การพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิในเตาปลูกผลึกโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์

Abstract

วิทยานิพนธ์นี้นำเสนอการพัฒนาระบบควบคุมอุณหภูมิในเตาปลูกผลึกโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ทั้งนี้การหลอมวัสดุด้วยเตาปลูกผลึกเป็นวิธีการหนึ่งในการสร้างวัสดุผลึกเดี่ยว ซึ่งประกอบด้วย 2 ส่วนคือส่วนระบบควบคุมอุณหภูมิและระบบควบคุมการเคลื่อนที่ เตาเผาที่มีคุณภาพต้องสามารถสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพ โดยจะต้องควบคุมการเคลื่อนที่อย่างช้าๆของเตาเผาผ่านชิ้นงาน ซึ่งจะทำให้เกิดการไล่ระดับของอุณหภูมิและมีการควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ตลอดการใช้งาน ในการทดลองนี้ได้ออกแบบเตาปลูกผลึกต้นแบบโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ MCS51 ควบคุมการเคลื่อนที่ของเตาเผาและใช้สเต็ปปิ้งมอเตอร์เป็นต้นกำลัง ควบคุมอุณหภูมิด้วยระบบพีไอดี วัดและวิเคราะห์การไล่ระดับอุณหภูมิที่ระดับความเร็ว 1, 5 และ 10 มิลลิเมตรต่อชั่วโมง โดยการทดสอบระบบด้วยระบบการควบคุมแบบเปิดโดยใช้สัญญาณฟังก์ชันหนึ่งหน่วย วิเคราะห์ผลนำมาหาค่าพารามิเตอร์สาหรับสร้างแบบจาลองทางคณิตศาสตร์ของระบบให้ความร้อน เปรียบเทียบผลระหว่างแบบจำลองกับระบบจริง และทำการเปรียบเทียบในระบบปิดควบคุมด้วยตัวควบคุมพีไอดี ผลการทดลองพบว่าระบบให้ความร้อนที่ทดสอบเป็นระบบอันดับหนึ่ง เมื่อใช้ค่าอัตราขยายเฉลี่ย แบบจำลองจะให้ผลใกล้เคียงระบบจริงที่ 58 เปอร์เซนต์ ปรับเปลี่ยนใช้ค่าอัตราขยายที่ได้จากการจัดการแบบถดถอยเชิงเส้นจะให้ผลใกล้เคียงระบบจริงที่ 81 เปอร์เซนต์ เมื่อใช้การควบคุมแบบพีไอดี แบบจำลองจะมีค่าผิดพลาดที่ 2.4 เปอร์เซนต์

This thesis presents the development of temperature control in crystal growth furnace using mathematic model. According to melting material with crystal growth furnace is one of method to synthesis single crystal material. The compositions of this furnace can be divided into two parts: temperature control system and movement control system. The qualities of furnace must be capable of creating efficient gradient temperature by control the movement slowly of furnace through sample which will operate level of temperature and can control stabilities of temperature. This experiment firstly designs the crystal growth furnace model using MCS51 microcontroller as movement controller and stepping motor as power generator. PID system is used as temperature control system. The measurement and analysis of gradient temperature are tested at speeds of 1, 5 and 10 mm/hr. The experiments are tested with open loop system by using unit step function. The results analyzes are used to control parameter for create mathematical model of heat system, it is then compared the results between model and real system. The final comparison and analysis is used in closed loop control. The results show that the heat system is the first order system. Using the gain averaged on simulation model provides yield similar real system at 58%. The gain derives from the linear regression that provides similar real system at 81%. By using PID controller, the model provides an error 2.4%