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硕j ：论文 离散环境下过程控制技术的理论研究与仿真分析 摘要 过程控制技术是一种有效的减小过程波动，提高质量的方法。统计过程控f 1 i j ( s p c ) 与自动过程控n ( a p c ) 是目前两种主要的过程控制方法，s p c 产生于零件工业( p a r t s i n d u s t r y ) 而a p c 产生于过程工业( p r o c e s si n d u s t r y ) 。长期以来，这两种方法一直独 立发展。自1 9 9 2 年以来，s p c 与a p c 的结合逐渐成为一种必然趋势，但目前国内外 的研究主要集中于连续型制造业。本文在理论分析的基础上通过仿真的方法研究了离 散环境下的结合过程控制技术。 在离散环境下结合统计过程控制与自动过程控制的研究中，r u n t o r u n 控制是一 个重要方向。近年来，r u n t o r u n 控制被广泛应用于实践中并取得了良好效果。目前， 国内外对r u n t o r u n 控制的研究主要集中于结合r u n t o r u n 控制的控制器。 本文首先对s p c 与a p c 结合的控制技术、r u n t o r u n 控制以及e w m a 控制器 三者的国内外研究现状做了综述。其次阐述了s p c 、a p c 、s p c 与a p c 结合以及 r u n t o r u n 控制的基础理论。在此基础上，本文论述了结合r u n t o r u n 控制的e w m a 控制技术，采用状态方程针对不同的扰动模型分析了此时e w m a 控制器的稳定性与 灵敏性，给出e w m a 控制器的设计方案。然后根据此研究，提出一种基于经济模型 的e w m a 控制方案。最后，用计算机仿真的方法，对控制方案的有效性进行证明， 并分析了经济模型下e w m a 控制器参数的选取。 关键词：s p c 与a p c 结合，r u n - t o r u n 控制，e w m a 控制器，经济模型，仿真研 究 a b s t r a c t p r o c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v em e t h o df o rr e d u c i n gp r o c e s sv a r i a n c ea n d i m p r o v i n gq u a l i t y s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ( s p c ) a n da u t o m a t i cp r o c e s sc o n t r o l ( a p c ) a r et w om a i np r o c e s sc o n t r o lm e t h o d sa tp r e s e n t t h eo r i g i no fs p cw a si nt h ep a r t s i n d u s t r y , w h e r e a sa p ch a di t so r i g i ni nt h ep r o c e s si n d u s t r y t h e s et w om e t h o d sh a v e b e e n d e v e l o p e di n d e p e n d e n t l yf o ral o n gt i m e s i n c e19 9 2 ，t h ei n t e g r a t i o no fs p ca n da p ch a s g r a d u a l l yb e c o m ea l li n e v i t a b l et r e n d ，b u tt h es t u d yo nt h i sm e t h o dm o s t l yf o c u s e do n c o n t i n u a lm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yb e f o r eb o t hi nc h i n aa n da b r o a d t h r o u g hs i m u l a t i o n b a s e do nt h e o r y a n a l y s i s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ei n t e g r a t i o n p r o c e s sc o n t r o l t e c h n o l o g yu n d e rd i s c r e t ee n v i r o n m e n t r u n - t o - r u nc o n t r o li sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h es t u d yo fi n t e g r a t i o no fs p ca n da p c u n d e rd i s c r e t ee n v i r o n m e n t i nr e c e n ty e a r s ，r u n t o r u nc o n t r o lh a sb e e nw i d e l yu s e di n p r a c t i c ea n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s a tp r e s e n t ，t h es t u d yo fr u n t o r u nc o n t r o lm a i n l y f o c u s e do nt h ec o n t r o l l e r sc o m b i n e dw i t hr u n t o r u nc o n t r o lb o t hd o m e s t i ca n d o v e r s e a s t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s tr e v i e w st h ep r e s e n ts t u d yo ft h ei n t e g r a t i o no fs p ca n da p c ， r u n t o - r u nc o n t r o l ，a sw e l l 嬲e w m ac o n t r o l l e rb o t hi nc h i n aa n da b r o a d n e nm e d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h eb a s i ct h e o r i e so fs p c ，a p c ，i n t e g r a t i o ns p ca n da p ca n d r u n t o r u nc o n t r 0 1 a f t e rt h a t ，t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ee w m a c o n t r o lt e c h n o l o g y c o m b i n e dw i t hr u n t o - r u nc o n t r o l ，s t u d i e st h e s t a b i l i t ya n ds e n s i t i v i t yo fe w m a c o n t r o l l e ru n d e rd if f e r e n td i s t u r b a n c em o d e lt h r o u g hs t a t e s p a c et h e o r ya n dd e s i g n st h e e m w ac o n t r o l l e ru n d e rm m s e r u l e a c c o r d i n gt ot h i ss t u d y , t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r d a ne w m ac o n t r o ls c h e m eb a s e do ne c o n o m i cm o d e l t h e nt h r o u g hs i m u l a t i o ns t u d yi t p r o v e st h ee f f e c ta n de f f i c i e n c yo ft h i ss c h e m ea n ds e l e c t st h ep a r a m e t e ro fe w m a c o n t r o l l e ru n d e re c o n o m i cm o d e l k e yw o r d ：i n t e g r a t i o no fs p ca n da p c ，r u n t o r u nc o n t r o l ，e w m ac o n t r o l l e r , e c o n o m i cm o d e l ，s i m u l a t i o ns t u d y h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：羞鞫孑 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：杰煎年月日 顾l ：论文 离散环境下过程控制技术的理论研究1 j 仿真分析 1 绪论 1 1 选题背景 著名质量管理专家朱兰博士( j m j u r a n ) 在1 9 9 4 年美国质量管理学会的年会上 曾提出，二十世纪将以“生产力的世纪载入史册，而未来的二十一世纪将是“质量 的世纪”【l l 。随着世界经济与科技的迅猛发展，质量已经不仅仅是顾客对产品的品 质要求，是现代工业社会和各国经济建设中一个受到普遍关注的突出问题。质量已成 为全世界的共同语言，不论是发达国家还是发展中国家，甚至包括日本、美国在内的 一些经济高度发展的工业化国家，都把提高产品质量和服务质量放在重要的位置，并 且不断寻找提高产品质量和服务质量的有效途径。 在这样的环境的促使下，质量管理的发展经过传统质量管理阶段、质量检验管理 阶段、统计质量管理之后，随着全面质量管理的提出进入了现代质量管理阶段拉j 。进 入2 l 世纪后，随着知识经济时代的到来，企业靠市场，市场靠产品，产品靠质量， 科技与质量创新是决定竞争制胜的关键，全面含义上的质量竞争已成为企业竞争的焦 点。在这种环境的驱使下，关于质量管理各个方面的研究越来越多，产生了许多理论 成果，在实践中发挥了巨大作用。 “ 质量工程是实施质量的连续改进的主要途径之一，最早由田口博士提出，主要包 括识别与确定关键特性、质量设计技术、过程监控技术、产品检验、测量系统、可靠 性工程技术等内容【3 】。现代质量工程的主要研究方向是减小、抑制和控制产品在过程 中出现的波动。目前，过程控制技术是质量工程领域中的一个研究重点。过程控制为 减小、抑制和控制波动，改进和保证产品质量提供了有效的方法，是实施过程改进和 保证产品质量的一个重要手段。 过程控制领域有两种主要的控制理论和方法：一种是来源于零件工业的统计过程 控制( s t a t i s t i cp r o c e s sc o n t r o l ，简称s p c ) ；另一种是来源于过程工业的自动过程控制 ( a u t o m a t i cp r o c e s sc o n t r o l ，简称a p c ) 。统计过程控制与自动过程控制都能起到减小 过程波动、提高产品质量的作用【4 】。 统计过程控制通过对生产过程中的产品质量特性的观测值进行统计分析和描图， 实现对产品品质的实时监控和预测，从而达到发现异常、及时改进、减少波动、保证 工艺过程稳定、提升产品总体品质的目的【5 。7 1 。目前统计过程控制的技术已经比较成 熟，统计过程控制解决方案已经得到广泛应用。但是尽管统计过程控制能够检测和识 别生产过程是否正常运行，却不能提供相应的控制手段，所需要的控制行为仍然由现 场工程师来实施，这种对人为经验的极大依赖很大程度上制约了控制的效果。而自动 过程控制却可以根据生产过程中的实际状况，自动的对过程进行调整，达到优化控制 l 1 绪论硕士论文 并提高产品品质的目的【8 j 0 1 。于是，开始有人提出将两种控制技术结合使用，以发挥 各自的优点，达到更好的控制效果。 目前，在质量控制中，学术界已经广泛认同了统计过程控制与自动过程控制可以 相互补充、共同减少波动、优化过程的观点。二者结合使用可以克服各自的缺点，同 时充分发挥自动过程控制反应敏捷和统计过程控制便于诊断的优点。在整个生产过程 中，通过统计过程控制对过程进行监控，发现失控的原因，进而消除它，减少波动， 确保产品质量稳定地符合设计要求；通过自动过程控制对过程进行适当的调整，抑制、 抵消波动，优化过程。具体来说就是利用统计过程控制来监控过程，检测异常波动并 寻找和消除造成异常波动的根本原因，而利用自动过程控制技术来抵消可以预测的过 程波动，从而全面地减少过程的波动2 1 。这两种过程控制技术的结合，己成为质量 控制领域的研究热点。 1 2 研究现状与研究意义 1 2 1 研究现状 1 ) s p c 与a p c 结合 早在上世纪8 0 年代，m a c g r e g o r 就提出了结合统计过程控制与自动过程控制的 想法。1 9 9 2 年，b o x 和k r a m e r 首先对s p c 与a p c 的异同进行了讨论【l 引，1 9 9 7 年， b o x 和c o l e m a n 等再次对s p c 与a p c 进行了比较研究【1 4 】。此后，基于这些理论，学 术界对统计过程控制与自动过程控制相结合的理论、方法和技术进行了大量的研究。 m o n t g o m e r y 与k e a t s 于上世纪9 0 年代初对s p c 与a p c 相结合的技术进行了初 步研究，并通过举例说明了二者相结合时的控制效果显著优于单独使用其中一种控制 技术时【9 1 。目前，在二者相结合的研究中，比较有代表性的有：s a c h s 等人的批次过 程控制技术( r u n t o r u n ) 的研究【限1 6 j ； v a n d e rw 萌l 等人的算法统计过程控铝i j ( a s p c ) 的研究【1 7 1 8 1 ；j a n a k i r a m 与k e a t s 等人对具有离散和连续混合特| 生( h y b r i dp r o c e s s ) 的过 程控制的研究；h b n e m b h a r d 等人的开工阶段( s t a r t u po p e r a t i o n s ) 过程控制的研 究【2 0 】；c h i n - c h o uc h i u 等人的失控信号的探测的研列2 1 。2 2 】；f u g e et s u n g 等人对s p c 与a p c 相结合时p i d 控制器与控制图的设计的研究【2 3 2 6 】等。除此之外，在国内还有 一些相关的研究成果：清华大学的孙静博士对自相关过程质量控制的研究，提出了自 相关过程的调整均值控制图、分析了自相关过程的统计控制状态【2 7 - 2 8 j ；宝山钢铁股份 有限公司的邱星斌等人对自动过程控制过程性能的研究，给出了计算自动控制过程的 过程性能指数的方法【2 9 】；西北工业大学的王海宇等人研究了运用m m s e 控制器和p i 控制器进行自动过程调整后的监控问题，分别给出了针对这西种不同控制器的最优监 控策略 3 0 - 3 。 2 硕上论文离散环境下过程控制技术的理论研究j 仿真分析 2 ) r u n t o r u n 控制 r u n t o r u n ( r 2 r ，r t r ) 控制，即批次与批次控制，也被称为r u n b y r u n ( r b r ) 。 在结合统计过程控制与自动过程控制的研究中，r u n t o r u n 控制近年来较受关注，并 且在实践中被广泛应用取得了良好效果。r u n t o r u n 控制这一说法最早于年由麻省理 工学院的s a c h s 等人提出。r u n t o r u n 控制假设制程方案( r e c i p e ) 与产品质量特性 的关系为一阶静态线性模型，利用指数加权移动平均构建设定最佳制程方案【i5 1 。目前， 对r u n t o r u n 控制的研究主要集中于结合r u n t o r u n 控制使用的控制器，主要有以 下几种研究成果：( 1 ) 1 9 9 3 年，s a c h s 等人研究了针对不同的过程干扰模型探讨了结 合r u n t o r u n 控制使用的e w m a 控制器，并研究了使用此类控制器调整之后的稳定 性与敏感性【3 2 】；( 2 ) b o d e 提出了借鉴预测模型、滚动优化、反馈校正等思想提出了 基于模型预测控制的r u n t o r u n 控制器【3 3 】；( 3 ) 1 9 9 7 年，c a s t i l l o 与h u r w i t z 对 r u n t o r u n 控制进行了综合说明，提出了一种结合r u n t o r u n 控制使用的自调整 ( s e l f - t u n i n g ) 控制器【l6 】；( 4 ) c a s t i l l o 提出了优化自适应品质( o p t i m i z i n ga d a p t i v e q u a l i t y ) 控制器，这种控制器实际上是基于最d , - 乘原理的【3 4 1 。在国内，相关的研究 成果较少，主要有台湾大学的r u e y - s h a ng u o 等人研究了结合r u n t o r u n 控制使用 的e w m a 控制器参数的选掣”】；香港科技大学的f u g e et s u n g 分析了结合r u n t o r u n 控制的p i d 控制器的性能，并用仿真的方法分析了p i d 控制器参数的选取，设计了 适于监控由p i d 控制器控制的过程的控制图【2 5 】；k a i b ow a n g 研究了结合定性信息与 过程调整的r u n t o r u n 控制方案，并提出了一种无条件( c a t e g o r i c a l ) 控制器【3 6 】；上 海交通大学的李赣平等人研究了基于矢量回归模型的r u n t o r u n 控制技术【3 7 1 。 3 ) e w m a 控制器 对于e w m a ( e x p o n e n t i a l l yw d g h t e dm o v i n ga v e r a g e ) 控制器的研究很广泛。国 外有关于加权矩阵的权值调整方面的研究；对控制器算法进行改进的研究，主要是预 测校正控制器和双指数加权移动平均控制器，其特点是使用两个移动平均加权矩阵来 处理噪声和过程漂移，使得控制器具有更好的渐进性能；对预测模型的改进的研究， 主要的研究重点是改善控制器里的一阶线性预测模型或者提出新的预测模型【3 8 1 。此 外，我国台湾交通大学的c h u n c h i nh s u ，c h a o t o ns u 等人研究了e w m a 控制器结 合神经网络系统时的使用方法1 3 9 1 。 4 ) 经济模型 很早就有人开始了对于过程控制技术中经济模型的研究。m o n t g o m e r y 提出了通 过设置控制图参数来减小成本的经济模型，研究了经济模型下e w m a 控制图的设计 【4 u 】；s a n i g a 等人研究了经济模型下控制界限的设置；c r o w d e r 针对生产批次的长短提 出了弹性的控制界限、以降低成本【4 1 】；w e ij i a n g 与k w o k l e u n gt s u i 等人也对经济模 型下控制图的设计进行了研刭4 2 1 。显然，这些研究大都局限于统计过程控制。 i 绪论硕上论义 1 2 2 研究意义 r u n t o r u n 控制最早产生在半导体生产过程控制中。 半导体生产与其他生产相比，具有其独特的特点【1 5 】【1 6 】【3 8 】：( 1 ) 半导体生产过程 中往往存在着突变漂移( s u d d e no f f s e t ) 和缓变漂移( s t e a d y s t a t eo f f s e t ) 。半导体生 产设备得特性会随着批次发生改变。比如，生产设备不可能一成不变，随着生产的进 行设备会随之发生变化，而产品就会随着这些变化有缓慢的漂移趋势，而当变化达到 一定程度时就需要对设备进行维修保养、甚至更换新的生产设备，这就会给设备特性 带来阶跃式的扰动，这就是突变漂移。除了设备会产生过程漂移以外，生产过程中的 原料之间也会有差异，比如硅片之间的表面特性会存在偏差，进料硅片的薄膜厚度和 均一度往往受前道工序的影响。( 2 ) 缺乏实时测量数据。尽管目前己经有一些针对半 导体生产过程的先进实时传感器例如测量薄膜厚度的分光仪等，但对决大多数生产过 程来说，大量的质量特性指标数据仍然要等当前批次加工结束后才能通过采样与测量 得到，这样不可避免的使控制的实施滞后。对快速热处理等过程来说，缺乏实时测量 数据意味着实时控制无法实现。( 3 ) 半导体生产具有小批量多品种的特性。半导体生 产是一系列的间歇过程，每个问歇操作都有相应的生产工艺，即每批次生产过程中会 有其特定的设备的控制器设定值和其它工艺参数。同一设备用于不同的工序或者生产 不同的产品，生产工艺就必须频繁改变。 以上这些特点使得在半导体生产过程中实施先进控制比较困难。因为传统的控制 采用固定制程方案( r e c i p e ) 的单变量控制方式。对于固定制程方案的生产模式，当 生产设备的特性因为老化或者维护产生漂移时，如果仍然按照原来的生产工艺进行生 产，定然会对产品的成品率与质量产生影响。随着特征尺寸的降低，设备特性的漂移 对产品成品率的影响越来越严重。r u n t o r u n 控制就是为了解决这些问题，保证成品 率及控制成本而产生的。 在实际应用中，r u n t o r u n 控制结合了统计过程控制与自动过程控制，克服了单 独使用统计过程控制或自动过程控制的制约，实现了优化控制与实时控制的统一。 尽管对r u n t o r u n 控制的理论研究取得了不少成果，并在一些企业进行了应用， 但目前这些理论和应用大都只关注与结合r u n t o r u n 控制的控制器、控制器的控制 效果，目的为最大限度地降低次品率。 时代在发展，技术在进步，企业间的竞争越来越激烈，不仅仅对产品的质量要求 越来越高，在降低次品率的同时也希望最低限度的降低生产中的消耗，以追求利益最 大化。这就需要综合考虑控制的效果与成本来进行控制。而有关r u n - t o r u n 控制的 研究大部分只关注于控制器的性能6 】【2 5 】【3 2 】【3 3 】【3 4 1 【3 5 】，并未结合实际生产状况考虑其经 济性，对于经济控制方案的研究又= j 三要集中于统计过程控制【4 0 。4 2 1 ，主要涉及控制图的 4 硕i ：论文离散环境下过程控制技术的理论研究仿真分析 经济性设计。目前有关r u n t o r u n 控制的研究并不能解决实际生产中成本过高的问 题。 针对现状，本文通过研究结合r u n t o r u n 控制的e w m a 控制技术，提出一种经 济控制方案，综合考虑了r u n t o r u n 控制的效果与其成本，从理论与实用性上拓宽 了r u n t o r u n 控制的研究内容。产品的质量历来是企业和市场关注的重点，但随着 市场竞争激烈程度的提高，如何在提高质量的同时降低控制的成本也是企业亟待解决 的问题。本论文的研究将为这个问题的解决提供一些方法。 1 3 研究思路及文章结构 本文着重于间歇生产过程中结合r u n t o r u n 控制的e w m a 控制器的研究。首先 对s p c 与a p c 的结合、r u n t o r u n 控制以及e w m a 控制器的国内外研究现状进行 了综述。接着在讨论s p c 、a p c 、s p c 与a p c 的结合以及r u n t o r u n 控制基础理论 的基础上，论述了结合r u n t o r u n 控制的e w m a 控制技术，并应用状态方程的方法 对此时e w m a 控制器的稳定性与灵敏性进行了分析，给出e w m a 控制器的设计方 案。然后根据此研究，提出一种基于经济模型的控制方案。接下来，应用计算机仿真 的方法，对控制方案的有效性进行分析，并研究了经济控制方案中e w m a 参数的选 取。 本文共分五章，结构安排如下： 第一章对本文的研究背景、研究对象、研究意义和研究思路等方面作了一个简要 的说明，并对国内外研究现状进行综述。 第二章详细讨论了统计过程控制与自动过程控制的思想、基本原理和方法，以及 s p c 与a p c 相结合的原理、框架，说明了r u n t o r u n 控制的基本原理与主要实施步 骤。 第三章介绍了结合r 2 r 的e w m a 控制技术的原理，通过状态方程的方法计算出 广义扰动模型下e w m a 控制器的灵敏性函数，并针对几种扰动模型分析了使用 e w m a 控制器的稳定性与灵敏性，给出了m m s e 法则下e w m a 控制器的设计方案。 第四章在第三章研究的基础上，重点研究了一种基于i m a ( 1 ，1 ) 模型的有效 降低成本的控制方案，通过仿真了多种情况全面地肯定了这种方案的有效性，并且分 析了此种方案下e w m a 控制器的设计。 第五章对本文作了一个总结，包括本文所讨论和解决的问题以及需要进一步探讨 和研究的问题两个方面。 本文的研究思路如图1 1 所示。 5 i 绪论 硕j ：论文 6 画文够蜩 壹堂 统计过程控制l1 自动过程控制i 1 一一一j 【j 图1 1 本文的研究思路 硕f ：论文离散环境下过程控制技术的理论研究与仿真分析 2 过程控制技术 g e o r g ee p b o x 说过，我们所生活的世界是不断变化着的。比如在生产过程中， 机器会老化，操作人员会更改【5 1 。这些变化对生产的影响是我们无法完全消除的。但 是，我们可以通过一些方法来尽可能的减小和控制这些影响。 目前，主要的两种过程控制方法是统计过程控制和自动过程控制。 2 1 统计过程控制 统计过程控制最早于2 0 世纪2 0 n 3 0 年代被提出，以休哈特博士的1 9 31 年出版的 著作工业产品质量的经济控制为产生标志，随着8 0 年代初“质量革命”的兴起， 统计过程控制的重要性为人们所重新认识，并被广泛应用于工业生产中【2 】。 2 1 1 原理与思想 统计过程控制是一种以数理统计为基础的过程控制方法，应用统计技术对过程中 的各个阶段进行监控，它通过分析生产过程的统计数据来判断生产过程的波动的状 态，在必要时调整过程参数，以提高过程效能，达到质量控制的目的。 在实际生产中，不管对生产过程的设计多么完善或维持的多么小心，影响产品加 工质量的因素( 如操作人员、设备、操作方法、原材料以及环境等) 在连续不断的生 产过程中都不可能完全保持不变，并且在对产品进行测量时通常会存在误差，这些都 会导致我们得到的产品的质量特性值与所期望的目标值之间存在差异，这就是通常所 说的质量特性发生了波动。波动的幅度可能很大，也可能小到无法测量，但它总是存 在的。 通常，我们将所有引起过程波动的因素归纳为一般因素( c o m m o nc a u s e ) 和特 殊因素( s p e c i a lc a u s e ) 两大类。一般因素，又称为偶然因素，简称偶因，是过程中 所固有的，在生产过程中始终存在并且在技术上难以消除的，由它引起的偶然波动通 常是不可避免的，但一般因素对质量的影响非常小。特殊因素，俗称异常因素，简称 异因，是过程中随机产生的，具有不确定性，此种因素引起的异常波动对质量的影响 非常大，但统计过程控制中可以采取有效措施加以消除。 依据过程所受的波动，我们对过程的状态进行界定。当一个过程在运行中仅受一 般因素影响时，我们认为该过程处于统计受控状念，简称受控状态；相应的，如果一 个过程在运行中除了受一般因素影响外还受特殊因素影响，这个过程就被认为处于统 计失控状态，简称失控状态。 7 2 过程控制技术 硕：j ：论文 2 1 2s p c 工具控制图 1 ) 概述 世界上第一张质量控制图是修哈特博士于1 9 2 4 年5 月绘制出的，经过近8 0 年的 研究和发展，目前控制图的种类已多达几十种。后来发展的控制图比如累积和 ( c u s u m ) 控制图、指数加权移动平均( e w m a ) 控制图等，基本思想与传统的修 哈特控制图并没有本质的区别，只不过根据不同的行业、使用环境及控制对象等对修 哈特控制图进行了优化和改进【4 3 4 6 1 。 控制图是基于数理统计知以建立起来的一种过程控制工具。我们从控制图上质量 特性数据点地起伏变化情况以及数据点和控制界限的相互关系，根据数理统计原理判 断过程是否存在异常、是否处于统计受控状态。控制图是s p c 中最为有效也是最重 要的工具，是s p c 的技术基础。 2 ) 原理与结构 一般，我们假定质量特性x 服从均值为、标准差为仃的正态分布，那么根据 数理统计的基本原理，x 的值落在 t 3 0 ，+ 3 0 范围内的概率为9 9 7 3 。相应的，x 的值落在 一3 0 ，g + 3 0 范围内的概率为0 2 7 ，显然，这是小概率事件。根据正态分 布的这一特性，修哈特构造了常规控制图。 一个控制图由三个部分组成：表示产品质量特性的抽样批次即样本组号的横坐 标，表示每个样本的某种质量特性值的纵坐标；把每个样本的某种质量特性值数据在 图上画点以后，按照样本号顺序依次将质量特性数据点连起来构成的折线，它表示质 量特性随着不同的抽样批次的变化情况；上控制线u c l ( u p p e rc o n t r o ll i m i t ) ，下控 制线l c l ( l o wc o n t r o ll i m i t ) 和控制中心线c l ( c e n t r el i n e ) 。一张典型的控制图 如图2 1 所示。 8 质壁恃怪值 八入 弋 y l l c l 1l11 1 l111 一 图2 1 典型的控制l 纠 栉本组号 硕上论文离散环境下过程控制技术的理论研究勺仿真分析 控制图中的控制界限是判断过程中是否存在异常因素的一个重要尺度。一般，常 规控制图的上下控制界限和中心线为： u c l = 1 t + 3 0 c l = a l c l = 弘一3 0 3 ) 过程状态判断 前文中已经述及，在实际生产中，无论在什么条件下，即使是按一定标准制造出 来的大量的同类产品，质量都不可能完全一致，质量特性值总会存在波动，而这些波 动可以清晰的被反映在控制图中，我们就通过分析控制图来判断过程所处的状态。如 果控制图中所有质量特性数据点均在控制界限内，并且这些数据点在控制界限内随机 排列，那么过程处于统计受控状态；如果控制图中有质量特性数据点越出控制界限， 或者这些数据点在控制界限内不是随机排列，而是呈现出某种缺陷( 如链、趋势、周 期等) ，那么可判断出过程处于统计失控状态，存在特殊因素，此时我们就需要采取 必要的措施，对过程进行调查分析，从而找出异常原因并加以消除，以提高产品的质 量、保证合格率。 ! 以上是简单的判断准则，在实际的使用中，出于不同的需要还产生了其他更为详 细的判断准则，比如西方电气准则，就详细说明了质量特性数据点都在控制界限内时 如何进行失控判断。根据不同情况使用这些详细的判断准则，可以对过程中存在的波 动做出更准确的判断。 4 ) 控制图的使用 控制图在使用中分为分析用控制图和控制用控制图两个阶段。一般过程初始时总 存在异常波动，在分析用控制图阶段，控制图主要用于分析过程状态，查找导致过程 失控的异常原因，剔除异常点，在过程处于统计受控状态且过程能力指数达到顾客要 求后，控制图就转为控制阶段。在控制阶段内，控制图主要用于监控，判断过程中是 否出现对产品质量有严重影响的异常因素，如果发现异常因素，必须寻找原因并尽快 消除其影响。 控制图使用的阶段如图2 2 所示。 9 2 过程控制技术 硕上论文 图2 2 控制图的使用阶段 2 2 自动过程控制 自动过程控制，也被称之为工业过程控制( e n g i n e e r i n gp r o c e s sc o n t r o l ，简称 e p c ) ，是一种广泛应用于工业生产中的过程控制技术。 2 2 1 原理与思想 在过程工业中，许多因素很难通过简单调整达到控制过程质量的目的，如周围的 温度、气压等。这些难以控制的因素只能通过反馈和前馈的方法以补偿的方式控制和 调整生产过程，这就是自动过程控制。 前馈控制是根据过程的一些先验信息( 一般是不可调整但可测量的输入变量的信 息) 来预测过程接下来可能会发生的变化，进而调整有关的输入变量从而对过程的输 出进行补偿；而反馈控制则是根据过程的输出与目标值1 8 j 的偏差来预测接下来可能会 1 0 硕士论文离散环境下过程控制技术的理论研究与仿真分析 出现的偏差，进而对有关的输入变量进行调整来补偿过程输出；同时采用上述两种控 制方案来对过程进行补偿的控制方式称为混合控制。 自动过程控制主要通过控制器对过程进行不断的调整，以补偿过程输出与目标值 之问的偏差，使过程最终的输出变量位于或者接近目标值【8 】【1 0 1 。当输出质量特性与设 计目标值的偏差较大时，控制方程就自动补偿输入，使其偏差变小。设z 为t 时刻过 程输出q 与目标值t 间的偏差，置为对过程输入的补偿量，则自动过程控制的工作 原理如图2 3 所示。 图2 3 自动过程控制的工作原理 2 2 2p i i ) 控制器 1 ) 概述 比例积分微分( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ，简称p i d ) 控制器是自动过程 控制中最常见的控制器。作为一种线性控制器，p i d 控制器根据目标值t 和实际输出 值之间的偏差r ，按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量置，对被控对象进 行控制。 p i d 控制器的原理可以用图2 4 来说明。 图2 4p i d 控制器的原理示意图 在化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程中，9 0 9 6 以上的控制回路具有p i d i l 2 过程控制技术 硕上论文 结构。自2 0 世纪初p i d 控制诞生以来，随着计算机技术和信息技术的飞速发展，自 动控制理论与控制技术取得了令人瞩目的成就，一些先进控制策略不断推出，但p i d 控制器以其结构简单，对模型误差具有稳健性以及易于操作等特点，在大多数控制过 程中能够获得满意的控制性能，仍被广泛应用于工业控制中。 2 ) 连续形式的p i d 控制器 连续形式的p i d 控制方程形式如下： x = k p ( y + j 1 。ry , d t + r d d r f , ) 式中k v 为比例系数，乃为积分时间常数，乃为微分时间常数，写成传递函数形 式： 等- k 叶奉1 哪)e ( j ) 、 币 一 其中，比例环节成比例的反映控制系统的偏差z ，偏差一旦产生，控制器立即产 生控制作用，以减小偏差，比例控制作用的强弱取决于比例系数k 。：积分环节主要 用于对偏差累积进行控制，直至偏差为零，在其他参数不变的情况下，增大积分时间 z ，积分作用减弱，即减慢消除静差的速度，但可减少过度调整，提高稳定性：微分 环节反映偏差的变化趋势，并能在偏差变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期 修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间，微分作用适用于对象容量滞后 较大的控制系统。 3 ) 离散形式的p i d 控制器 本文所讨论r u n - t o r u n 生产过程是一个离散的过程，对过程的测量和调整都发 生在相等的时间间隔：t 2 ，t 1 ，t 。下面我们进一步分析离散制造过程中的 p i d 控制技术。相应的，应用于离散过程中的离散形式的p i d 控制器形式如下： 置= k ( z + 吉y + t o v r , ) 与连续形式的p i d 控制器相同，该式中，k 。为比例系数，乃为积分时间常数， 死为微分时间常数。在实际应用中，通过设计这三个参数的取值，我们可以取得理 想的控制效果。 在质量控制中，经常会应用到另一种形式的p i d 控制器【1o 】： v 五= k e v z + k v z + v 2 z ) 此种控制器被称为增值( i n c r e m e n t a l ) 形式的p i d 控制器。对应于一般形式的 p i d 控制器，这里，k p = k ，墨= k z ，如= k 乙。 p i d 控制器还有一些比较简单的应用方式。 ( 1 ) 离散比例控制器 硕f ：论文 离散环境下过程控制技术的理论研究j 仿真分析 比例( p r o p o r t i o n a l ，简称p ) 控制器，是最简单的一种控制器，一个简单的p 控 制器形式如下： x t = kr , t ， 比例控制器对于偏差r 是即时反应的，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用。 控制作用的强弱取决于比例系数k p ，k ，越大，控制幅度越大。单独使用比例控制器 进行控制，控制结果会存在残差，并且残差大小与k 。成反比。 ( 2 ) 离散积分控制器 一个标准的积分( i n t e g r a l ，简称i ) 控制器形式如下： 置- k , z j = l 增大k ，可以更加快速的消除过程偏差。 a s t r o m 和h a g l u n d ( 1 9 9 5 ) 年指出i 控制器或任何含有i 控制的控制器都可以有 效地消除缓慢漂移。在此结论的基础上产生了一个重要推论：在结合s p c 时，i 控制 器或者任何含有i 控制的控制器可以有效补偿和消除质量特性的突变漂移【1 0 1 。突变漂 移是工业生产过程中常见的一种漂移，也是目前过程监控领域中的研究热点。 在后面的讨论中可以发现，本文重点研究的单一e w m a 控制器其实就是积分控制 器。 ( 3 ) 比例积分控制器 比例积分( p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ，简称p i ) 控制器的形式为： 五= 群z + 墨r i = 1 p i 控制器可以消除比例控制中存在的残差，综合了比例控制和积分控制的优点。 b o x 和l u c e n o ( 1 9 9 7 ) 提出了p i 控制器的另一种形式： 呱= - g ( r , + 冈r ) 其中，g = 一k ，p = k ，k ，。应用这种形式的p i 控制器，配合b o x 和l u c e n o 提出的相应的反馈调整图，可以用插值外推法直接推导出过程所需的控制量。 在一般的工业p i d 控制器中，d 控制部分通常不被应用，应用最为广泛的是p i 控制器【l o 】【4 5 】【矧。因此，对d 控制本文不作详细讨论。 2 3 统计过程控制与自动过程控制的结合使用 2 3 1 原理及逻辑框架 1 ) s p c 与a p c 的差异 作为两种非常主要的过程控制的方法，s p c 和a p c 都可以有效的减小过程波动， 但二者存在定的芹异【9 1 f 2 】【1 3 】1 1 4 】【1 9 】。b o x 和k r a m e r 很早就对这两种控制方法的异同 1 3 2 过程控制技术 硕上论文 进行了分析。 首先，从原理上来看，s p c 一般根据小概率事件原理和连续的假设检验及各种控 制图的应用，如休哈特控制图、累积和图和指数加权滑动平均控制图等，来研究过程 能力，检测过程中的异常波动，对过程进行分析和诊断。而a p c 通常是根据参数估 计的理论和方法，通过控制方程自动监测调整，补偿输入，使其输出波动达到最小， 控制方程通常采用时间序列模型。实际上，a p c 是把输出变量的波动转移到可操纵 的输入变量上去，从而使得输出质量特性值等于或接近设计目标值。简言之，s p c 是 通过检测并消除过程扰动来使过程波动最小化，而a p c 则是通过对过程进行调整来抵 消过程中产生的扰动，最终减小过程波动。 其次，从应用上看，s p c 一般应用于在均值稳定且离散的过程中；a p c 则经常 被用于没有固定均值、自相关的过程中，用过程调整来对干扰加以补偿。 从成本上看，s p c 是在监测到过程波动之后来进行改进，而a p c 在过程中就不断 地进行反馈调整，因而，实现同样的减小过程波动的效果，统计过程耗费的成本较高， 而自动过程控制的成本小的多。 从控制效果来看，s p c 更侧重于监控，并没有主动来减小、抑制和控制波动，在 过程质量改进的初期，s p c 可以有效地确定改进的机会，并且在改进阶段完成后，可 以继续实施s p c 来评价改进的效果并对改进成果进行维持，然后在新的水平上进一步 开展改进工作，以达到更强大、更稳定的工作能力；而a p c 不断的进行反馈调整，却 不能从根本上消除导致波动的异常原因。因此，实施s p c 之后过程一般可以得到改进，