[发明专利]一种基于交叉耦合的多叶准直器叶片协同工作的控制方法

说明书

本发明公开了一种基于交叉耦合的多叶准直器叶片协同工作的控制方法，包括以下几个步骤：S1、建立单个叶片驱动电机的数学模型；S2、建立驱动电机与叶片间传动机构的模型；S3、单个叶片位置控制器设计及参数优化：采用分数阶PID控制器，并采用粒子群算法对分数阶PID控制器的参数进行优化；S4、采用交叉耦合控制方法实现多叶片协同控制；S5、交叉耦合控制器各参数的优化。采用交叉耦合控制算法实现多个叶片之间的协同控制，在实现单个叶片到位精度的基础上，考虑各叶片之间由于结构设计造成的接触摩擦，使得每个叶片在走位时会出现偏差，利用交叉耦合控制器，弥补偏差，实现多叶片在不同给定输入时的协同工作，以提高叶片到位精度。

技术领域

本发明涉及一种多电机同步控制技术，具体指利用交叉耦合算法对多叶准直器叶片协同工作的控制方法。

背景技术

随着国内外学者和机构对放射治疗技术不断的深入研究，放射治疗装置的也取得了长足的发展。放射治疗过程中，放射治疗装置对病灶靶区的精确定位和剂量矫正显得尤为关键，其中多叶光栅(Multi-leaf Collimator，简称MLC)的主要作用就是为了实现适形放疗，即通过改变多叶光栅的叶片位置使其开口形状与病灶靶区形状相似，从而实现适形放射治疗。因而，对多叶光栅叶片的位置精度控制研究具有一定的现实意义。

按照国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,IEC)1217号标准规定，多叶准直器叶片衍射沿坐标系的X轴方向运动，叶片对的编号从Y轴负方向开始，依次为1、2、…、n-1、n，安装在X轴负方向侧的叶片位置坐标以此表示为X11、X12、…、X1(n-1)、X1n，安装在X轴正方向侧的叶片位置坐标以此表示为X21、X22、…、X2(n-1)、X2n，当一个叶片位于X轴正方向侧时，叶片位置为正，否则为负。因此在等中心平面内，每一对叶片的开口大小是Fxi＝X2i-X1i，其中i是叶片对的编号。

由于多叶准直器(多叶光栅)的叶片成对排放，为了避免射线漏射每排叶片，叶片间通过凹槽咬合；因此叶片与叶片之间必然存在机械摩擦，而机械摩擦必然会使每个叶片的到位精度出现偏差。为了弥补叶片之间相互影响产生的叶片位置、运动速度等偏差，现有的方法，有的通过改进机械结构来提高精度；有的只考虑到单个叶片的到位精度，并没有考虑由于叶片之间机械摩擦等产生的耦合作用；而本方法采用交叉耦合控制方法来实现各叶片之间的协同运动。

发明内容

针对多叶准直器叶片间相互影响产生的叶片位置、运动速度等偏差，本发明提供了一种基于交叉耦合的多叶准直器叶片协同工作的控制方法，实现多个叶片之间的协同控制，弥补偏差提高叶片的到位精度。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于交叉耦合的多叶准直器叶片协同工作的控制方法，包括以下几个步骤：

S1、建立单个叶片驱动电机的数学模型；

S2、建立驱动电机与叶片间传动机构的数学模型；

S3、单个叶片位置控制器设计及控制器参数优化：采用分数阶PID控制器作为每个叶片驱动电机的控制器，并采用粒子群算法对分数阶PID控制器的参数进行优化；

S4、多叶片协同控制方法设计：采用交叉耦合控制方法实现多叶片协同控制；

交叉耦合控制系统模型为:

其中τ为n×1维控制输入，x为n×1维的坐标向量，M为正定惯性矩阵，C为哥氏力向量，F为n×1维摩擦力扰动向量；

根据编码器反馈得到每个电机的运行状态，得到每个叶片的位置误差，把每个叶片的位值误差作为交叉耦合控制器的输入，产生交叉耦合控制器的输出，以弥补偏差，满足叶片到位精度；

位置误差与控制系统中控制输入τ的关系描述为：