it is of It . he is as a of of is as as to is is on s, L, in at of : is as as is in is 6 (a). in is 6 (b). is 6 (c). be of is at t=is as a 6. (a) (b) c) 7. (a) b) of (c) by d) of 3415V, 50.5 150415 V, 50P=4, 5m/s C= 5F. =100, C=1F 1200V Forward 光刻投影镜头多闭环温度控制系统 摘 要 图像质量是光学光刻工具的最重要指标之一， 尤其易 受温度 、 振动和投影镜头（ 染 的影响 。本地温度 控制的 传统方法更容易引入振动和污染， 因此研发 多闭环 温度控制系统来控制 温度，并隔离振动和污染 的影响 。一个新的远程间接温度 控制（ 案 ，提出了 利用 冷却水 循环完成对 嵌入温度 控制 单元（ 的 加热器和冷却器 用于控制 冷却水的温度 ，并且， 避免震动和污染的影响。 一种包 含 一个 内部 级联 控制 结构（ 一个外部 并行 串 联 控制 结构 （ 新 型 多 闭环 控制结构 被用来 防止大惯性， 多重迟滞 ， 和一种非线性比例积分（ 算法应用，进一步提高收敛速度和控制过程 的 精度。不同的控制回路和算法的对比实验 被用来验证对控制性能的影响。结果表明，精度达到 规格 的 多闭环温度控制系统收敛 率 快 ，鲁棒性强 ，自我适应能力好。 该方法已成功地应用于光学光刻工具，制作了 临近尺寸 （ 100纳米的模型 ，其 性能 令人满意。 关键词 ：投影镜头，远程间接温度串级控制结构，并行串 连 控制结构，非线性比例积分（ 算法 1 简 介 由于集 成电路缩小，更小的临界尺寸（ 求，生产 过程 的控制越来越严格。作为最重要的制造 工艺 设备，先进的光学光刻工具需要更 严格 的微控制环境， 如 严格控制其温度 、 洁净度 、 气压 、 湿度等 。 温度波动，特别是导致图像失真 和 平面图像转变，成为 了 光学光刻工具对图像质量影响的 一个 关键因素。投影镜头 (的 温度 精度要求一个光刻工具 在接近 制造 一个小于 100 另外 需要 敛 率 快 以降低光刻技术的所有权（ 的成本 . 然而，实现这些目标 是 一个很大的挑战，因为加热器和冷却器 控制温度 要求操作远 离 否 则其性能 将被它们的 振动和污染 所破坏 。另一个原因是， 包含数十个镜头 ， 会导致几个小时惯性，所以 并 需要 很长时间去调整适应 。 因此，一个 新的结构和控制算法 是 度 控制的必要和重要部分。 许多温度控制结构 已经被提出了。 著名的经典 方法之一是被 广泛应用于 简单或低精度 温度控制 系统的 单闭环回路控制 结构 。当被控对象变得更加复 杂或 产生分布式干扰 时， 串级控制结构（ 的 提出改善 了 精度和收敛 率 。预测前馈控制结构已被证明具有更好的 滞后 系统性能。另一种有效的方法 ， 并行串级控制结构（ 也 开发了具有 延迟 分布 式干扰的系统 。但 是 上述使用方法，很难实现 制的 高精确度和 快 收敛 率 。 在此， 本文 提出了一种新的方法，即多 闭 环温度控制 系统，含有一个内部 文 大致分为四个 部分。 第一部分解释了一个 远程 间接温度控制 方法的应用。 第二部分 是一个 多 闭环回路 温度控制结构 的分析。 第三部分，一个双 进 双出非线性比例积分（ 法 的提出用来提高控制过程的收敛速度和精度。 在文章的最后一 部分 ，对比实验验证了系统的有效性 这种显示 ，最后，给出了 结论。 2 远程间接温度控制方法 为了防止 震动和污染影响 一个 远程 间接温度控制 的方法被提出来 控制 不同于传统 的 直接加热和冷却控制对象 的方法 ，它 借助于冷却水和冷却套间的热交换使 冷却水通过长距离管道由 冷却外壳。 温度传感器 、 温度控制器 、 加热器 、 冷却器 和 泵 组成。 它用于 调节冷却水的温度以达到需求值 。 图 1所示 。 理论上，这种方法属于开 环 结构 。 除了 他光刻技术 的部分 ，如晶圆 阶段 、 标线的阶段 、 标线交接 、 晶圆移交等， 都在操作时产生热量 。 却水还用于 冷却光刻技术的其他部 件 。 循环系统 回收冷却水 ， 节省最大能量 ， 是 很必要的。图 1展示了 包括 离器、 冷却 套和管道 的循环系统。从 储水 中抽出冷却水 通过管道和 分离器进入冷却套 ，最后通过合成器 、 管道和 冷却 器流回储水箱 。 对冷却水循环系统的分析 表明了影响 度的 三个 主要因素 ： 干扰多， 迟滞多， 还有 惯性 大 。干扰 多 ，包括冷却水 温度波动 ， 质之间的热交换 。冷却水温度波动是多种因素造成的，其中包括 励 温度 震荡造成的 非线性 加热冷却 ， 管道和周围气体之间的热传递 ，以及光刻 工具其他地方产生的 热量 。 在这个循环系统中， 冷却水温度波动 达到 最差的情形 。 一个是 当 激光穿过透镜 时，内部 辐射和 导 热 交换 ，另一个是在镜 头和内部净化氮 之间的导热和对流热交换。至于激光，它的散热量大概是 15W。 部介质之间热交换 来自两个方面 ， 一方面来自 一方面来自 但是， 于其复杂性 ，故 难以计算 。迟滞多 主要包括 热和冷却 3秒迟滞，冷却水交换 3分钟迟滞，还有 0分钟 迟滞。 此外， 杂结构导致不平衡热交换，而由于 其体积大导致惯性在和小体积物体相比时，温度波动较小。 上述分析表明， 仅仅通过开环结构使 非常难以实 现的。 此外， 在开环结构中 还有 很大的稳态误差。在以下部分中，我们将介绍一个提高 并解释如何提高温度控制精度和收敛 率 。 3 多闭环控制 结构 多闭环温度控制结构由一个内部 连 控制结构 所示。有两个分别带有两个控制器的反馈回路。主要回路 用来控制 成了第二条回路 . 分析这个系统的运作质量是很容易。如果 度偏离 期望 值 ( 嵌入 主 控制器 中的 控制算法会 通过比较温度的测量值 算一个新的冷却水温度设定值 （ 。 然后，发送新的设定值 度控制器 。 随后根据温度测量 值 对 到温度达到新的设定值。 连续地给出。 制回路是一个慢控制回路。 快速跟随主回路设定值 当一个新的 设定值 需要几分钟 时间去调整 二次回路具有很强的抗内部干扰的能力。 此外，还可以减少 对主回路 非线性和 迟滞的影响。 图 3显示了 关于 上述 描述 串级控制系统的控制原理图。在下面的图表和方程式， Gt(s)表示加热器和冷却器传递函数 ,Gp(s)表示管道传递函数， Gl(s)表示 m(s) Gm(s)表示主控制回路传递函数， Gs(s)表示二次控制回路 传递函数。 Hm(s) 表示测量设备主回路传递函数， Hs(s)表示测量设备二次回路传递函数。 表示 表示通过管道的冷却水迟滞 ， 表示 Nt(s) 表示Np(s)表示管道外扰动 ,Nc(s)表示 Nn(s)表示 Rl(s)表示 Rt(s)表示 C1(s)表示 Ct(s)表示 二次回路中的输入输出函数如下所示： 根据二次回路的稳态，输出 Ct(s)近似等于输入 Rt(s)。因此，主回路的输入输出函数可表示如下： 在此 早期的研究表明， h。传递函数 G1(s） 为 传递函数 Gp(s)为 对于简单的闭环系统 容易消除它的稳态误差。然而，根据方程式 (2)和（ 3)， 温度的收敛率从开始到稳态变慢，因为 和 的延迟。而且，很难获得 为 和 的扰动。在定态的状态之下，由于的作用， 当瞬时温度变动超过冷却水温度 ， 的温度变动超过 。需要几个控制周期才达到下一个稳定状态 。因此介绍 行串联控制结构 图 4是扩展的 个图省略了操作系统 ，在系统的框中确定了主要组成环。与 比较，也有两个控制环和两个控制器。一个是 一个是结合处冷却水温度的副环。它们之间的不同是主控制对象和副控制对象之间是并行的。 副控制对象的输出不是主控制对象的输入。在这个系统中， 控制运算法则是主要的控制器根据 和 之间的偏差决定一个新的冷却水的最佳温度值。然后辅助的控制器中的控制运算法则依照 和 之间的偏差计算 控制环 是一个慢的控制环。控制环 是一个快速控制环，它过去一直快速的预测结合处的冷却水最佳温度值。当合处冷却水的温度就是最佳温度。这个最佳温度将会保存为一个常数。从扰动抑制的观点看，根据前馈控制相同的原则来控制辅助环。他们之间的不同是扰动必须是可测量的前馈结构，而 图 5 显示了上面提到的并行串联控制系统的详细原理图。在下面的图表和方程式中， 代表结合处冷却水的传递函数， 代表副控制器的传递函数。代表辅助环测量装置的传递函数， 代表结合处冷却水的输入温度， 代表结合处冷却水的输出温度。 副环的输入输出的传递函数如下： 在副环的稳定状态下，输出 和输入 近似相等。所以主环的输入和输出的传递函数可以简化为： 比较方程（ 2）（ 3）和（ 7），我们可以得出扰动 和延迟时间常数 从主环分离，只有扰动 和延迟时间常数 仍在主环内。所以辅助环获得了物理结构中互相延迟和互相扰动的分离，且隔离了主控制对象的非线性，互相延迟和互相扰动的影响。这种结构也控制器设计的困难。即使冷却水有温度的变 动，他也能通过副控制器补偿。因此， 4非线性比例积分算法 为了进一步提高系统的收敛率和精确度，一种具有非线性 法的二重输入和二重输出智能控制器被设计出来，如图六所示。 结合处冷却水的温度偏差 都是控制器的输入端。控制器的输出端是 面冷却水温度值 和结合处最佳冷却水温度值 。 控制器里嵌有智能算法。它包括两级且根据理想的动态响应分为五个控制阶段。高级算法决定从我们先前介绍的五个阶段中选择 10。非线性 将 在后面的段落中介绍。 考虑到温度控制系统的相互扰动特点， 因为不同项目将引起高频率振动和增加系统稳定性误差。 图七显示了非线性 法的原理图，在接下来的图表和方程中， 代表 冷却水的温度值， 代表结合处最佳冷却水的温度值， 代表 的影响， 代表 制法 对 的影响， 代表 制法 对 的影响， 代表 的影响， 和 代表数据融合系数。 控制算法可以被描述如下： 其中 i=1， 2， j=1， 2， 是基本不相关的增加的 其中， 代表比例系数， 代表积分系数， 代表取样结果，和 分别代表在 e（ e（ k）分别代表（ 数据混合系数由已有的规则得出。详细规则如下： 其中 代表由 代表由 代表由结合处冷却水温度的稳态误差决定的偏差值， 代表由结合处冷却水温度的暂态误差决定的扰动值。 根据已有的规则和控制过程的输入信息，可以获得十六种不同的算法。根据输入数据控制器可以灵活的选择任何一种 算法。这不仅能提高算法的适应性和收缩率，还能增强系统的稳定性和反干扰能力。 5 实验验证控制结构与算法 如图 8所示，建立了一个实验平台来验证该方法的有效性，其中包括一个仿制 度传感器，温度测量系统， 程计算机，隔热室，光源等。仿制的 实际的 热室模仿光刻表面隔离热的作用。用一个 20个温度传感器具有高精度的负温度系数， 的校准精度是用来检测 的温度，结合处冷却水的温度和热隔离室外环境的温度 。温度测量系统由 1590 模型超温度计和一个具 有 分辨率的扫描器组成。 置了的精确度。工程计算机上具有智能算法。 用四个实验来检测控制系统和算法：（ a）是用开环结构，（ b）使用具有 c）使用具有 d）使用具有非线性 这些试验中理想的 2，非线性 是 是 是 是 实验结果如图 9所示。图 9（ a）展示了开环结构的温度曲线。正如图 9所示， 定且没有达到 2 系统中存在三个大的稳定性误差，使用闭环系统是非常必要的。图 9（ b）显示了使用闭环系统 0小时后代到了稳定。图 9（ c）显示了温度收敛比图 9（ b）快，但 9（ d）显示了具有非线性 只用了 时达到了 稳定。即使外部温度 在 内摆动， 稳定性。很明显新的方法大大的增加了收敛率，精确性和抗干扰能力。 6 结论 通过使用闭环交互系统可以提高光刻 过分析和实验揭示了具有 的 在收敛率，控制精确性，抗干扰能力方面比开环结构和闭环 用于光学领域生产 100过简单的改进，它也可以控制其他的需要远程遥控的非直接温度控制，尤其是侵入液体的侵入式光刻等复杂对象的温度控制。 电池储能加强风力发电机在电力 系统集成 . . 要 风力发电，因其在电网的电网穿透率因而正在覆盖到世界各地。由于其随时间变化的性质和造成稳定性的问题，风力发电是一直波动的，这种弱的互联风在电网的发电来源会直接影响电能质量和它的可靠性，局部能源库应当赔偿波动功率和支持加强电力的风力发电机系统。在本文中提出了在电流控制模式下电压源逆变器 (能，即通过直流总线的电池。风力发电测量出风速的变化，并储存在蓄电池中，这个储能直流电压保持在整个刚性总线的电压源逆变器上，所提出来的方案提高了电力系统的可靠性和稳定性和维护单位功率因数，它也可以运行在电力系统的独立模式下，在风力发电的功率交换和动态情况下的负载是可行的，在普通点耦合时能保持规范的电能质量。它加强了电力系统的薄弱电网部分，在这种控制策略评估动态条件使用测试模拟系统，结果通过比较，验证了控制器的性能。 关键词 ： 能质量；风能发电系统。 在最近几年，风 力发电已经作为一种干净的和取之不尽，用之不竭的新能源而备受关注的，风力发电的普及率已经在世界各地持续增加，电力发电可再生能源投资的增长速度也正在世界范围内增加，德国大约有 16%的电力来自风能，丹麦也有 12%电力来自风能，美国正在计划产生 20%的来自风能的电力，印度是全球第五大风能生产国，其在 2009年总风电潜力估计为 45195兆瓦，装机容量为 10925兆瓦。然而，风电场输出功率是波动的，并且会影响到互联电网。所以这就需要一些措施来减少输出波动率并保持在网格的电能质量。 已经做了很多评估研究试图减轻风力发电系统的影响，在互联电网系统有一些基于氢，电容器，电池储能和超导磁储能的形成研究。在日本，电池储能被用于减缓风电场稳定短期波动输出的变化，提出了大量的能量储存为了提供所需设备去管理风电波动，加强风力吸收，实现节省燃料成本，并减少 放的目的。提出的一种统计方法就是利用两节电池储能，其中风力是用于一个充电电池储存，而另一个是用于放电电池储存，该控制方法是为电池充电状态提出的，静态补偿器和储能电池固定速度的风力发电机为电力系统提高了电能质量和增加了稳定性。风力发电渗入到电力 系统 将会增加对风力变速的进一步运用以容纳电力系统的最大功率，因此，它通过今天的电池储能促进了风力发电系统，电池储存能对充电放电快速反应，使它在电力系统中作为一个恒定电压源，当风速波动，特别是在高输出低于正常运行速度时，电池储存是有效的，因此，输出曲线平滑很大程度上取决于电池的储能能力。 在本文中，该系统在加强电力系统上是高效和经济。为了验证该系统的有效性，电池储存和风力发电系统提出了电流电压源逆变器的控制方式，位置控制器在模拟运行是基于瞬时建模的，提出电能储存的 控制系统有以下目标： *在公共耦合总线的单位功率因数 *风力发电机的无功功率支持和电池负载 *在电网故障情况下独自操作 本文结构如下：第 2部分介绍了广义薄弱网络系统，第 3部分给出了系统配置加强了电力系统，第 4 部分提出了数学模型，第 5 部分介绍了系统的性能，第 6 部分是结论总结。 广义风力发电机接口系统在电力系统中对各侧都有电压，风力发电机所连接的总线是电力系统中的一个薄弱节点，它可以通过阻抗连接到强大的网格上，如图 在广义电力系统中， 三相电源被对称地发送，线电压与 3 倍相电压相等，并且总的三相功率恒定，电压降阻抗可以写成： 2= 3 （ 1） 其中 2是均方根 (压， 在公共连接点 （ ，风电场和本地负载也连接起来，风力连接的短路功率 Z/1k (2) 图 1 风力发电量的变化通过阻抗 Z 就会引起电流的变化，这些电流的变化又会引起电压变化。在实践中，使网络连接短路比小于 可以避免的，因为它增加了电压波动被称为弱网格。 阻抗 Z=R+遍存在的阻抗谐波为： Z h = R + (3) 其中 就是说，感应电抗随着频率线性变化。 风力发电量和负荷的组合表示为 P+中 P 是有功功率， Q 是无功功率。无功功率则依赖于电压和电流相位之间的移动，如式 （ 4） ： )PQ( (4) 风力的无功功率对电压 些影响依赖于本地负载和反馈的电网阻抗，因此，在风能产生电力系统中使用能量储存系统去强化弱电网是很有必要的。 3 该储能加强了风力产生的网格在电力系统上配置其工作原理和所述开关逆变器的控制策略，如图 2所示： 图 在这个系统中，电源电流的大小是通过瞬时电流源、功率变换器和负载来测定的，电池作为一种能源达到电压调节的目的，该风能发电系统被连接到不受控制的整流桥，其输出电压为可变直流，并且连接到电池储存充电。该电池还可以从低需求的电 网中带电，用于调峰需求，误差电流可以在公共耦合点的网格注入电流控制电压源逆变器。 利用该控制策略去加强风力发电系统，如图 3所示。 在实施控制策略并入电网系统过程中，直流环节需要通过功率变换器连接风能发电系统并入电网中，感应发电机的输出是通过整流器的第一轮转换，电池储能系统的（ 直流电压与参考值连接，它的误差会被送入比例积分器，比例积分控制器的输出被乘以一个基准正弦波发生器，因此，可以得到预期的参考电流 I*际电流可以通过电流传感器从所需的参考电流检测和削减出来，使误差发送到滞后电流模式控制器生成开关模式。因此，这种控制策略在电网系统的开关逆变器中作为一种 瞬时脉冲宽度调制的电流反馈控制方法（ 图 图 逆变器运行的电流控制模式表现为： )(L/i)R(（ 5） )(Li/i)R(（ 6） )(L/i)R( (7 ) C/) (8) 逆变器电压，和压，ii,i 和是逆变器电流，通过和参考电流i*i,*i 和的比较获得开关信号，是实际的源电流，误差电流ii,i 和被应用于滞后控制器，会对开关电源产生正确的信号，是开关进行开和关的操作，直到电流超过或者低于有效值。在这种技术中，一种独立的比较器用于驱动逆变器，一个三 臂桥逆变器的导通状态用三变量逻辑开关函数表示，分别是S,S 和。滞后控制器相位 A 反转得到开关函数 )i(的特性，这一特性构成了所描述的磁滞回线。 2/S2/ （ 9） 其中， 1A 和 表示开关的状态。 由于这种开关函数，逆变器用电源电流无谐波的方式将电流注入电网中。 注入的电流将会抵消一部分有反应性的和高次谐波的负载电流，从而提高功率因数，为了实现这个目标，电网检测并产生电流同步逆变命令，一个三相平衡电压源在电网上被表示为： )120ts V)120ts V)ts （ 10） 因此，对于比较的参考电流必须来自源（电网）电压，这些电流可以表示为： )2 4 0ts 2 0ts Ii)ts （ 11） 其中 确保了控制电流源是为了看正弦波时电源电压是否平衡。 风力发电系统和储能电池系统是最合适的，因为它可以迅速注入或者吸收无功功率去稳定电网，它还以非常快的速度控制这些线路分布和传输系统。 风力电池发电系统的数学模型描述如下： 感应发单机已用风涡轮发电系统，因为它的优点就是从变速原动机发电，与同等级的其他机器相比，更适合高速运行，便于维护，降低成本，电压和频率控制的电网，风力发电系统输出功率表示为： 3 (12) )3 是空气密度， A(通过的涡轮叶片横扫的区域，利用所有的风能是不可能实现的，因而只能提取一部分的风能，被称为风力涡轮功率系数 下式表示： (13) 其中 (14) 这也被称为 这个系数可以表示包含速度 和倾角的函数 ，它是一个高度非线性的 和 的函数的功能，如果机械扭矩 应用，可以很方便地生成系统，其中 是计算涡轮转速的。 bi e c hm e c h / (15) 因此： )V,(fP w bi e c h (16) pw in m e c h (17) 其中， 位是 m/s。 图 在逆变器中，电容器作为中间元件，减弱了风力发电系统，电网系统系统如图 3所示，使用来建模的电容器比电 感更加有效和昂贵。 b)in v(dc)in v( （ 18） 其中 C 是电路电容， 形）是整流后的直流测电流， 是逆变器直流侧电流，如图 5所示。 电池存储连接到直流电网，由一个电压源 一个内部电阻 表，内部电压随着电池充电而变化，终端电压 （ 19） 保持足够的直流链接级以满足电压逆变器是很有必要的。 （ 20） 到线中性的电压逆变器电压，交换频率是 2输出频率是 50 是调制指数（ 因此，这个直流线性电路专门为 800V。 直流环节电容计算为： C （ 21） 在电池储存的分析系统中，电池的数学模型是依赖于系统研究的，电池模型的数据目前是作为终端的行为而言：相似的短期模型是将电压源 一个内部电阻 联起来研究的。电池的响应时间是依赖于它的电气参数，实际上的一般使用铅酸蓄电池。在电池存储的应用上，直流环节的设计上大量的电池串联产生所需要的操作电压。 在电压源逆变器上，转换器的每个开关都被表示为一个二进制开关，该电阻
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