硅谷杂志：MLC叶片位置PID控制器设计与仿真研究 |
| 2012-12-14 10:03 作者：刘旻 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文称，针对肿瘤治疗病灶靶区的要求，描述适形放射治疗装置中多叶准直器（MLC）的结构和工作原理，设计一种针对MLC叶片位置精度的PID控制器，并进行仿真模拟，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；PID；放射治疗
0引言
随着国内外放疗技术研究的深入，放疗装置也有了很大发展，对靶区的精确定位和剂量矫正很是关键，多叶准直器（multi-leafcollimator，简称MLC）开发的主要目的就是实现适形放疗，可准确的定位实现对病灶区域的适形照射。所以，对多叶准直器叶片的位置精度控制具有很重要的现实意义。
1多叶准直器工作原理
多叶准直器是有数十对叶片（挡块）组成，如图1所示。电动多叶准直器是通过计算机控制多个微型电机独立驱动每个叶片单独运动，达到射野动态或静态成形的目的。其位于加速器机头的射线出口处，整个工作过程介绍如下：首先把病人的病灶扫描图片信息送入到适形放射治疗计划系统，并由该系统输出MLC叶片的驱动文件给PC机，该驱动文件包含多叶准直器的位置信息（坐标），而后在PC机的控制下使多叶准直器的每个叶片到达指定位置形成射野形状，最后射线可以通过多叶准直器照射病灶靶区。
图1多叶准直器工作原理示意图
2多叶准直器叶片位置控制系统
如上所述，多叶准直器的每个叶片都有一个独立的微型电机作为其执行机构，采用适当的对多叶准直器的位置进行控制，使得叶片运动控制精度更高、速度更快、运行更平稳。该设计采用闭环位置控制，每个叶片都具有一套独立的位置控制器，其系统组成如图2所示。
图2多叶准直器位置控制系统结构示意图
PID控制器就是把比例环节、积分环节和微分环节并联，利用各环节的特性组合在一起的控制器，应用比较广泛。该控制器的数学模型如式（1）所示。
（1）
其中，u（t）-为控制器的输出；e（t）-为控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；-为PID控制器的比例系数；-为PID控制器的积分时间；-为PID控制器的微分时间。
其中各环节的作用为如下，比例环节：如果被控系统出现偏差，控制器立即动作，从而抑制偏差的增大，其主要的优点是具有较快的响应速度。比例系数的大小决定了比例控制作用的强弱，其越大，控制性能越强，但比例系数过大，会导致系统发生振荡，从而会破坏到系统的稳定性。
积分环节的主要作用是消除静差，同时也会增加系统的超调量，并且对系统的响应时间有一定的影响，但是可以通过适当调整积分常数的大小，使控制器具有较好的效果。
微分环节是偏差信号的变化率的体现，该环节的主要作用是可以减小系统超调量，使系统保持更加稳定的状态，加快响应时间，可以使系统具有较好的动态性能。
3PID控制器的设计及仿真研究
由上分析可知，适当选择PID控制器的各个参数，可以使多叶准直器的叶片快速响应给定值，并且可以消除静差，具有良好的动态性能，各参数的选择如图3所示。
该控制器需要精确的模型，执行机构的模型参考见文献[1]，模型如式（2）所示。
（2）
根据设计的控制系统和执行机构的数学模型，经大量的分析和调试选择合适的控制参数，在MATLAB下建立仿真模型，如图3所示，输入选择阶跃信号。仿真结果如图4所示。
图3MLC叶片位置精度PID控制器仿真图
图4MLC叶片位置精度PID控制器仿真结果图
4结论
由仿真结果可知，结果的各项参数都满足要求，超调量没有超过20%，上升时间为2s左右，峰值时间为4s。采用PID控制器可以使多叶准直器的叶片快速、准确的运动到指定的位置，具有良好的效果。
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