基于PLC的磁共振成像床體電機的自適應控制

摘 要： 針對磁共振成像系統的床體難以獲得精確的數學模型，以及對運行穩定性、快速性、精確性的要求，介紹了一種基于可編程邏輯控制器（PLC）的參考模型自適應（MRAC）控制方法，完成對磁共振成像系統床體垂直方向電機的控制任務。由于傳統PID控制參數整定困難，難以獲得良好的控制質量，該設計采用模型參考自適應控制算法，實時地調整自適應率，使被控對象動態輸出跟蹤參考模型的輸出，以達到良好的控制效果。PLC（三菱FX?1N?60）執行模型參考自適應控制算法，完成對磁共振成像系統床體垂直方向變頻電機（東方馬達FE200）的控制，以實現垂直方向快速的精確定位。該控制方案控制參數整定簡單，經實驗反復驗證能較快地達到精確定位的效果。

關鍵詞： 模型參考自適應控制； 床體； PLC； 變頻電機

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）18?0001?03

磁共振成像系統床體實現定位功能，使人體檢查部位精確地處于磁體的均勻區，以保證系統的成像質量。由于磁體的均勻區范圍小，要求床體實現精確定位。在實際的運行過程中，床體的負載變化范圍較大，難以建立精確的數學模型。對此，國內主要有兩種解決方案：一是采用基于單片機的伺服控制[1]，其水平和垂直方向分別采用伺服電機完成對床體的精確定位。這種方案的優點是響應速度快、定位精度高，但成本高，不易于安裝和維護。二是采用基于PLC的傳統PID控制方案[2?3]，其垂直方向采用PID與變頻電機相結合、水平方向采用伺服電機完成對床體的精確定位。該控制方案主要優點是采用PID控制使得可調參數少、成本低，但是參數整定困難，垂直方向定位精度較低。

考慮到上述情況，該設計采用了基于PLC（三菱 FX?1N?60）的模型參考自適應控制方案，以控制磁共振成像系統床體的垂直方向變頻電機（東方馬達FE200）的穩定運行與快速的精確定位，此外采用伺服電機完成對床體水平方向的控制。模型參考自適應以未知系統為控制對象，通過給出理想的響應曲線，自適應地調整控制器參數，以達到系統精確控制的要求[4]。該設計中，結合變頻電機實際參數獲得較理想的參考模型，通過自適應算法分析計算出自適應率，實時調整輸出電壓，控制變頻電機的運行狀態，使得床體垂直方向位移量跟蹤參考模型輸出，以達到精確定位的目的。模型參考自適應可以在線整定參數，克服了傳統PID控制參數整定困難的缺點，能更好地適應床體負載的變化。仿真實驗表明，模型參考自適應控制與PID控制相比較，能實現快速的精確定位。多次床體運行實驗證明了本方案的有效性與可行性。

1 系統結構與原理

磁共振成像系統床體的控制結構如圖1所示。控制系統主要有四部分組成：以PLC（三菱FX?1N?60）為核心的主控制單元，完成對垂直方向變頻電機和水平方向伺服電機的控制任務；通信模塊（采用RS?485協議與PC通信）完成PLC與PC機的實時通信任務，將在線調整的自適應率送給PLC，以實現PLC控制參數的在線整定；伺服電機完成對床體水平方向的定位；變頻電機完成對床體垂直方向的定位。

2 模型參考自適應控制器的設計

2.1 控制器方案的設計

模型參考自適應控制器的設計如圖2所示。控制器由模型參考自適應控制律、比例控制器兩個部分組成。上位機根據參考模型輸出與被控模型輸出的誤差，利用模型參考自適應控制律，分析計算出自適應率，在線調整PLC比例控制器的控制參數Kc；PLC中比例控制器根據調整后的控制參數，輸出響應的控制量[u]，控制被控對象的輸出，以達到理想的控制指標，使被控對象具有良好動態特性。

2.2 模型參考自適應控制算法

模型參考自適應控制將控制系統的指標以模型的形式給出。模型的輸出（或狀態）就是理想的響應（或狀態）。系統在運行時力求使被控對象的動態與參考模型的狀態盡量保持一致。比較參考模型和實際過程的輸出或狀態，并通過自適應律去調整控制器的參數，以使在某種狀態下實際輸出（或狀態）與參考模型之間的誤差最小。

這里，被控對象的狀態用參考模型的輸出[ymt]作為系統所要求的動態響應。

4 結 語

與傳統的PID控制相比較，模型參考自適應控制算法具有不依賴被控對象精確的數學模型、控制器參數調整容易、控制效果好等優點。本文提出的控制方案能較好地適應床體負載變化范圍大的特點，實現床體精確定位，同時，控制算法能移植到處理器中，如各種單片機、DSP和PLC。該方案已成功地應用于某型號超導1.5 T磁共振成像系統。實際運行結果證明了本方案的有效性與可行性。

參考文獻

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