近年来,在信息化、智能化、绿色化为发展主旋律的时代背景下,半导体集成电路、太阳能光伏发电等高科技技术得到了极大的发展,作为产业链上游的半导体硅单晶材料已成为不可替代的重要基础性材料。同时,随着芯片集成度的不断提高,芯片面积的不断增大,为半导体硅单晶的制造工艺带来了前所未有的挑战。这一挑战主要体现在直拉半导体硅单晶生长过程控制能否满足新工艺要求。面对高温、密闭和真空等硅单晶生长环境,单晶炉的稳定、高效运行状态需依赖于可靠的控制系统。针对现有硅单晶生长控制方法难以确保传感器故障工况下的稳定控制,本课题开展传感器故障工况下的直拉硅单晶生长过程容错控制研究具有十分重要的实际意义。直拉硅单晶生长过程是一个多场多相耦合、真空高温密闭的非线性、大滞后动态时变系统,受设备结构和检测手段的约束,传统基于模型的控制方法很难应用于晶体生长过程容错控制系统的设计。本文从数据驱动建模和数据驱动控制视角出发,设计了一种基于数据驱动的模型预测容错控制系统,以实现传感器故障工况下晶体生长过程的稳定控制。1.考虑传统硅单晶生长控制结构的不足,提出了一种基于温度轨迹优化的新型硅单晶生长控制结构。该控制结构使用提拉速度和加热器功率对晶体直径进行控制,针对硅单晶生长过程中的扰动具有较强的鲁棒性;同时,其温度期望轨迹通过优化计算获取,避免了人为设置的繁琐和多次试验的经济成本。2.针对硅单晶生长过程建模问题,基于晶体生长机理和工业过程数据提出了一种机理-数据混合建模方法。首先,构建了一种混合集成模型VMD-SAE-IRRELM,用于晶体生长过程的能量传递过程建模,解决了传统机理建模不准确且成本较高的问题。同时该模型能克服一定程度的异常值干扰,具有较强的鲁棒性。其次,结合VMD-SAE-IRRELM模型与流体力学和几何学模型,以此获得从加热器功率、提拉速度到晶体直径、热场温度之间的混合模型。同时,为减少模型的未建模动态,建立了直径误差补偿模型。最后,通过仿真实验验证了所提混合模型的有效性。3.基于所提出的新型控制结构和混合模型,设计了一种能容忍传感器故障的直拉硅单晶生长过程控制方法。具体地,针对传感器故障,根据容错控制思想,本文首先分别建立了基于估计器的故障检测机制和基于扩张状态观测器的故障估计机制。其次,将无模型自适应预测控制与所建立的故障检测及估计机制相结合,提出了无模型自适应预测容错控制方法。最后,将所提模型预测容错控制方法应用于直拉硅单晶生长过程控制,并根据各种仿真实验结果验证了所提方法的有效性。