三温区空间晶体生长炉温度系统机理建模与控制

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1、摘要摘要三温区可变温场空间晶体生长炉是一种用于空间晶体生长实验的新型晶体生长炉。本文研究了三温区空间晶体生长炉炉温系统的机理建模与控制方法，实现了三温区空间晶体生长炉的温度控制。并对预测控制进行了改进，将其应用于以晶体生长炉的机理模型为被控对象的仿真实验中，为三温区晶体生长炉的先进温度控制做了必要准备。准确建立三温区空间晶体生长炉的数学模型，在炉的设计工程和控制工程中都非常重要。在晶体炉的设计工程中，对晶体炉的几何结构确定和构件选材具有指导意义；在控制工程中，可以确定系统模型结构有利于辨识晶体炉的控制模型；还可以再缺少实际对象时，模拟实际对象，

2、对控制算法进行预研，节约成本。本文从传热机理的角度分析，得到了三温区晶体生长炉的机理模型，并分析了系统的几何参数和构件的物性参数对模型的影响。设计带前馈的PID控制器，应用Hooke．Jeeves模式搜索法整定PID控制器参数，并使用前馈补偿的方法削弱一次电源波动对系统温度的影响。在进行了大量仿真实验，验证了控制方法的有效性后，将该方法应用于实际控制实验，取得了满意的控制效果，完成了三温区空间晶锌生长炉的温度控制任务。研究了解耦预测控制，使用增量模型预测系统输出，所得控制律中的前馈增益可以直接取单位矩阵，不需要在线调节即可保证系统稳态误差为零。

3、同时，引入增益补偿策略，并分析了这样做的好处。前人指出，在广义预测控制的内模结构下，引入适当的失配滤波器可以改进广义预测控制的鲁棒性。在此基础上，本文提出了一种设计失配滤波器的方法，仿真结果表明，该设计方法是有效的。以机理模型为被控对象，引入失配滤波器，使用带增益补偿的解耦预测控，仿真结果表明．该方法能达到满意的控制效果，为空间晶体生长炉温度的先进控制做了准备。关键词：晶体生长炉；机理建模；温度控制；解耦控制；广义预测控制；增益补偿；内模控制失配滤波器；鲁棒性。AbstractThree．zoneprogrammablefurnaceforsp

4、acecrystalgrowthisanewequipmentformaterialexperimentinthespace．Inthispaperhasdoneresearchonthemechanismmodelingandcontrolofthethree—zonefumaceforspacecrystalgrowth，andrealizedthetemperaturecontrolofthethree—zonefurnaceforspacecrystalgrowth．Also，thispaperhasappliedtheimproved

5、generalpredictivecontrolalgorithmtothesimulation、析thmechanismmodel，topreparefortherealizationofadvancedtemperaturecontroloffurnaceforspacecrystalgrowth．Itisveryimportanttogettheexactmodelofthethree·zonefurnaceforspacecrystalgrowthbothindesignengineeringandcontrolengineering．

6、Inthedesignengineering，itisusefultodeterminetheconfigurationandthecomponentofthecrystalfurnace；inthecontrolengineering，itisusefultoselectthemodelstructuretoidentifythemodelforcontr01．Andalso，itcanbeusedtoreplacetheplantwhiledoingresearchonthecontrolalgorithmwhenthethree—zone

7、furnaceforspacecrystalgrowthisunavailable，thusreducingtheresearchcost．Thispaperhasestablishedthemechanismmodelbyanalyzingtheheattransfermechanism，andalsoanalyzedtheinfluenceoftheconfigurationandthecomponenttothemodel．Inthispaper，thePIDwithfeed—forwardcontrollerhasbeendesigne

8、d，anditsparameterswereobtainedusingHooke—Jeevesalgorithm．Thefeedforwardcomp