高质量多晶硅铸锭炉及其控制系统研究

作     者：魏良亭 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱熀秋

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：多晶硅铸锭炉 三区六面加热结构 模糊控制 改进型粒子群优化算法 

摘      要：国家“十四五规划以及2035远景目标中,明确提出要积极发展光伏等新能源产业,多晶硅铸锭炉作为光伏产业中关键生产设备承担着重要作用。传统多晶硅铸锭炉采用两区加热结构,其加热效率以及多晶硅锭产品质量受到一定限制,且控制系统效率、精度和可靠性存在不足。为了解决上述问题,本文设计了一种三区六面加热结构,并在铸锭炉石墨平台底部设计了一种热门传动散热装置来提高熔化阶段的加热效率和长晶阶段的散热效率。基于三区六面独立加热结构,优化了控制系统算法,并完成软硬件设计和试验测试。论文主要工作如下:1、阐述了多晶硅铸锭炉的研究背景和意义,概述了多晶硅铸锭炉炉体结构、控制系统及其原理、国内外的发展情况。从热场结构、热场数学模型和系统控制算法三个方面分析了多晶硅铸锭炉及其控制系统的研究现状和发展趋势。2、通过分析热场的传热过程、性能和能耗,并结合生产工艺及要求,设计了一种三区六面加热结构,并在石墨平台底部增加热门传动装置。利用ANSYS有限元分析软件,分别对三区和两区加热结构进行热场仿真对比分析,验证优化结构的可行性。3、建立了温度、气体流量控制数学模型,并设计了一种模糊控制器来解决气体流量控制对象非线性、大滞后等问题。针对温度控制系统,为了能够在生产过程中自动调整控制参数,设计了一种模糊PID控制器,并利用粒子群算法自动寻优模糊PID温度控制中的量化因子与比例因子,以此来提高控制效率。为解决粒子群算法搜索精度不足问题,继而设计了一种非线性递减惯性权重优化基本粒子群算法来解决上述搜索精度问题,最后利用MATLAB仿真验证控制系统的控制效果。4、完成基于Opto22可编程工业控制器的控制系统的软硬件设计和实验,并通过设计联锁与协调策略、网络冗余通讯结构来提高控制系统可靠性。最后进行加料试验,分析得出基于优化的三区加热结构,气体流量模糊控制、改进型粒子群算法优化模糊PID控制效果更佳,产品质量得到进一步提高。