用于数字质量流量控制器的系统和方法技术方案

一种用于控制数字质量流量控制器内的气体流量的方法。所述方法计算更精确地表示通过所述数字质量流量控制器的实际流量的数字增强的流量信号。使用从流量检测器输出的检测的流量信号、经过比例处理的检测的流量信号的一阶导数、以及经过比例处理的检测的流量信号的滤波的二阶导数计算数字增强的流量信号。设置点信号和数字增强的流量信号比较，从而产生数字误差信号。所述数字误差信号被提供给数字实现的ＰＩ（比例积分）控制器。ＰＩ控制器产生用于控制数字质量流量控制器中的阀门的数字控制信号。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

System and method for digital mass flow controller

A method for controlling gas flow in a digital mass flow controller. The method calculates more accurately indicated digital traffic signals that are enhanced by the actual flow of the digital mass flow controller. Use from the traffic detection signal, flow detector output through the first derivative and flow signal processing and the ratio of flow signal after two order derivative flow signal processing of the proportion of filtering calculation of digital enhancement. The set point signal is compared with the digital enhanced traffic signal to produce a digital error signal. The digital error signal is provided to the digital implementation of the PI (proportional integral) controller. The PI controller generates a digital control signal for controlling the valve in the digital mass flow controller.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及用于控制质量流量控制器中的气体流量的方法和系统，尤其涉及具有快速响应从而在数字质量流量控制器中设置点步输入的用于产生数字信号的方法和系统。
技术介绍
质量流量控制器(MFC)是一种用于设置、测量和控制一种生产气体的质量流量的闭环装置。半导体应用已经并继续成为质量流量控制器技术发展的动力。此外，质量流量控制在其它工业例如制药工业和食品工业中也是有用的。热质量流量控制器由包括流量检测器的前半部分和包括控制阀的后半部分构成。流量检测器通常由围绕一个毛细管缠绕的两个电阻温度检测器构成。当气体通过所述检测器流动时，热量被带到下游，并且温差和气体的质量流量成正比。控制阀通过电子电路接收来自流量检测器的信号，从而调节气体流量。通常使用电磁启动阀作为控制阀，因为其具有简单，响应快，鲁棒性和成本低的优点。遗憾的是，热流量检测器具有慢的响应时间，这是因为热变化要在相当长的时间内才能发生。例如，在图1中示出了实际流量对时间的曲线和测量流量对时间的曲线。y轴表示流量，而x轴表示时间。实际流量被表示为一个近似的阶跃函数u(t)，其中流量达到稳态值所用的时间τ可以忽略。τ表示时间常数，其取检测的流量达到实际流量的63％时所用的时间。这个时间有1.7秒之多。达到实际流量的至少99％所需的时间大约为5τ。遗憾的是，由检测的流量建立实际流量的精确的测量所需的时间延迟可能在阀控制中引入误差。关于通过控制阀的流量的信息被反馈回控制阀。这个信息的精确反馈中的延迟可能引起进入处理室的气体流量的不希望的误差。图2表示在现有技术中使用的用于补偿检测流量对实际流量的时间延迟的方法。实际流量是幅值为f0的单位阶跃函数。图2表示一阶微分反馈控制环10，其中流量检测信号12被输入到具有增益＝1的一阶增益级14和微分器级16。微分器级16的输出被输入到增益＝τ的二阶增益级18。增益级14和增益级18的输出相加而产生一阶微分反馈控制环的输出20。这种方法近似由下式给出的指数信号的流量信号12f(t)＝f0(1-et/τ)，(1)其中f0是最后的稳态流量，t是时间，τ是和流量检测器相关的时间常数。输出20由下式给出output=f(t)+τdf(t)dt---(2)]]>在式2中插入式1，得output＝f0u(t) (3)一阶微分反馈控制系统10的输出是等于实际流量f0u(t)的幅值f0的阶跃响应。因此，使用一阶微分反馈控制系统10比仅仅使用检测的流量信号12可以更精确地近似实际流量。图2所述的现有技术的方法具有3个缺点。第一个缺点是流量检测器一般不是线性的。因此，在输入到控制系统的流量检测器信号中具有一定数量的固有误差。第二个缺点是微分器一般是一种模拟器件。在模拟域中微分器件的硬件实现是困难的，因此，这些方法经常使用由线性电路实现的近似微分。最后一阶微分反馈控制系统不能识别通过流量控制器的气体的流量确实不是一个真正的一阶指数。因此，这类系统具有某个固有误差。因此，需要一种用于精确的计算质量流量控制器中的实际气体流量的方法。所述方法应当减少或者消除流量检测器的非线性问题。这种方法还应当更精确地近似不是真正的指数信号的流量检测信号。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于控制数字质量流量控制器内的气体流量的系统和方法，其基本上消除或减少了和以前研制的用于控制数字质量流量控制器中的气体流量的系统和方法相关的问题。本专利技术提供一种用于计算数字增强的流量信号的方法，所述流量信号更精确地表示通过数字质量流量控制器的实际流量。使用从流量检测器输出的检测的流量信号、检测的流量信号的经过比例处理的一阶导数以及检测的流量信号的经过比例处理的二阶导数计算数字增强的流量信号。使一个设置点信号和所述数字增强的流量信号比较，从而产生数字误差信号。把所述数字误差信号提供给数字实现的PI(比例积分)控制器。所述PI控制器产生数字控制信号，用于控制在数字质量流量控制器中的阀门。本专利技术的一个优点在于，使用二阶导数比只使用一阶导数能够更精确地逼近检测器信号。检测器流量信号的更精确的近似使得在生产过程中能够实现更精确的、响应更快的气体流量控制。本专利技术的另一个优点在于，使用数字信号使得能够容易地和数字处理器例如计算机连接。例如在校准期间，可以访问高速数字处理器，以便帮助进行精确计算，这对于流量控制器中的任何单板DSP控制器都是过于冗长的。附图说明通过参照附图阅读下面的说明可以更加完整地理解本专利技术及其优点，在附图中相同的标号代表相同的特征，其中图1表示在流量检测器中流量检测器的输出随时间的变化以及和实际流量的对照曲线；图2是现有技术采用模拟一阶微分和反馈以便较好地由检测流量近似实际流量的方法的基本控制图；图3是本专利技术的一个实施例，用于说明作为数字质量流量控制器的系统；图4说明一阶增益级对数字增强流量信号的连续表示的影响；图5说明二阶增益级对数字增强流量信号的连续表示的影响；以及图6说明滤波器时间常数对数字增强流量信号的连续表示的影响。具体实施例方式下面结合附图详细说明本专利技术的优选实施例，图中相同的标号代表相同的或相应的部件。本专利技术提供一种用于控制数字质量流量控制器中的气体流量的方法。所述方法计算更精确地代表通过所述数字质量流量控制器的实际流量的数字增强的流量信号。所述数字增强的流量信号使用从流量检测器输出的检测的流量信号、检测的流量信号的经过比例处理的一阶导数以及检测的流量信号的经过比例处理的二阶导数被计算。使一个设置点信号和所述数字增强的流量信号比较，从而产生数字误差信号。把所述数字误差信号提供给数字实现的PI(比例积分)控制器。所述PI控制器产生数字控制信号，所述控制信号用于控制在数字质量流量控制器中的阀门。图3表示本专利技术的一个实施例。在图3中，在质量流量控制器22中的实际流量24由检测器26测量。检测器26可以包括围绕毛细管32绕制的电阻性的线绕线圈28和30。检测器26的输出是检测的流量信号34，该信号可以被输入到AD转换器36中。AD转换器36的输出是数字检测流量信号38。数字检测流量信号38被输入到微控制器44中。微控制器44被编程用于实现由线性化模块40、微分模块46和PI控制器54表示的处理的计算要求。微控制器44，即数字信号处理器(DSP)控制器，其具有在其芯片上的可被多次重复编程的快速程序存储器阵列中编程的软件。所述软件包括用于在微控制器44内实现所述功能所需的所有指令。常数系数(滤波器系数、线性化系数以及各种增益系数)在计算机55中被算出，并被下载供微控制器44使用。线性化模块40可以执行最小二乘法，用于使数字流量信号38线性化。数字检测流量信号38需要被线性化，这是因为检测器26一般产生作为实际流量24的非线性函数的检测的流量信号34。线性化模块40输出线性化的数字检测流量信号42。有许多方法可用于进行检测的数字流量信号的线性化。这些方法包括最小二乘法和本领域技术人员熟知的其它回归技术。在这些方法中还包括在T.I.Pattantyus等人在1999年7月9日申请的序列号为09/350747，名称为“System and Method forSensor Response Linearization”的美国专利中披露的方法。数字线性化的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制数字质量流量控制器内的气体流量的方法，所述数字质量流量控制器具有用于控制在所述数字质量流量控制器内的气体的流量的阀门和用于测量通过所述数字质量流量控制器的实际气体流量并输出检测的流量信号的流量检测器，所述方法包括：根据所述检测的流量信号的加权的一阶导数、所述检测的流量信号的滤波加权的二阶导数和所述检测的流量信号产生代表所述数字质量流量控制器中的最终的稳态流量的数字增强的流量信号；比较设置点信号和所述数字增强的流量信号，从而产生数字反馈误差信号；以及通过输入所述数字反馈误差信号到比例积分（ＰＩ）控制器，产生用于控制在所述数字质量流量控制器中的所述阀门的数字控制信号，并从所述ＰＩ控制器输出所述数字控制信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：埃曼纽尔瓦尔斯，
申请(专利权)人：米克罗利斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]