基于PID控制的电动多叶光栅软件研究

中图分类号：R197.324 文献标识码：A 文章编号：1005-0515（2013）5-029-01

放疗是治疗肿瘤的一种重要的手段。其方法是利用放射线攻击靶区并彻底杀灭肿瘤细胞，同时尽可能的减少对周围正常组织的的破坏。传统的手段是使用铅挡块法来实现这一功能，但存在操作起来费时费力、精细度不高、污染大等一系列缺陷。随着科技的进步，放疗界也开始将科技手段引入放疗。三维适形放疗、调强适形放疗就是目前有效的技术手段，其实现的硬件设备就是电动多叶光栅（Multi leaf collimator），它几乎克服了传统方法的所有缺点，通过计算机控制，电动多叶光栅能够随射野改变而适形变化，达到准确适应肿瘤形状，同时还可以通过常规分割、超分割、加速超分割等治疗方式来完成目前一般放疗机不能完成的任务。

由此可见，电动多叶光栅要求具备准确的偏转角度、有限的走位精度、快速的响应速度等要求，从而达到适形的目的。

1.MLC控制系统基本结构简介

多叶光栅由左右各28块具有异形截面的钨钢片组成，每片通过一根丝杆连接到一个微型伺服电机。通过DSP来控制伺服电机，从而使得电机按照要求转动，实现叶片的控制逻辑，另外还需要检测是否运动到指定位置，从而形成一个闭环反馈。多个叶片同时按照要求前进或后退各自设定的位移，则可以合围成相应的射野形状，以这样的方式，就完成MLC最基本的功能。其控制部分系统结构如图1所示。

DSP作为本系统的核心，承担着电机转速及方向控制、速度测量与计算、与上位机双向通信三个方面的主要功能。电机驱动模块需要给直流伺服电机提供足够的功率及相位角控制，单片机控制电机运转，再由电机带动丝杆转动，推动叶片完成既定位移；电机方向控制则比较简单，仅需要控制电机驱动块的相位角即可，相位角为低电平，电机顺时针转动，为高电平则逆时针转动。光电编码盘是一种专用的电机测速器件，在工作时，光线通过屏蔽模板照射到电机编码轮上，并在光电接收晶体管上感应出亮/暗的信号并产生脉冲编码，DSP通过测量脉冲频率即可知道当前电机运转的方向和速度，从而进一步得到光栅叶片的位移。

2.基于PID的控制软件设计

在工程实际中，应用最为广泛的调节控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

在电动多叶光栅系统中，要求叶片必须在规定的时刻达到相应的位置，这不仅要求控制系统能够控制电机转速，而且还要有位置的闭环控制。这就构成了串级控制系统，该控制系统需要由内外两个PID控制器嵌套而成，其中被包围的内环称之为副回路，对应的PID调节器为副调节器，外环称之为主回路，对应的调节器为主调节器。住调节器的输出量u1作为副回路的给定量r2。在控制系统中，位置调节PID和速度调节PID都是典型的增量式PID算法，由于两个控制环节都不存在静态误差，为了减少处理器的计算负担，提高控制器的

动态性能，没有引入积分控制，算法公式如下所示。

对于位置PID控制器输入为位置err，其值为位置输入减位置反馈的差值，输出为期望速度；对于速度PID控制器输入为速度err，其值为位置PID控制器输出的期望速度减速度反馈的差值，输出为PWM值，整个控制算法图示如图2所示。

图2中位置反馈环为外环，位置PID控制器为主调节器；速度反馈环为内环，速度PID控制器为副调节器。我在MLC控制系统中既有异步采样也有同步采样，主要由DSP对速度的采样刷新率决定，对于叶片低速运行采样刷新率低，控制周期过小没有意义（速度数据来不及更新），所以采用同步控制；对于叶片高速运行采用异步控制，使叶片对输入的响应更迅速。

由于副回路中受控对象是非线性的，前面已经提到PID控制器是一种线性控制器，所以在副调节器（速度PID控制器）中采用分段线性的方式来对非线性进行逼近，即在不同的期望速度下采用不同的PID控制参数和不同的副回路控制周期。其具体数值通过试凑获得。

在使用光电编码盘对叶片速度测试时，通过测相邻两个脉冲的时间来确定被测叶片的运行速度。设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为P，若计数器的读数为m2，则电机每分钟的转速为

转速的性能指标――分辨率用Q表示：

可见，随着转速Nm的升高，分辨率Q值增大，转速越低，Q值越小，即叶片在低速时有较高的分辨率。

在电动多叶光栅系统中，由于电机编码器P值较小，（每转48个脉冲）系统要求最高转数为3000rpm，编码器输出信号的最高频率为2.4KHZ，选取参考频率使用2MHZ，那么，最高转速时最大的计数值为2MHz/2.4KHz=833。可见，采用16位计数模块能够满足应用的高频要求，对于低转速，16位计数模块能够测到的最低转速为2e6/（65535*48*60）=0.01rpm。此时，编码器输出波形的周期为65535*（1/2000000）=32.7ms。

3.总结

肿瘤放射的根本目标，不论是根治还是姑息放疗，在于给肿瘤区域足够的精确的治疗剂量，而使周围正常组织和器官受照射最少，以提高肿瘤的局部控制率，减少正常组织的放射并发症。而实现这个目标的关键是对整个治疗计划进行精心的设计和准确的执行。

对于电动多叶光栅来讲，它处于整个治疗计划的执行部分，它的叶片运动性能指标直接影响了治疗剂量的分布情况，而叶片运动性能指标又是靠控制软件来实现的。因此，软件算法就成了整个系统的核心，本文所提出的基于PID控制的电动多叶光栅通过前向电机控制，以及对电机转速、位置等反馈信息相结合，形成一个比例加积分和微分的闭环控制系统，使得多叶光栅能够准确快速适形，从而完全杀灭肿瘤细胞、保护正常细胞，达到治愈肿瘤的目的。

参考文献：

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

[2]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真.北京：电子工业出版社.2002：210-212.