基于PID控制的電動多葉光柵軟件研究

中圖分類號：R197.324 文獻標識碼：A 文章編號：1005-0515（2013）5-029-01

放療是治療腫瘤的一種重要的手段。其方法是利用放射線攻擊靶區并徹底殺滅腫瘤細胞，同時盡可能的減少對周圍正常組織的的破壞。傳統的手段是使用鉛擋塊法來實現這一功能，但存在操作起來費時費力、精細度不高、污染大等一系列缺陷。隨著科技的進步，放療界也開始將科技手段引入放療。三維適形放療、調強適形放療就是目前有效的技術手段，其實現的硬件設備就是電動多葉光柵（Multi leaf collimator），它幾乎克服了傳統方法的所有缺點，通過計算機控制，電動多葉光柵能夠隨射野改變而適形變化，達到準確適應腫瘤形狀，同時還可以通過常規分割、超分割、加速超分割等治療方式來完成目前一般放療機不能完成的任務。

由此可見，電動多葉光柵要求具備準確的偏轉角度、有限的走位精度、快速的響應速度等要求，從而達到適形的目的。

1.MLC控制系統基本結構簡介

多葉光柵由左右各28塊具有異形截面的鎢鋼片組成，每片通過一根絲桿連接到一個微型伺服電機。通過DSP來控制伺服電機，從而使得電機按照要求轉動，實現葉片的控制邏輯，另外還需要檢測是否運動到指定位置，從而形成一個閉環反饋。多個葉片同時按照要求前進或后退各自設定的位移，則可以合圍成相應的射野形狀，以這樣的方式，就完成MLC最基本的功能。其控制部分系統結構如圖1所示。

DSP作為本系統的核心，承擔著電機轉速及方向控制、速度測量與計算、與上位機雙向通信三個方面的主要功能。電機驅動模塊需要給直流伺服電機提供足夠的功率及相位角控制，單片機控制電機運轉，再由電機帶動絲桿轉動，推動葉片完成既定位移；電機方向控制則比較簡單，僅需要控制電機驅動塊的相位角即可，相位角為低電平，電機順時針轉動，為高電平則逆時針轉動。光電編碼盤是一種專用的電機測速器件，在工作時，光線通過屏蔽模板照射到電機編碼輪上，并在光電接收晶體管上感應出亮/暗的信號并產生脈沖編碼，DSP通過測量脈沖頻率即可知道當前電機運轉的方向和速度，從而進一步得到光柵葉片的位移。

2.基于PID的控制軟件設計

在工程實際中，應用最為廣泛的調節控制規律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制。它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。

在電動多葉光柵系統中，要求葉片必須在規定的時刻達到相應的位置，這不僅要求控制系統能夠控制電機轉速，而且還要有位置的閉環控制。這就構成了串級控制系統，該控制系統需要由內外兩個PID控制器嵌套而成，其中被包圍的內環稱之為副回路，對應的PID調節器為副調節器，外環稱之為主回路，對應的調節器為主調節器。住調節器的輸出量u1作為副回路的給定量r2。在控制系統中，位置調節PID和速度調節PID都是典型的增量式PID算法，由于兩個控制環節都不存在靜態誤差，為了減少處理器的計算負擔，提高控制器的

動態性能，沒有引入積分控制，算法公式如下所示。

對于位置PID控制器輸入為位置err，其值為位置輸入減位置反饋的差值，輸出為期望速度；對于速度PID控制器輸入為速度err，其值為位置PID控制器輸出的期望速度減速度反饋的差值，輸出為PWM值，整個控制算法圖示如圖2所示。

圖2中位置反饋環為外環，位置PID控制器為主調節器；速度反饋環為內環，速度PID控制器為副調節器。我在MLC控制系統中既有異步采樣也有同步采樣，主要由DSP對速度的采樣刷新率決定，對于葉片低速運行采樣刷新率低，控制周期過小沒有意義（速度數據來不及更新），所以采用同步控制；對于葉片高速運行采用異步控制，使葉片對輸入的響應更迅速。

由于副回路中受控對象是非線性的，前面已經提到PID控制器是一種線性控制器，所以在副調節器（速度PID控制器）中采用分段線性的方式來對非線性進行逼近，即在不同的期望速度下采用不同的PID控制參數和不同的副回路控制周期。其具體數值通過試湊獲得。

在使用光電編碼盤對葉片速度測試時，通過測相鄰兩個脈沖的時間來確定被測葉片的運行速度。設脈沖發生器每轉一圈發出的脈沖數為P，若計數器的讀數為m2，則電機每分鐘的轉速為

轉速的性能指標——分辨率用Q表示：

可見，隨著轉速Nm的升高，分辨率Q值增大，轉速越低，Q值越小，即葉片在低速時有較高的分辨率。

在電動多葉光柵系統中，由于電機編碼器P值較小，（每轉48個脈沖）系統要求最高轉數為3000rpm，編碼器輸出信號的最高頻率為2.4KHZ，選取參考頻率使用2MHZ，那么，最高轉速時最大的計數值為2MHz/2.4KHz=833。可見，采用16位計數模塊能夠滿足應用的高頻要求，對于低轉速，16位計數模塊能夠測到的最低轉速為2e6/（65535*48*60）=0.01rpm。此時，編碼器輸出波形的周期為65535*（1/2000000）=32.7ms。

3.總結

腫瘤放射的根本目標，不論是根治還是姑息放療，在于給腫瘤區域足夠的精確的治療劑量，而使周圍正常組織和器官受照射最少，以提高腫瘤的局部控制率，減少正常組織的放射并發癥。而實現這個目標的關鍵是對整個治療計劃進行精心的設計和準確的執行。

對于電動多葉光柵來講，它處于整個治療計劃的執行部分，它的葉片運動性能指標直接影響了治療劑量的分布情況，而葉片運動性能指標又是靠控制軟件來實現的。因此，軟件算法就成了整個系統的核心，本文所提出的基于PID控制的電動多葉光柵通過前向電機控制，以及對電機轉速、位置等反饋信息相結合，形成一個比例加積分和微分的閉環控制系統，使得多葉光柵能夠準確快速適形，從而完全殺滅腫瘤細胞、保護正常細胞，達到治愈腫瘤的目的。

參考文獻：

[1]胡逸民.腫瘤放射物理學.北京：原子能出版社.1999：538-541.

[2]劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真.北京：電子工業出版社.2002：210-212.