梁達(dá)平，趙利民，蔡志元

(1.天水師范學(xué)院電信與電氣工程學(xué)院，甘肅天水741000；2.天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

分層遞階智能控制在IC測試分選機(jī)中的應(yīng)用

梁達(dá)平1，趙利民1，蔡志元2

(1.天水師范學(xué)院電信與電氣工程學(xué)院，甘肅天水741000；2.天水華天科技股份有限公司，甘肅天水741000)

針對(duì)目前IC測試分選機(jī)因各功能單元之間無協(xié)調(diào)控制算法而導(dǎo)致的產(chǎn)能競爭沖突問題，在改進(jìn)型分選機(jī)設(shè)備中引入了其它行業(yè)解決類似問題比較成功的分層遞階控制結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)構(gòu)中的組織級(jí)控制層采用了智能化程度較高的專家控制策略，在執(zhí)行級(jí)控制層中采用了控制精度較高的迭代學(xué)習(xí)策略。通過對(duì)改進(jìn)前后兩種設(shè)備的算法模型進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證明采用分層遞階控制方案的設(shè)備性能要遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)方案的設(shè)備，其流水線配合協(xié)調(diào)度明顯提高，并具有良好的動(dòng)態(tài)特性和魯棒性。

分層遞階控制；專家控制；迭代學(xué)習(xí)控制；測試分選機(jī)

IC測試分選機(jī)是集成電路芯片封測工藝流程中的重要生產(chǎn)設(shè)備，能夠自動(dòng)將完成封裝的芯片根據(jù)各站測試數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品等級(jí)分檔并裝入對(duì)應(yīng)管條中，大大減輕了分揀操作的人工工作量。評(píng)價(jià)設(shè)備控制性能的主要指標(biāo)是每小時(shí)分檔完成芯片數(shù)（以下簡稱NUPH），理想產(chǎn)出數(shù)量為4 500～5 500粒/h。為了提高NUPH值，目前市場上銷售的大多數(shù)分選機(jī)設(shè)備對(duì)芯片產(chǎn)品在各單元過站的速率不加限制，功能單元配合度方面幾乎沒有任何算法設(shè)計(jì)，這就造成單元之間產(chǎn)能無序競爭、缺乏整體協(xié)調(diào)，導(dǎo)致NUPH值失控和經(jīng)常性卡料，反而影響了設(shè)備的整體產(chǎn)能效率。

針對(duì)上述問題，設(shè)備供應(yīng)商也進(jìn)行了相關(guān)技改和研發(fā)，但研究重點(diǎn)主要都集中在設(shè)備部件優(yōu)化和控制精度提高方面，而在單元間協(xié)調(diào)控制算法優(yōu)化方面卻關(guān)注甚少。此外，各類技術(shù)文獻(xiàn)庫中也幾乎沒有相關(guān)研究的資料。因此在確定技改方案時(shí)，需要更多地借鑒其它行業(yè)中類似問題的解決方案。例如，文獻(xiàn)[1]中提出一種基于專家思想的PID控制算法，設(shè)置多種方式實(shí)現(xiàn)不同工況下的伺服控制，滿足了永磁同步電機(jī)速度伺服控制系統(tǒng)較快的跟蹤性能和較強(qiáng)的抗干擾能力的需求。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型的模糊開閉環(huán)PID-P型非線性離散迭代學(xué)習(xí)控制方法，并給出了PID-P型迭代學(xué)習(xí)的收斂條件及其證明過程。文獻(xiàn)[3]為解決任意初態(tài)下的軌跡跟蹤問題，針對(duì)一類含參數(shù)和非參數(shù)不確定性的非線性系統(tǒng)，提出基于濾波誤差初始修正的自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制方法。文獻(xiàn)[4]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建多列車協(xié)同控制條件下實(shí)時(shí)交互技術(shù)框架，建立分層遞階控制模型，通過列車牽引控制策略實(shí)現(xiàn)多列車間動(dòng)態(tài)協(xié)同控制。文獻(xiàn)[5]建立了一種基于分層遞階的片煙干燥智能控制系統(tǒng)，由溫度基準(zhǔn)尋優(yōu)模塊 (組織級(jí))、含水率穩(wěn)定控制模塊(協(xié)調(diào)級(jí))、熱風(fēng)溫度單回路PID控制 (執(zhí)行級(jí))3個(gè)層次構(gòu)成。

綜合上述文獻(xiàn)資料，可以看出分層遞階智能控制能夠?qū)⒖刂迫蝿?wù)劃分為多層結(jié)構(gòu)，將組織規(guī)劃、配合協(xié)調(diào)、流水線生產(chǎn)等功能由不同控制層分別實(shí)現(xiàn)并相互協(xié)作，從而達(dá)到智能性與精確性并重的控制效果。該方法適用于各類程序控制系統(tǒng)，已經(jīng)成功地在交通、電力、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、仿人智能控制等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。測試分選機(jī)控制由多個(gè)功能單元完成，要做到各單元之間良好的協(xié)調(diào)配合，顯然需要更高一級(jí)的智能控制層進(jìn)行統(tǒng)籌，因此引入分層遞階智能控制結(jié)構(gòu)是很適合的。

1 分層遞階控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成熟的分層遞階控制理論由Saridis于1977年提出[6]，其控制模式包括3級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，分別是組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)，每一級(jí)控制器在算法上沒有限制，可根據(jù)控制對(duì)象、性能要求選用適合的方法。經(jīng)過對(duì)測試分選機(jī)功能的層次分析，建立分層控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

組織級(jí)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的規(guī)劃、決策、推理等，偏重于高智能性和低控制精度，因此算法上采用專家控制策略。通過組織級(jí)控制器的統(tǒng)籌規(guī)劃，將各單元的NUPH值限制在合理范圍內(nèi)，以保證相互之間最佳的配合效果，避免出現(xiàn)產(chǎn)能競爭和產(chǎn)品擁堵的情況。

協(xié)調(diào)級(jí)是組織級(jí)與執(zhí)行級(jí)的中間接口，負(fù)責(zé)將組織級(jí)指令發(fā)送給各執(zhí)行級(jí)，并采集反饋執(zhí)行級(jí)的輸出信息。由于分選機(jī)控制器采用的是DDC (直接數(shù)字控制)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的主控功能由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)集中實(shí)現(xiàn)，屬于單控制器模式，因此在控制算法執(zhí)行的微觀層面是順序掃描各功能單元，并不存在物理上真正獨(dú)立的單元控制實(shí)體，也就不會(huì)產(chǎn)生因通信資源競爭導(dǎo)致的協(xié)調(diào)沖突問題，所以該功能層可以省略。

執(zhí)行級(jí)由6個(gè)平級(jí)的功能單元控制器組成，分別為上料單元、旋轉(zhuǎn)送料單元、ISO絕緣測試單元、核心測試及打印單元、分類梭單元、出料單元，各功能單元之間采用流水線順序工作方式，負(fù)責(zé)各自具體的生產(chǎn)過程控制，偏重于高控制精度和低智能性，并且控制行為具有重復(fù)性，因此算法上采用迭代學(xué)習(xí)策略。執(zhí)行級(jí)控制器的核心任務(wù)就是將組織級(jí)控制器給定的NUPH期望值盡可能精確地實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)組織級(jí)產(chǎn)能協(xié)調(diào)的宏觀目標(biāo)。

2 組織級(jí)專家控制算法設(shè)計(jì)

專家控制的優(yōu)點(diǎn)在于無需建立精確數(shù)學(xué)模型和控制律，對(duì)于變化性強(qiáng)的控制對(duì)象有較強(qiáng)的適應(yīng)性，從控制效果上來講具有宏觀性，這與模型控制算法相結(jié)合可以達(dá)到取長補(bǔ)短的優(yōu)化效果。決定專家控制算法性能優(yōu)劣的關(guān)鍵在于選取恰當(dāng)?shù)囊?guī)則評(píng)估指標(biāo)。

2.1 專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)專家控制理論將控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為4個(gè)主要部分，包括控制性能識(shí)別單元、輸出量特征識(shí)別單元、知識(shí)庫、推理機(jī)，如圖2所示。由于組織級(jí)控制器需要協(xié)調(diào)功能單元之間的配合，因此采用多輸入多輸出線性疊加的多變量專家控制結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)為各單元的實(shí)時(shí)NUPH輸出值，由推理機(jī)進(jìn)行規(guī)則檢測并完成輸出信號(hào)生成。輸出信號(hào)為修正后的各單元最優(yōu)NUPH值，作為對(duì)應(yīng)單元執(zhí)行級(jí)控制器的目標(biāo)值輸入。

圖2 組織級(jí)專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 知識(shí)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)多臺(tái)分選機(jī)設(shè)備大量實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析測試，將設(shè)備工作在最優(yōu)狀態(tài)（是實(shí)測數(shù)據(jù)最優(yōu)，不是理論值最優(yōu)，以下簡稱最優(yōu)，最優(yōu)狀態(tài)在原設(shè)備中不具有持續(xù)性和可控性）時(shí)各單元與核心測試及打印單元的產(chǎn)能比值關(guān)系ki（計(jì)算方法如公式1所示）以專家規(guī)則的形式記錄在知識(shí)庫中，如表1所示。選定核心測試及打印單元NUPH值作為比值基準(zhǔn)是因?yàn)樵搯卧钦麄€(gè)設(shè)備的工作瓶頸點(diǎn)，同時(shí)也是對(duì)NUPH要求最高的單元。在生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)核心測試及打印單元的實(shí)時(shí)NUPH值和預(yù)設(shè)的期望軌跡NUPH值確定當(dāng)前所處的NUPH階段，然后通過知識(shí)庫的對(duì)應(yīng)規(guī)則反推出各單元的最優(yōu)NUPH值，與各單元的實(shí)時(shí)NUPH值相比較檢測是否處于最優(yōu)產(chǎn)能狀態(tài)，如果沒有則進(jìn)行修正，并作為組織級(jí)輸出信號(hào)傳遞給各執(zhí)行級(jí)控制器。

這樣就可使設(shè)備自運(yùn)行開始，各功能單元的NUPH值之間始終保持最優(yōu)比值關(guān)系，將原有設(shè)備偶然達(dá)到的高協(xié)調(diào)度流水線生產(chǎn)狀態(tài)全程復(fù)現(xiàn)。組織級(jí)控制器能夠?qū)ιa(chǎn)速率過快或過慢、有可能導(dǎo)致流水線瓶頸或擁塞的單元進(jìn)行及時(shí)調(diào)整和抑制，保證了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性，避免了因控制算法缺陷而產(chǎn)生的停機(jī)卡料現(xiàn)象。

表1 知識(shí)庫規(guī)則表

3 執(zhí)行級(jí)迭代學(xué)習(xí)控制算法設(shè)計(jì)

迭代學(xué)習(xí)控制理論于上世紀(jì)80年代提出，主要思路為通過函數(shù)迭代方法尋找控制輸入v(t)，構(gòu)造用于修正控制作用的學(xué)習(xí)律，使其產(chǎn)生的函數(shù)序列|vk(t)|收斂于v(t)。并且在v(t)作用下，系統(tǒng)的輸出y(t)在區(qū)間[0，T]跟蹤甚至與期望輸出軌跡yd(t)重合。該控制算法可以利用較為簡單的模型，不需要辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)，就能夠達(dá)到對(duì)輸出信號(hào)的高精度跟蹤，且具有較好的魯棒性，能夠處理動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中的不確定性，特別適用于具有重復(fù)運(yùn)行特征的非線性、強(qiáng)耦合、無法建立精確模型卻需要高精度的工業(yè)控制系統(tǒng)。由于分選機(jī)各功能單元均是通過重復(fù)性控制動(dòng)作完成產(chǎn)品的過站操作；同時(shí)，作為分層控制結(jié)構(gòu)的執(zhí)行級(jí)來說控制精度要求是3個(gè)層次中最高的，需要能夠精確實(shí)現(xiàn)組織級(jí)給定的目標(biāo)值；因此執(zhí)行級(jí)控制器的算法采用迭代學(xué)習(xí)是十分適合的。

3.1 動(dòng)力學(xué)模型的建立

分選機(jī)各功能單元的執(zhí)行動(dòng)作主要通過將高低電平信號(hào)傳遞給電磁閥控制氣缸伸縮來實(shí)現(xiàn)，動(dòng)作速率通過定時(shí)器延時(shí)控制。如果將氣缸的延時(shí)與伸縮動(dòng)作合并考慮，就可以看成是具有可調(diào)速率的漸進(jìn)式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而將每個(gè)功能單元描述為典型的一階慣性系統(tǒng)，其控制方框圖如圖3所示。圖中v(t)為某個(gè)功能單元的輸入控制作用，即氣缸運(yùn)動(dòng)速率；y(t)為該功能單元的UPH輸出；K1、K2、Km為前向及反饋通道放大系數(shù)；Tm為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。

將方框圖化簡可寫出系統(tǒng)微分方程表達(dá)式：

式中:a=(1+K1K2Km)/Tm，b=K1Km/Tm。在零初始條件下，可得微分方程的解為：

圖3 各功能單元控制方框圖

在區(qū)間[0，T]上給定NUPH變化的理想軌跡yd(t)，然后尋找輸入氣缸運(yùn)動(dòng)速率v(t)，使得在該輸入作用下，輸出NUPH在[0，T]上與yd(t)一致。

3.2 學(xué)習(xí)律設(shè)計(jì)

采用D型學(xué)習(xí)律[7]，可得到如下迭代過程：

如公式(4)～(6)所示，氣缸在vk+1的輸入作用下進(jìn)行第k+1個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)控制，并產(chǎn)生控制誤差ek+1(t)，以上學(xué)習(xí)過程被反復(fù)迭代執(zhí)行?？梢钥闯觯瑳Q定該學(xué)習(xí)是否有效的關(guān)鍵在于證明t∈[0，T]區(qū)間時(shí)，當(dāng)k→∞，能否保證|e(t)|→0，即算法是否收斂。

3.3 收斂性證明

對(duì)于可重復(fù)系統(tǒng)來說yk(0)=yd(0)(k=0，1，2，…)，則輸出誤差可表示為：

進(jìn)一步的，當(dāng)k→∞時(shí)可以得到：

根據(jù)定理[8]：可導(dǎo)函數(shù)y1(t)和y2(t)，滿足y1(t) =y2(t)(t∈[0，T])的必要條件是：

對(duì)于系統(tǒng)實(shí)際輸出yk(t)與期望軌跡輸出yd(t)，以上兩個(gè)條件均滿足，則可知系統(tǒng)輸出誤差一致性收斂，即

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以ISO絕緣測試單元為例，將開機(jī)運(yùn)行后產(chǎn)生的UPH輸出數(shù)據(jù)序列和期望軌跡數(shù)據(jù)序列提取出來，利用Matlab軟件繪制出對(duì)應(yīng)的各點(diǎn)坐標(biāo)，并進(jìn)行5階多項(xiàng)式擬合處理，從而得到平滑的系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)曲線。為了與原有設(shè)備的簡單比例控制響應(yīng)曲線加以比較，對(duì)原設(shè)備數(shù)據(jù)序列也進(jìn)行了采集和相同處理，將得到的響應(yīng)曲線進(jìn)行疊加，如圖4所示。

圖4 輸出響應(yīng)與期望曲線對(duì)比

顯然，引入分層遞階控制結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法后，降低了系統(tǒng)響應(yīng)的振蕩幅度，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，經(jīng)過重復(fù)迭代學(xué)習(xí)的實(shí)際輸出響應(yīng)可與期望軌跡很好地重合，系統(tǒng)能夠快速完成軌跡調(diào)節(jié)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，對(duì)于猝發(fā)干擾信號(hào)的抑制效果很好，因干擾引起的輸出偏離幅度只有不到3%，并且能夠恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)無差（原設(shè)備采用的比例控制在受到干擾后穩(wěn)態(tài)誤差無法完全消除），明顯地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、干擾抑制性及魯棒性。

由于組織級(jí)與執(zhí)行級(jí)控制器均實(shí)現(xiàn)了更好的控制效果，從而使各單元的UPH比值關(guān)系能夠始終保持在最優(yōu)比附近，流水線配合的協(xié)調(diào)度明顯提高，設(shè)備卡料頻率由平均每分檔1 800粒芯片卡料1次下降至每分檔4 000粒芯片卡料1次。相應(yīng)地，設(shè)備每小時(shí)產(chǎn)出數(shù)(NUPH)由原來的平均4 300粒/h提高至平均5 300粒/h。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)IC測試分選機(jī)各功能單元之間產(chǎn)能缺乏協(xié)調(diào)經(jīng)常引起芯片卡料停機(jī)的問題，將應(yīng)用于其它行業(yè)解決層次控制問題比較成功的分層遞階控制結(jié)構(gòu)引入分選機(jī)控制器算法中，并在該控制結(jié)構(gòu)中的組織級(jí)控制層采用智能化程度高的專家控制策略，在執(zhí)行級(jí)控制層中采用控制精度高的迭代學(xué)習(xí)策略。因?yàn)樵谟布Y(jié)構(gòu)上并未作任何改動(dòng)，所以整個(gè)技術(shù)改進(jìn)工作沒有增加設(shè)備制造成本。通過對(duì)改進(jìn)前后兩種設(shè)備算法模型基于NUPH變化進(jìn)行的實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比分析，證明在制造成本不變的前提下，采用分層遞階控制方案的設(shè)備性能要遠(yuǎn)優(yōu)于采用傳統(tǒng)簡單比例控制方案的設(shè)備，其系統(tǒng)NUPH輸出響應(yīng)曲線能夠很好地與期望軌跡重合、并快速響應(yīng)達(dá)到無差穩(wěn)態(tài)值，從而得到最優(yōu)的實(shí)時(shí)NUPH輸出，同時(shí)也降低了設(shè)備的卡料頻率。

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Design of a Controller of IC Testing Handler on Hierarchically Control Algorithm

LIANG Daping1，ZHAO Limin1，CAI Zhiyuan2

(1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Tianshui Normal University，Tianshui 741000，China; 2.Tianshui Huatian Technology Co.，Ltd.，Tianshui 741000，China)

All function units production capacity competition by reason of no control algorithm is the key problem to keep IC testing handler normal operation.A hierarchically control algorithm is used in new advanced testing handler，which has solved lots ofsimilarproblems successfullyin other industries. In this control structure，the expert control strategy is used in organization level，and the iterative learning control strategy is used in executive level.The result of experiment data indicates that the new method could improve coordination of the pipeline，reduce settling time and overshoot，and the new control algorithm has better interference suppression and robustness than regular algorithm.

Hierarchically control；Expert control；Iterative learning control；IC test handler；

TP273

A

1004-4507(2017)03-0026-05

2017-03-24