CN102652290B

CN102652290B - 用于在手术系统中适应性前馈控制的方法

Info

Publication number: CN102652290B
Application number: CN201080055615.4A
Authority: CN
Inventors: D·阿加希
Original assignee: Alcon Manufacturing Ltd
Current assignee: Alcon Research LLC
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: US8666556B2; JP2013513857A; CN102652290A; WO2011071613A1; AU2010328638A1; EP2510407A1; CA2781291C; EP2510407B1; CA2781291A1; JP5715153B2; US20110144813A1; AU2010328638B2; ES2533981T3

Abstract

在一些实施例中，一种使用前馈以控制系统部件的方法，包括：确定在前馈表中是否存在针对接收到的操作设置点的前馈项。如果不存在前馈项，系统部件可被递增直至系统处于期望设定点的第一可接受容限内。在一些实施例中，稳态错误的测量值可被确定并与第二可接受容限相比较。如果在可接受容限内，相应的前馈项可被记录在前馈表中。在一些实施例中，如果存在针对操作设定点的前馈项，则可使用对应于该前馈项的控制器输出来控制系统部件。当检测到与前馈值的可能改变相关联的系统改变时，可以为前馈表生成新的前馈值。

Description

用于在手术系统中适应性前馈控制的方法

技术领域

本发明一般地涉及控制算法。更具体地，但非作为限制，本发明涉及动态前馈。

背景技术

复杂的系统，诸如手术控制台，可以包括许多不同的部件，这些部件彼此交互并与环境交互。控制这些系统（例如，考虑接收到的用户输入或者已编程的响应）可能需要操纵各部件以实现期望性能的控制系统。这些控制系统通常可以控制许多不同的部件，并且使用来自数个不同源的输入（例如，用户输入、传感器输入等）。

发明内容

在各实施例中，一种使用前馈来控制系统部件的方法可以包括：将系统部件的操作范围细分为两个或更多个操作设定点或设定点区域，创建前馈表用于将前馈项映射至操作设定点，接收操作设定点，并且确定是否存在针对该操作设定点的前馈项。如果不存在针对该操作设定点的前馈项，那么可以根据需要使用控制器输出来递增系统部件，以将系统移动至期望设定点的第一可接受容限内。在一些实施例中，可以确定针对该系统的稳态错误的测量值，并将其与第二可接受容限相比较。如果针对该系统的稳态错误的测量值位于所述可接受容限内，就可以在前馈表中记录针对当前设定点的相应前馈项。如果针对该系统的稳态错误的测量值不在所述第二可接受容限内，则可以不改变前馈表内的相应前馈项。

在一些实施例中，如果存在针对该操作设定点的前馈项，那么可以使用控制器输出来控制系统部件，所述控制器输出对应于与前馈表中的期望设定值相关联的前馈项，以朝向期望设定点移动所述系统。当检测到与前馈值的可能改变相关联的系统改变时（例如，系统温度的改变），可以生成针对所述前馈表的新的前馈值。

附图说明

为了更完整地理解本发明，现在结合附图参考如下描述，在附图中：

图1a-b例示了根据一个实施例的前馈方法的流程图；

图2a-c例示了前馈表的实施例；

图3例示了根据一个实施例的系统实施前馈的示意图；以及

图4例示了根据一个实施例的手术控制台。

应当理解，前述一般性描述和下文的详细描述均仅为示意性和说明性的，并且旨在提供对所要求保护的本发明的进一步解释。

具体实施方式

手术控制台可以包括用于支持各种手术设备（例如，玻璃体切除探针、超声乳化白内障吸除机头等）的功能的一定范围的系统（例如，气动系统、流体系统等）。手术控制台可以使用一个或多个控制系统（例如，其包括一个或多个控制器），以控制和监视这些系统的不同方面。例如，控制系统可以收集关于系统的数据（例如，通过用户输入，通过一个或多个传感器等），并且发送系统内的控制信号（例如，阀位置），以实现设置点附近的期望性能参数（例如，用户要求的或者系统期望的性能参数，诸如用于储存槽的期望压力）。在一些实施例中，设定点可以从用户处接收（例如，由脚踏开关设置的期望压力），或者可以是预编程/默认系统设定点（设定点的其他来源也是可能的）。在一些实施例中，控制系统可以控制该系统，例如通过输出信号以移动致动器、移动阀、增加功率输出等。

在一些实施例中，控制系统（例如，通过反馈控制器301，如图3中所示）能够以增量改变所述系统（例如，移动阀一定的增量百分比，诸如1%打开，或者位置增量，诸如1度旋转）。其他增量类型也是可能的。在一些实施例中，用户可以设置增量大小，或者增量大小可以是预定的默认值（相比于较小的增量，较大的增量分辨率可以导致更快的改变，但也会导致更高的目标过冲/下冲的可能性）。在一些实施例中，增量是可变的（例如，系统越接近目标设定点，系统可使用更小的增量）。在增量系统部件之后，控制系统可以获取新数据（例如，获取来自压力传感器的压力测量结果）。所述系统可以确定是否需要附加调整，并且可以输出相应的控制信号（例如，使阀移动附加的增量百分比（或者取消前次增量移动））。在一些实施例中，当系统处于目标设定点的容限内时，系统可以停止增量。所述容限可以从用户处接收或者可被预编程到所述系统内。这种类型的控制可被表征为闭合控制回路。增量的大小以及改变的频率可以导致更快或更慢的系统响应时间，具有相应更高或更低的过冲/下冲（这会影响系统稳态错误）。在一些实施例中，控制系统可以持续监视各种系统参数，并且根据需要进行调整，以将一个或多个性能参数维持在期望的性能参数范围内。

在一些实施例中，控制系统（例如，通过前馈控制器303，如图3中可见）还可以使用其控制算法中的前馈来改善各种性能参数，并且产生遵循期望轨迹的系统输出。例如，控制系统可以在给定设定点存储各种系统部件的值，从而控制系统可在一设定点被请求时将系统部件快速引导至预定值。例如，如果X psi的压力被请求，并且对定量阀的数个增量改变之后，控制系统确定已经达到X psi的压力，控制系统可以存储对应于X psi的阀位置，由此如果今后再次请求X psi，控制系统可以立即将阀引导至所存储的位置。虽然控制系统仍会测量压力并确定在将阀置于所存储的位置之后是否需要增量改变，但与系统已经开始使阀从其原始位置递增而非首先跳至所存储的位置相比，总系统响应时间仍会更快。作为一个实例，如果控制系统确定当入口阀处于50%打开状态时实现50psi的压力（每平方英寸的磅数），那么下一次请求50psi的设定点时，控制系统可将阀引导至50%打开（这可以节省数次增量改变和重新测量的迭代）。在一些实施例中，系统可以存储针对一定范围的设定点（例如，存储50%打开对应于45-55psi之间的设定点）的控制器输出（诸如阀位置），从而在请求一个设定点时，系统可以查找对应于该设定点所位于的范围内的控制器输出。根据已存储的值引导系统部件可以导致对所请求设定点的更快系统响应时间。在一些实施例中，可将针对多个设定点的已存储阀位置（或者其他控制器输出）连同它们相应的设定点一起存储为一个或多个前馈表中的前馈项。

在一些实施例中，前馈表可以动态且持续地更新，以补偿随时间对系统的改变（例如，环境改变/系统参数或性态的改变等）。例如，随着系统加热或针对延长时间段的使用，阀的50%打开位置可能不再对应于50psi的压力（例如，增加的系统热可能导致更高的总压力，从而在5分钟的持续操作之后，40%的打开位置可以对应于50psi）。因而可以根据需要使用新的前馈项更新前馈表，以使系统适应改变。

图1a-b例示了根据一个实施例的前馈方法的流程图。在该流程图中提供的各元素仅是示意性的。可以省略各种提供的元素，可以增加附加元素，和/或可以以与下文所提供的不同顺序执行各种元素。

在101处，可以将系统的操作范围细分成对应于系统操作的若干潜在的设定点或者设定点区域。在一些实施例中，可以将用于系统的性能参数（例如，压力、位置、速度等）的操作范围分成用户提供的或系统确定数量的点或区域。例如，如果系统压力在0 psi至100 psi的范围上操作，并且用户或系统要求10个区域，那么经细分的区域可以包括：0-10psi、11-20psi、21-30psi、31-40psi、41-50psi、51-60psi、61-70psi、71-80psi、81-90psi以及91-100psi。这仅是一个实例，还可以预期其他变化方式和其他分辨率。例如，可以将0至5伏特（V）的操作范围细分成100个区域（0-0.05V，0.06-0.10V，……）。在一些实施例中，可以使用特定值作为区域的代替或附加。例如，0psi至100psi的操作压力可以包括：10psi、20psi、30psi、40psi、50psi、60psi、70psi、80psi、90psi和100psi。在一些实施例中，点/区域可以不均匀地细分。例如，与其他区域相比，操作范围的特定区域可以用更大的分辨率细分。作为实例，0psi至100psi的操作压力的10个区域可以包括：0-15psi、16-30psi、31-45psi、45-47psi、48-50psi、51-52psi、53-55psi、56-70psi、71-85psi以及86-100psi。范围的不同部分中的不同分辨率可以允许更精细地控制更频繁操作的范围部分。

在103处，经细分的设定点或设定点区域可经由查找表被映射至前馈项（控制器输出）。图2a例示了查找表201a的实例，其中经细分的操作范围（在该情况下为压力）被映射至相应的前馈项（在该情况下，呈百分比打开状态的阀位置）。在一些实施例中，经细分的设定点或设定点区域可被映射至多个前馈项。图2b例示了查找表201b的实例，其中经细分的操作范围被映射至相应的多个前馈项（在该情况下，呈百分比打开状态的输入阀位置和出射阀位置）。例如，当要求45psi的设定点时，系统可以使用40%的输入阀位置和60%的出射阀位置的初始控制器输出。在一些实施例中，经细分的设定点或设定点区域可被映射至多个查找表（例如，各自具有不同的变量，并且各自与特定系统操作模式/状态相关）。图2c例示了两个查找表的实例，一个查找表201c的细分操作范围被映射至前馈项以在压力增加时使用，而第二查找表201d在压力下降时使用。在一些实施例中，可以预先填充前馈项（例如，根据出厂缺省值、先前的系统运行等）。例如，可以将所有前馈项设为0。在一些实施例中，可以随着系统操作来填充/更新查找表中的前馈项（参见下文）。

在105处，可以接收操作设定点。例如，可以从手术控制台、脚踏开关、键盘等接收操作参数（例如，压力、位置、速度等）。设定点可以接收作为用户输入，或者可以接收作为程序的一部分（例如，执行手术程序可以在手术过程的不同部分期间引导不同的设定点）。在一些实施例中，控制系统可以访问相应的前馈表以确定是否存在针对所要求的设定点的前馈项。

在107处，如果前馈项尚未存在，控制系统可以递增相应的部件（例如，移动阀）以将系统朝向期望设定点移动。控制系统可以继续以接收相关测量值（例如，压力、温度等）并且继续以重新评估是再递增所述部件、撤消前次增量或者不递增所述部件。在一些实施例中，递增过程（例如，相对于测得的系统参数而增量大小和方向）可被预编程在控制系统中。例如，控制系统的控制器可被编程为递增地关闭阀门以减少系统压力。

在109处，控制系统可以确定是否已经到达设定点。例如，可以将相关系统测量值（例如，由系统传感器获取的）与设定点相比（例如，与期望设定点压力相比的腔内压力），以确定相关的系统测量值是否位于期望设定点的容限内（例如，期望设定点压力的+/-1%、+/-1psi等内的测得压力）。还可以预期其他范围（例如，+/-5%、+/-10psi等）。容限可以是用户提供的、预定的、系统默认值等。

在111处，当系统处于设定点的可接受容限内时，可以确定系统稳态错误。在一个实施例中，即使在初始设定点在容限内实现之后，控制器也可以继续以接收系统测量值（例如，传感器值），并且可以继续以向相关系统部件提供控制器输出。例如，控制器可以周期性地提供输出（例如，每0.1秒）。还可以预期其他周期性时间段。在一些实施例中，在控制器维持期望设定点的同时，控制器输出可以基本上相同。然而，在一些情况下，控制器可以改变控制器输出以补偿系统波动。在一些实施例中，确定系统稳态错误可以包括将该控制器输出（例如，阀位置）的多个样本的平均与控制器输出的标准差相比较。可以预先确定用于比较的样本数量（例如，100）或者用于比较的样本可以继续增加，直至下一次设定点改变（例如，当用户输入新设定点时）。

在113处，如果对稳态错误的测量值（例如，标准差与控制器输出的应计样本的平均之比）在可接受范围内，可以使用控制器输出的平均值（或者另一相关系统值）来更新前馈表。例如，如果采样的控制器输出的标准差除以采样的控制器输出的平均小于预定值（例如，0.1、0.4等），则可使用控制器输出的平均值来更新前馈表。稳态错误的其他测量值也是可能的（例如，基于变量与平均值的比较）。还可以预期用于存储前馈项的其他标准。例如，如果仍不存在针对该设定点的前馈项，则可自动输入针对该设定点的控制器输出的平均，而无需确定稳态错误的测量值。作为另一实例，系统可以基于传感器测量值的标准差和/或平均（例如，基于在控制器输出期间对系统压力稳定程度的确定）确定是否保持控制器输出。

在115处，如果存在针对期望设定点的前馈项，可以使用该前馈项作为用于期望设定点的初始系统控制器输出。控制器可以接收数据（诸如，传感器数据）以确定是否需要进行附加调整以达到所述期望设定点（或者进入该设定点的可接受容限内）。在一些实施例中，如果需要附加调整和/或系统稳态错误处于可接受容限内，则可更新前馈表。

在117处，当检测到对系统的改变会使得表中的前馈项处于稳态错误中时（例如，如果所检测到的系统温度改变），可以在表中确定针对该设定点的新的前馈项（例如，前进）。例如，如果系统温度改变大于X度（例如，其中X可能是用户输入或系统默认值），那么前馈项可以被标记地设置成默认值等。可以基于其他系统特征（例如，操作时间、系统模式、所使用的工具类型等）来确定更换前馈项的时间。在一些实施例中，当决定更换前馈项时，可以继续使用先前的前馈项作为初始控制器输出，但当能够确定新的前馈值时则可对更换进行标记（例如，基于针对相应设定点的后续控制器输出的平均）。于是前馈项的动态和持续更新可以补偿系统或环境条件（例如，温度和压力）中的改变，由此得到更快的响应时间和更好的追踪。在一些实施例中，可以在每次输入设定点时计算新的前馈项（例如，每次系统到达设定点值，并且稳态错误的测量值位于可接受容限内时，可以使用相应的控制器输出（或者控制器输出的平均）来更新前馈表中针对该设定点的相应前馈项。

在一些实施例中，通过控制供应储存槽的定量阀，图1a-b中所描述的前馈方法可以用于控制储存槽（或者其他容器）的压力。在一些实施例中，一个或多个前馈查找表（例如，如图2中可见）可被创建（例如，用于增加输出的表201和用于减少输出的表203）。在一些实施例中，所述阀可能具有作为阀上压降的函数（输入压力——设定点）的非线性性态，从而导致针对不同输入压力的不同前馈值。在一些实施例中，可以使用两个表来补偿阀输出中增加的滞后（例如，阀可以经历作为温度随着时间的函数的动态性态改变，从而当输入压力增加时使用一个表，而当输入压力降低时使用另一个表）。在一些实施例中，可以取决于期望分辨率将一定范围的设定点分成多个段（例如，在该实例中，可以使用20个段以实现近似5%的分辨率）。其他数量的段和其他分辨率也是可能的（例如，1%）。当系统利用新的设定点时，总控制器输出可以在输出达到期望设定点时（或者，例如，在设定点的错误容限内）在多个样本上平均：

S_K=最接近表项目K的设定点（其中K可以提供作为表中提供的选定点或者点范围）

还可以计算所述平均的标准差：

如果标准差与平均之比（例如，或）位于可接受容限内（例如，小于0.1），那么可以将平均值（或）赋予在前馈查找表中与设定点最近的邻居项（例如，最接近的值或最接近的值范围）。还可以预期其他可接受的容限（例如，小于0.1、0.2、0.4等）。如果该比不在容限内，那么可以认为新算出的前馈项噪音过大，并且可以将前一值（或者不将值）保持在表中。随着要求不同的设定点（例如，针对不同要求的输入压力），可以重复对前馈项的获取。

在一些实施例中，可能需要附加参数/表。例如，在控制定量阀期间，定量阀的输入压力可以改变，并且更改必须的阀位置。在定量阀的情况下，控制器输出可以取决于设定点和入口压力。在这种情况下，也可能需要将入口压力分成增量（例如，5psi），并且可以对每个压力增量开发一个表集合。对于每个区域的专用表可以取决于确定前馈项时刻的具体输入压力而被更新。同样地，可以在查找处理中使用当前输入压力，以确定当前输入压力处针对特定设定点所需的控制器输出。

在图3中示出了实例控制系统。在一些实施例中，控制系统可以包括以硬件、固件、逻辑件或软件实施反馈控制算法（例如，其包括反馈）的反馈控制器301以及实施前馈控制算法（使用前馈查找表321）的前馈控制器303。在一些实施例中，前馈可以利用对系统性态的知识来改进性能值，诸如上升时间、下降时间、追踪或系统中抗干扰或者可依赖于对反馈控制器301的输入305（例如，输入压力）且可独立于控制器301的输出307的其他值。该系统可以包括其他部件，诸如数模转换器309、放大器311/317、致动器313（例如，响应于控制器输出307的阀致动器）、传感器315（例如，其可以提供压力测量值或者可以指示是否已经达到设定点的其他测量值）以及模数转换器319。在一些实施例中，可以将前馈查找表321存储在控制器303上或者控制器303可访问的存储器上。

在一些实施例中，控制系统可以包括一个或多个处理器。处理器可以包括单个处理设备或者多个处理设备。这类处理设备可以是微处理器、控制器（例如，控制器301和303）（其可以是微控制器）、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑设备、状态机、逻辑电路、控制电路、模拟电路、数字电路和/或基于操作指令而操纵（模拟和/或数字）信号的任何设备。耦合至处理器和/或嵌入其中的存储器可以是单个存储器设备或多个存储器设备。这类存储器设备可以是只读存储器、随机存取存储器、易失存储器、非易失存储器、静态存储器、动态存储器、闪速存储器、高速缓冲存储器和/或存储数字信息的任何设备。应当注意到，当处理器经由状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路而实施其一个或多个功能时，可以将存储相应操作指令的存储器嵌入在包括状态机、模拟电路、数字电路和/或逻辑电路的电路中或者位于其外部。存储器可以存储对应于参考图1a-b所例示和描述的至少一些元素的操作指令，并且处理器可以执行这些操作指令。

图4示出了根据一个实施例的手术控制台。如图4中可见，手术控制台401可以包括触摸屏403、贮存器407、阀405和致动器313。手术控制台401可以耦合至脚踏开关409。正如进一步可见的，系统部件411（例如，玻璃体切除探针）可以耦合至手术控制台（例如，通过一个或多个管道系统）。还可以预期手术控制台401的其他结构。在一些实施例中，系统部件411可以在手术控制台401内部（例如，系统部件411可以包括阀405）。还可以预期其他系统部件411（例如，系统部件可以包括超声乳化白内障吸除机头）。

本领域普通技术人员可以对所示的实施例进行各种修改。对于本领域技术人员而言，在考虑本说明书以及本文所公开的本发明的实践的基础上，本发明的其他实施例将是显见的。旨在将该说明书和实例考虑为仅是示意性的，而本发明的真实范围和精神由所附权利要求及其等效方案所指示。

Claims

1.一种用于前馈控制的方法，包括：

将系统部件的操作范围细分成两个或更多个操作设定点或设定点区域；

创建前馈表，用于将前馈项映射至所述两个或更多个操作设定点或设定点区域；

接收一操作设定点；

确定是否存在针对该操作设定点的前馈项；

如果不存在针对该操作设定点的前馈项，

根据需要使用控制器输出来递增系统部件，以将系统移动至期望设定点的第一可接收容限内；

确定针对该系统的稳态错误的测量值是否位于第二可接受容限内；

如果针对该系统的稳态错误的测量值位于第二可接受容限内，则在前馈表中记录针对当前设定点的相应前馈项；

如果针对该系统的稳态错误的测量值不位于第二可接受容限内，则不在前馈表中记录针对当前设定点的相应前馈项；

如果存在针对该操作设定点的前馈项，则使用对应于与期望设定点相关联的前馈项的控制器输出来控制部件，以将系统朝向期望设定点移动；以及

当检测到与前馈项的可能改变相关联的系统改变时，为该前馈表生成一个或多个新的前馈项。

2.根据权利要求1所述的方法，其中与前馈项的可能改变相关联的系统改变包括温度改变。

3.根据权利要求1所述的方法，其中当检测到系统改变时生成新的前馈项包括：

在系统随后位于期望设定点的第一可接受容限内的情况下，如果针对系统的稳态错误的测量值位于第二可接受容限内，则记录新的前馈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中确定针对系统的稳态错误的测量值包括：

计算在系统位于期望设定点的第一可接受容限内的时间期间控制器输出的多个样本的标准差和平均，其中所确定的针对系统的稳态错误的测量值是标准差除以平均。

5.根据权利要求1所述的方法，其中第一可接受容限在0.1至0.4的范围内。

6.根据权利要求1所述的方法，其中操作设定点是贮存器压力，并且控制器输出和前馈项包括耦合至贮存器的阀的阀位置。

7.根据权利要求1所述的方法，其中设定点操作范围是贮存器压力的范围。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统是手术系统，并且设定点通过手术控制台的触摸屏或脚踏开关而被接收。

9.根据权利要求1所述的方法，其中操作范围根据系统用户提供的分辨率而被细分。

10.根据权利要求1所述的方法，其中前馈表在操作系统部件之前不被填充，并且前馈项在随后系统部件操作期间被确定并用于填充前馈表。

11.根据权利要求1所述的方法，其中前馈表在操作系统部件之前由算出的或默认的前馈项填充，并且更新的前馈项在随后系统部件操作期间被确定并用于盖写表中现有的前馈项。

12.一种使用前馈表控制手术系统部件的方法，包括：

接收操作设定点；

确定前馈表中是否存在针对该操作设定点的前馈项，其中前馈表包括多个设定点；

如果不存在针对该操作设定点的前馈项，

13.根据权利要求12所述的方法，其中与前馈项的可能改变相关联的系统改变包括温度改变。

14.根据权利要求12所述的方法，其中当检测到系统改变时生成新的前馈项包括：

在系统随后位于期望设定点的第一可接受容限内的情况下，如果针对系统的稳态错误的测量值位于第二可接受容限内，则记录新的前馈项。

15.根据权利要求12所述的方法，其中确定针对系统的稳态错误的测量值包括：

16.根据权利要求12所述的方法，其中操作设定点是贮存器压力，并且控制器输出和前馈项包括耦合至贮存器的阀的阀位置。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述系统是手术系统，并且设定点通过手术控制台的触摸屏或脚踏开关而被接收。

18.根据权利要求12所述的方法，其中前馈表在操作系统部件之前不被填充，并且前馈项在随后系统部件操作期间被确定并用于填充前馈表。

19.根据权利要求12所述的方法，其中前馈表在操作系统部件之前由算出的或默认的前馈项填充，并且更新的前馈项在随后系统部件操作期间被确定并用于盖写表中现有的前馈项。