[發明專利]一種基于交叉耦合的多葉準直器葉片協同工作的控制方法

有效

• 申請號: 201710271440.4
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN106886153B
• 公開（公告）日: 2020-08-18
• 發明（設計）人: 張鑫;黨建武;閔永智;張振海;王海涌;林俊亭;張雁鵬;左靜
• 申請（專利權）人: 蘭州交通大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05B11/42
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司 11249
• 代理人: 姜萬林

本發明公開了一種基于交叉耦合的多葉準直器葉片協同工作的控制方法，包括以下幾個步驟：S1、建立單個葉片驅動電機的數學模型；S2、建立驅動電機與葉片間傳動機構的模型；S3、單個葉片位置控制器設計及參數優化：采用分數階PID控制器，并采用粒子群算法對分數階PID控制器的參數進行優化；S4、采用交叉耦合控制方法實現多葉片協同控制；S5、交叉耦合控制器各參數的優化。采用交叉耦合控制算法實現多個葉片之間的協同控制，在實現單個葉片到位精度的基礎上，考慮各葉片之間由于結構設計造成的接觸摩擦，使得每個葉片在走位時會出現偏差，利用交叉耦合控制器，彌補偏差，實現多葉片在不同給定輸入時的協同工作，以提高葉片到位精度。

技術領域

本發明涉及一種多電機同步控制技術，具體指利用交叉耦合算法對多葉準直器葉片協同工作的控制方法。

背景技術

隨著國內外學者和機構對放射治療技術不斷的深入研究，放射治療裝置的也取得了長足的發展。放射治療過程中，放射治療裝置對病灶靶區的精確定位和劑量矯正顯得尤為關鍵，其中多葉光柵(Multi-leaf Collimator，簡稱MLC)的主要作用就是為了實現適形放療，即通過改變多葉光柵的葉片位置使其開口形狀與病灶靶區形狀相似，從而實現適形放射治療。因而，對多葉光柵葉片的位置精度控制研究具有一定的現實意義。

按照國際電工委員會(International Electrotechnical Commission,IEC)1217號標準規定，多葉準直器葉片衍射沿坐標系的X軸方向運動，葉片對的編號從Y軸負方向開始，依次為1、2、…、n-1、n，安裝在X軸負方向側的葉片位置坐標以此表示為X11、X12、…、X1(n-1)、X1n，安裝在X軸正方向側的葉片位置坐標以此表示為X21、X22、…、X2(n-1)、X2n，當一個葉片位于X軸正方向側時，葉片位置為正，否則為負。因此在等中心平面內，每一對葉片的開口大小是Fxi＝X2i-X1i，其中i是葉片對的編號。

由于多葉準直器(多葉光柵)的葉片成對排放，為了避免射線漏射每排葉片，葉片間通過凹槽咬合；因此葉片與葉片之間必然存在機械摩擦，而機械摩擦必然會使每個葉片的到位精度出現偏差。為了彌補葉片之間相互影響產生的葉片位置、運動速度等偏差，現有的方法，有的通過改進機械結構來提高精度；有的只考慮到單個葉片的到位精度，并沒有考慮由于葉片之間機械摩擦等產生的耦合作用；而本方法采用交叉耦合控制方法來實現各葉片之間的協同運動。

發明內容

針對多葉準直器葉片間相互影響產生的葉片位置、運動速度等偏差，本發明提供了一種基于交叉耦合的多葉準直器葉片協同工作的控制方法，實現多個葉片之間的協同控制，彌補偏差提高葉片的到位精度。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：

一種基于交叉耦合的多葉準直器葉片協同工作的控制方法，包括以下幾個步驟：

S1、建立單個葉片驅動電機的數學模型；

S2、建立驅動電機與葉片間傳動機構的數學模型；

S3、單個葉片位置控制器設計及控制器參數優化：采用分數階PID控制器作為每個葉片驅動電機的控制器，并采用粒子群算法對分數階PID控制器的參數進行優化；

S4、多葉片協同控制方法設計：采用交叉耦合控制方法實現多葉片協同控制；

交叉耦合控制系統模型為:

其中τ為n×1維控制輸入，x為n×1維的坐標向量，M為正定慣性矩陣，C為哥氏力向量，F為n×1維摩擦力擾動向量；

根據編碼器反饋得到每個電機的運行狀態，得到每個葉片的位置誤差，把每個葉片的位值誤差作為交叉耦合控制器的輸入，產生交叉耦合控制器的輸出，以彌補偏差，滿足葉片到位精度；

位置誤差與控制系統中控制輸入τ的關系描述為：