性能监视和调优控制器

采用阶跃响应方法调优控制器(CE， 2007年2月“学术观点”)是一种行之有效的方法，但并不是所有人都愿意去做。

2000年，霍尼韦尔工程师调查了各个行业，发现对已安装控制器的性能评估数字如下:优秀的16%，可接受的16%，一般的22%，较差的10%，开环的36%。由于时间效率，在线调整性能差的循环是一个有吸引力的选择，但自整定控制器的广泛应用仍然不被许多控制从业者和工厂管理人员所信任。在一些工厂中，由于有数千个循环，目标通常是拥有在任何时候都或多或少令人满意的闭环性能，而不是在某些时候工作最优，而在某些时候需要注意的控制器。

对于制造过程中的任何反馈控制系统，由于两个原因，可能会出现预期性能的变化。进程发生变化或控制器性能下降。在第一种情况下，主要过程参数的变化量如果不改变控制器调优就无法纠正。但是，如果在过程中没有任何变化的情况下，控制器性能下降，那么必须分析控制器，以验证它在给定条件下的最佳行为。

开发反馈控制系统的性能度量的第一次努力是在20年前使用最小方差控制，它代表了反馈控制系统的最佳可实现性能。与此基准测试相比，所有其他类型的控制器(如PID)的表现都不是最优的。该方法包括拟合一个模型来处理在常规闭环控制下收集的数据。有了这个模型，实际性能可以与使用最小方差控制器的结果进行比较。但是，使用这个基准有缺点。当最小方差控制应用于实际系统时，它会导致被操纵变量的较大变化。闭环控制往往具有较差的鲁棒性。也就是说，它可以对增益、主导时间常数或时间延迟中的误差非常敏感。因此，实现它并不总是可行的。

新的方法可以应用于确定可实现的PID控制性能与最好的PID控制器可能。最近，我们将这种方法应用于半导体晶圆厂。半导体制造中涉及的大多数工艺都是以批处理的方式进行的，因此任何工艺更改都涉及批处理配方的更改。运行到运行控制是最流行的控制形式，其中控制器参数可以在每个批次之后根据前一个批次的数据进行调整。利用EWMA(指数加权移动平均)控制器与离散积分控制器的理论等价性，将PID控制器的性能监控算法应用于半导体制造中常用的运行式EWMA控制器。

用这种性能监测方法对29种蚀刻工艺进行了比较。蚀刻工艺的各项性能指标呈一定的分布。所考虑的所有流程的性能指标都在0.2到1.0之间，其中1.0是可以设计的最佳PI控制器。虽然40%的过程在0.9到1的范围内，其余60%均匀分布在0.1到0.8的区域，类似于霍尼韦尔的数字。因此，许多蚀刻过程被发现在次优控制器下运行。在50个批次的移动窗口中查看性能指标随时间的行为是有指导意义的。通常，性能突然下降发生在批次序列的中间。此后，控制器的性能下降。

那么，在拥有数千个循环的工厂中，性能监控应该如何实现呢?软件可以每天监控所有的循环，然后生成一个需要注意的循环的优先级列表。包含这些信息的电子邮件可以在每天早上8点自动生成，并发送给控制工程师进行处理。

作者信息

托马斯·埃德加(Thomas F. Edgar)是德克萨斯大学奥斯汀分校的化学工程教授。与他联络:tfedgar@austin.utexas.edu

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。