基于DSP的多叶准直器叶片位置控制精度的研究

基于DSP 的多叶准直器叶片位置控制精度的研究靳 岚1,2,谢黎明1,2,沈 浩1,2,郑 威2(1.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室,甘肃兰州 730050)(2.兰州理工大学机电工程学院,甘肃兰州 730050)摘要:针对肿瘤治疗病灶靶区的要求,描述了适形放射治疗装置中多叶准直器的结构和工作原理,提出了将数控系统中运动控制理论应用于多叶准直器叶片位置的精确控制,利用DSP+FP -GA 的前馈-反馈控制方式实现,并进行了仿真模拟,结果表明该方法能较好地满足多叶准直器叶片位置控制的精度。

关键词:多叶准直器;DSP;前馈-反馈控制中图分类号:TP23 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2008)07-0061-03 放射性治疗(简称放疗)是当前肿瘤治疗的主要手段之一,随着计算机技术的兴起和应用,放疗装置有了很大发展,而对病灶靶区实施精确的剂量照射已经成为现代放疗技术发展的主要方向,适形放射治疗(Conformal Radiation T herapy)是一种适应这种发展的体外照射技术,与常规放疗设备相比,适形放射治疗设备增加了多叶准直器(M ulti Leaf Collimator,又称多叶光栅、多叶光阑,以下简称MLC)。

1 M LC 的工作原理M LC 由数十对挡块条(或称叶片)组成,如图1所示,每个挡块条都用一个微型电机独立驱动。

它置于加速器机头的射线出口处,其主要原理是借助于微机对多叶准直器内多个叶片的精确控制,来调制射束的形状,利用MLC 每一对叶片的相对运动,使得射束的形状与病灶靶区在照射平面上的投影近似,可得到照射强度不均匀分布的照射野,对具有不同病灶形状的患者进行个体化挡块治疗,或通过治疗计划系统进行动态适形治疗,即随着加速器机架的旋转不停地开闭各挡块条,使得给出的射线野形状与需要照射的肿瘤形状始终保持一致,从而消除了过去加速器和钴60机在固定治疗时人工挡块的随意性和不可重复性,以及动态旋转治疗时照射野不能随形(病灶形状)而变的弊端,有效地保护了周边正常组织器官,使放射治疗更具合理性和科学性,可极大地提高肿瘤治愈的可靠性、安全性[1,2]。

图1 M L C 装置的工作原理由MLC 工作原理可得其位置控制要求:a.位移精度。

伺服驱动进给系统的位移精度是指计算出的叶片进给位移量与叶片实际位移量之间的符合程度。

插补器发出指令,伺服驱动进给系统将其转化为相应的叶片位移量。

b.叶片运动跟随位移指令移动的跟随误差小,收稿日期:2008-01-04基金项目:甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS042-B25-004)作者简介:靳 岚(1972-),女,河南许昌人,兰州理工大学讲师,硕士,主要研究方向为数控加工及自动化。

即叶片随着加速器照射头的旋转,要及时形成照射野的形状,也就要求伺服驱动进给系统的响应速度要快。

2 M LC 位置控制系统组成及原理近年来,运动控制技术不断发展,DSP 处理器在运动控制中得到广泛应用。

本文利用DSP 作为运动控制器的核心处理芯片,利用它的计算能力,进行复杂的运动规划、高速实时插补、误差补偿的计算[3],对MLC 叶片的位置进行控制,使得叶片运动控制精度更高、速度更快、运动更平稳,提高射束的形状与病灶靶区在照射平面上的投影近似的精度,从而保证放射治疗的质量和效果。

在数控系统中,通常由若干进给伺服系统控制的进给轴构成运动系统,在MLC 机械装置中,进给轴为叶片,每个叶片都有一套独立的位置控制器,并采用闭环位置控制[4],其位置控制系统组成如图2所示。

图2 闭环位置控制系统组成从图2可以看出,位置调节器中的位置控制程序读入由插补计算和倍频调整后的理论位置,并采样由位置测量组件反馈的叶片实际位置,经误差补偿后形成真正的叶片实际位置;理论位置和实际位置相比较求得跟随误差,根据跟随误差所在区间算出进给速度指令的数字量;此数字量经D/A 转换,作为伺服驱动单元速度环的输入速度指令,由伺服单元驱动叶片运动,实现按误差的MLC 叶片位置控制。

3 前馈-反馈控制系统原理与模型建立前馈控制是按扰动进行控制,当干扰出现,控制器直接根据检测到的干扰大小和方向,按一定规律进行控制,由于在被控量未显示出变化之前,控制器就产生了控制作用,在理论上可以把偏差彻底消除。

但由于前馈控制是一种开环控制,不存在稳定性问题,而且前馈控制必须对每一个干扰单独构成一个控制系统,才能克服所有干扰对被控量的影响,当干扰因素众多时,要一一进行控制是不可能的[5]。

把它与单回路控制系统结合起来,取长补短,这就是前馈-反馈控制方式。

在分析和计算控制系统时,检测及变送传递函数通常并入对象传递函数内,这样简化不但计算方便,而且也能保证系统的精确度,其系统结构如图3所示。

图3 位置控制系统框图图3中:G (s)为控制器传递函数;W u (s)为执行器传递函数;W (s)为控制通道传递函数;W d (s )为扰动通道传递函数;W ff (s)为前馈通道传递函数;H (s )为检测及变送传递函数;Y sp (s )为给定值的拉氏变换;Y (s)为被控变量的拉氏变换;d (s )为扰动d 的拉氏变换。

由图2可推导出闭环系统被控变量拉氏变换的计算公式:Y(s)=G (s)W (s )1+G (s )W (s)Y sp(s )+W d (s)+W ff (s)W (s)1+G (s )W(s )d (s)被控变量偏差的拉氏变换为:E (s )=W ff (s )W (s)+W d (s)1+G (s )W(s )d (s)位置控制系统采用数字PID 控制器,其传递函数为:G (s )=K P +1T i s +K d s T d s +1式中:K P 为控制器的比例部分;T i 为控制器的积分时间;T d 为控制器的微分时间;K d 为控制器的微分增益。

G (s)=K P1+1T i K P s +K dK P s T d s +1它可写成:G (s)=K P (1+1T I s +K D T d s T d s +1)U K P (1+1T I s+T D s )式中:T I =T i K P ;K dK P=K D T d =T D (K D 一般取10,所以T d =0.1T D )3 前馈-反馈控制系统仿真控制系统各传递函数表示如下:W (s)=650s 2+15s +1W d (s)=58s +1W ff (s )=s +16s +1G (s )=1s +1利用MATLAB/Simulink 仿真软件[6],位置控制系统在前馈-反馈控制方式下,建立仿真框图,如图4所示。

图4中(a)为不带反馈通道的仿真框图与仿真结果,(b)为带反馈通道的仿真框图与仿真结果。

从仿真结果可以看出,前馈-反馈控制系统的位置误差趋于零,满足MLC 叶片位置控制精度的要求。

本系统的响应速度主要受到外部电机速度的影响。

由于多叶准直器叶片的摩擦力较小,并由伺服电机驱动,因此调整频率可以较快,估计在10kH z 量级。

图4 位置控制系统仿真模型与结果4 结束语通过前馈-反馈控制系统模型建立与仿真,表明该控制系统能够满足多叶准直器叶片位置精度,使多叶准直器叶片形成的区域更逼近肿瘤形状的适形照射野;同时叶片数量愈多,照射野与肿瘤形状拟合程度愈高,照射野与病灶靶区投影愈相似,治疗效果愈好。

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第二,切入煤炭行业,新的利润增长点,使得公司未来竞争能力更为突出。

趋势复合财务系数最高者为汕电力(000534)。

汕电力[14]在万泽集团入注资产重组后,2007年1~9月份,公司实现主营业务收入15805.72万元,净利润2314.27万元,较上年同期分别增长了3.47%和2850.29%,每股收益已超越2006年全年每股0.01元近900%。

业绩暴增特点突出,具备良好的年报预期,投资价值突出,故其趋势复合财务系数[15]排名第一。

从MFS的测算结果看,灰关联复合财务系数按大小排前3名分别是:长江电力(600900)、川投能源(600674)和建投能源(000600)。

综上所述,本文应用主成分分析方法得出的复合财务系数,一般来说是一种相对排序,适宜于一次性的综合评价。

而灰色系统理论中的灰色关联度分析构造了一种新的复合财务系数,这种方法思路清晰,算法合理,可以广泛应用于其他公司的财务分析中,是对主成分分析方法的有益补充和综合。

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