集成电路和光伏产业的快速发展,对硅单晶的外形尺寸、微缺陷等重要指标提出了更高的要求,同时,对硅单晶生长控制提出了挑战。目前,直拉法(Cz法)是生长大尺寸、高品质硅单晶的主要方法。在Cz法晶体生长过程中晶体直径控制是一个重要的控制目标,传统的晶体生长控制结构中由于晶体提拉速度的频繁变化,极易造成晶体内部微缺陷生成,而恒拉速晶体生长工艺使实现生长完美硅单晶成为可能。因此,研究恒拉速工艺下晶体直径控制具有重要价值及实际意义。Cz法硅单晶生长是一个物理变化复杂、多场多相耦合、模型不确定且存在大滞后和非线性的动态时变过程,而基于大量假设的机理模型难以实际应用。为了建立稳定、可靠的晶体生长过程模型,本文基于数据和机理建立晶体生长过程的混合模型,包括数据驱动热场温度模型和提拉动力学模型。其中,基于VMD-LSTM-ELM非线性集成建模方法构建加热器功率与热场温度间的热场温度模型;提拉动力学模型则是根据晶体生长过程中弯月面处热场温度与晶体直径之间的数学关系所建立。基于上述建立的晶体生长过程混合模型,本文在恒拉速工艺下提出一种晶体直径数据驱动控制方法,即无模型自适应滑模预测控制(MFASMPC),引入滑模控制的目的在于增强晶体直径预测控制器的鲁棒性能。在此基础之上,设计了一种新颖的晶体直径双闭环控制方案,以热场温度为中间变量,在外环控制中引入v/G准则(v是提拉速度,G是固液界面轴向温度梯度),从而实现满足低缺陷要求的硅单晶直径控制。基于工业数据的仿真实验结果表明,所提出的基于VMD-LSTM-ELM的热场温度具有优良的预测性能和泛化能力,能够为提拉动力学模型提供准确的热场温度预测值,保证了建立的晶体生长过程混合模型满足晶体直径控制要求。另外,基于晶体生长过程混合模型的晶体直径MFASMPC算法不仅可以实现期望直径的精确控制,而且能够有效抑制外部扰动的影响,具有优良的控制性能和良好的鲁棒性。同时,所设计的双闭环控制方案不仅能够满足晶体直径控制目标要求,还能保证整个控制过程的v/G处于合理的范围。