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基于性能评估的EWMA控制器在线优化方法

更新时间：2019-12-24 20:22:55 大小：815K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：EWMA控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为解决半导体制造业中小批量、多品种的生产特性和设备老化造成的控制器性能下降的问题,针对最常用的指数加权移动平均控制器,提出一种基于性能评估的在线优化方法.在性能评估过程中,以时间序列分析中定义的输出均方差作为评判基准,提出一种新的性能评价指标.通过评估EWMA控制器的性能得到控制器当前的最优参数并自动整定,同时结合移动窗口技术实现在线优化,使控制器性能始终保持在最佳状态.为验证方法的可行性和有效性,以化学机械抛光过程的在线优化问题为实例进行了仿真实验.

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第20卷第11期

0 1

计算机集成制造系统

Computer Integrated ManufacturingSystems

V01．20 No．11

Nov．2 01

4年11月

DOI：10．13196／j．cims201411025

基于性能评估的EWMA控制器在线优化方法

陈良，葛翠翠，王飞龙

(苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021)

摘要：为解决半导体制造业中小批量、多品种的生产特性和设备老化造成的控制器性能下降的问题，针对最

常用的指数加权移动平均控制器，提出一种基于性能评估的在线优化方法。在性能评估过程中，以时间序列分析

中定义的输出均方差作为评判基准，提出一种新的性能评价指标。通过评估EWMA控制器的性能得到控制器当

前的最优参数并自动整定，同时结合移动窗口技术实现在线优化，使控制器性能始终保持在最佳状态。为验证方

法的可行性和有效性，以化学机械抛光过程的在线优化问题为实例进行了仿真实验。

关键词：指数加权移动平均控制器；在线优化；性能评估；自动整定

中图分类号：TP273．2

文献标识码：A

Online

methodof EWMAcontroller based ₀₁₁

assessment

performance

optimization

CHEN_Liang，GECu—cui，WANG

Fei-long

(School of Mechanical and Electric

Engineering，Soochow

215021，China)

University，Suzhou

the

solve the

characteristic of

Abstract：To

and

reduction of controller

quality

manufacturing

multi-type，small-batch

caused

semiconductor

industries，an online

method based on

per-

by aging equipments

lnanufacturing

optimization

formance assessment was

for the most common used

proposed

Exponentially Weighted Moving

Average(EWMA)

controller．In the

new index was

the mean

error

process

performance evaluation，a

de—

proposed bytaking

square

fined in the time series

obtain the current

as the evaluation

_ofEWMA_controller

was evaluated to

benchmark The

analysis

performance

auto-tuning．Meanwhile，online optimization

could make the control

maintain

of controller

and tO

was realized

con—

optimal parameters

with the

window

technology，which

^theoptimum

by combining

moving

system

dition all the time．In addition，simulationof chemical mechanical

was carried out to

the

fca—

polishing process

verify

and effectiveness of

method．

sibility

proposed

Key words：exponentially weighted moving average controller；online optimization；performance assessment；

auto-tuning

程控制和先进过程控制的基础上，提出基于过程模

型的批间控制理论[3。4]。该理论利用半导体制造业

批次生产的特性，于批次间隙测量历史输出数据，并

以此为依据修正下一批次的制程方案[5]，达到提高

产品质量的目的。指数加权移动平均(Exponen—

tially Weighted Moving-Average，EWMA)控制器

是一种典型的批间控制器，其因对动态扰动有较好

0引言

近年来，科技的进步和人类需求的增多使半导

体制造业成为世界上发展最快的产业之一。但是，

随着集成电路特征尺寸的不断减小和晶圆尺寸的不

断增大卟2|，半导体生产工艺越来越复杂，传统的控

制方法已经无法满足要求。对此，有学者在统计过

Nov．2013．

收稿日期：2013—10-22；修订日期：2013—11—20。Received

Oct．2013；aecepted

the Na—

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60904039)；江苏省科技计划资助项目(BC2011084)。Fo岫曲6岫items：Project supported

Projects Jiangsu Province，China

tional Natural Science Foundation，China(No．60904039)，and the Science and

(No．BC2011084)．

Plan

Technology

万方数据

2858

第20卷

(1)

计算机集成制造系统

的补偿作用，且结构简单、维护方便，而在半导体生

产过程中被广泛应用。

Y^一口+p“卜1+取。

式中：k表示生产批次，口是过程初始偏置，表示设备

的初始状态；口表示输入输出增益；U 表示第k一1

批次的输人变量(系统的时延是1个采样周期，这是

批次生产过程的特性)；Yk表示第k批次的过程输

出；讯表示动态扰动，一般用带有漂移的IMA(1，1)

时间序列[93对其建模：

虽然EWMA批间控制器在半导体生产中取得

了显著的成果，但是实践表明，其控制性能会随时间

逐渐变差，导致产品之间的差异增大。研究发现，造

成EWMA控制器性能变差的主要原因有两个：

(1)小批量、多品种的半导体生产特性L6。70

在

实际的半导体制造业中，由于电子信息技术产业的

快速发展以及顾客需求的多样化，旧产品被淘汰，新

产品被引入，产品的生产周期变得越来越短，使得半

导体制造业逐渐向小批量、多品种的生产模式转变，

因此同一个半导体制造厂需要同时生产多种不同的

产品。与此同时，建设一个半导体工厂的投资非常

大，设备的闲置意味着资源的浪费，保证每台生产设

备都能得到最充分的利用是提高产量同时降低产品

成本的有效方法之一。为提高设备的利用率，减少

设备的停机时间，一台设备往往用来生产多种不同

的产品，这种做法使被控对象的模型频繁改变。

(2)生产设备的老化及故障半导体生产过程

中存在缓变漂移和突变漂移[8]，缓变漂移表示设备

老化以及生产环境改变造成的影响，变化较平缓；突

变漂移表示设备故障或更换零件等原因造成的影

响，变化较急剧。因此，即使只生产一种产品，被控

对象的模型也并非一成不变。

琅一耻1+占+(1一陇-1)&，0 口 1。(2)

式中：￡。是符合正态分布的白噪声序列￡t N(o，

髭)；艿是漂移项，表示设备老化等因素造成的影响。

Box和JenkinsEl0]已经证明动态扰动可以写成如下

形式：

取一T1--_岔Z-r1既。

取一T孑r既。

式中ek (夥(1--0)，髭)为有色噪声，会导致输出的

均值不为0，即E(Yk)≠0，但对输出的方差没有

影响。

每一个生产批次之后，控制器都会通过一个简

单的EWMA滤波器更新过程模型的截距

(4)

吼一A(yk—bu卜1)+(1一A)口卜1。

式中：．；I是EWMA控制器的可调参数(o A 1)；b

是卢的估计值，可以通过实验设计方法或回归分析

得到。根据新的截距及EWMA的控制法则，可以

得到下一批次的输入

(5)

Uk一(y妒一a^)／b。

式中Y舶是过程的目标值。

综上所述，在半导体生产过程中，由于产品变化

和设备老化原因，被控对象的模型是时刻变化的，在

解决这类复杂时变问题的过程中，固定参数EWMA

控制器的性能会逐渐变差，难以达到设计时的性能

指标要求。据统计，大约有60％的控制回路存在性

能下降的缺陷。

文献[11]表明EWlVlA控制可以用内模控制

Model

(Internal

Control，IMC)结构表示，图1所

示为基于IMC结构的EWMA控制器结构框图。

其中：G(z_1)一肛叫是实际的过程传递函数，d表示

过程的时延；G(z叫)=bz叫是离线估计的过程传递

针对上述问题，本文提出一种EWMA控制器

的在线优化方法。该方法以控制器的性能评估为基

础，结合移动窗口技术，利用历史输出数据对控制器

的性能进行在线评估，同时得到控制器的最优参数。

通过实时调整控制器的参数，使其跟随被控对象的

变化而相应地达到最优，以保证EWMA控制器能够

对多产品类型和设备老化等因素起到较好的补偿作

用。最后利用MATI。AB软件对化学机械抛光过程

的在线优化进行仿真，结果验证了该方法的有效性。

函数；GIMc(Z--1)一，1，G，(z-1)一F彳rAi瓦j表

EWMA滤波器；协一瓯(Z--1k一蒙岩靠表

示系统的扰动项。

EWMA控制器

批次控制是一种基于过程模型的控制方法，

EWMA控制算法一般使用线性模型描述半导体生

产过程：

图1基于IMC结构的EWMA控制器框图

万方数据

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