CN116520710B - 基于负载的驱动控制方法、用于加速器的驱动控制系统 - Google Patents

基于负载的驱动控制方法、用于加速器的驱动控制系统 Download PDF

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CN116520710B CN202310746935.3A CN202310746935A CN116520710B CN 116520710 B CN116520710 B CN 116520710B CN 202310746935 A CN202310746935 A CN 202310746935A CN 116520710 B CN116520710 B CN 116520710B
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田新智
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Abstract

本申请提供一种基于负载的驱动控制方法、用于加速器的驱动控制系统，包含最优控制参数获取步骤，输入不同的负载，寻找对应的最优控制参数；数据拟合步骤，建立负载与最优控制参数之间的映射关系；负载获取步骤，根据预先构建的数学模型，动态获取负载；补偿值计算步骤，至少根据动态获取的所述负载的变化情况，计算对驱动单元的负载补偿值；输出控制步骤，按照映射关系，根据所述负载得到对应的最优控制参数，并将控制器根据最优控制参数输出的对应的控制量叠加负载补偿值后，输入驱动单元。据此，能够根据系统的负载变化、自适应调整控制参数，从而提高控制效能。

Description

基于负载的驱动控制方法、用于加速器的驱动控制系统
技术领域
本申请涉及能够根据系统的负载变化、自适应调整控制参数，从而提高控制效能的基于负载的驱动控制方法、用于加速器的驱动控制系统。
背景技术
治疗头是医用直线加速器的关键组成部件，包含射线源、铅门、光栅叶片组等可移动部件，以及驱动治疗头自转的驱动电机等结构，其性能极大影响了放射治疗的有效性。在实际治疗中，由于治疗头内可移动部件的位置变化，往往会出现质心偏转现象，相当于驱动电机的负载发生了变化。
同样的，每个光栅叶片叶独立地连接有丝杠电机，用于驱动光栅叶片的前后移动。在光栅叶片随旋转机架转动过程中，光栅叶片的重力施于丝杠电机上的负载也会随着旋转机架的转动角度不同而不断变化。
现有设计中，大多按照最大质心偏转的工况下计算负载，采取试凑法或者解析法等方式获得PID控制器参数，并应用于其他所有的负载工况。这种在特定负载情况下得到的控制参数，在其他负载工况下，控制性能会发生变化，导致超调量增大或调节时间增加，从而影响治疗头控制系统的治疗效果。
为此，现有技术中，根据系统的负载变化、自适应调整控制参数，从而提高控制效能成为技术课题。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种能够根据系统的负载变化、自适应调整控制参数，从而提高控制效能的基于负载的驱动控制方法、用于加速器的驱动控制系统。为了实现上述目的，本申请的一个方案为，一种基于负载的驱动控制方法，是基于被控对象产生的负载、对该被控对象进行驱动的控制方法，所述被控对象被驱动单元驱动，所述驱动单元在控制器的控制下工作；所述驱动控制方法包含以下步骤：S1：最优控制参数获取步骤，输入多个不同的负载，寻找每个负载对应的所述控制器的最优控制参数；S2：数据拟合步骤，通过数据拟合，建立所述负载与所述最优控制参数之间的映射关系；S3：负载获取步骤，根据预先构建的用于计算所述负载的数学模型，动态获取所述负载；S4：补偿值计算步骤，至少根据动态获取的所述负载的变化情况，计算对所述驱动单元的负载补偿值；S5：输出控制步骤，按照所述映射关系，根据动态获取的所述负载得到对应的所述最优控制参数，并将所述控制器根据所述最优控制参数输出的对应的控制量叠加所述负载补偿值后，输入所述驱动单元。
根据前述的技术方案，能够实时获取负载，并根据负载的变化自适应调整控制器的控制参数，使控制更加精准，系统误差更小。叠加负载补偿值后，也能缩短调节时间，提高控制效率。
在一个优选的方式中，在所述负载获取步骤中还包含滑窗滤波步骤：以x个采样周期的时长为滑窗宽度，当实际采样的时长不小于所述滑窗宽度时，对在所述滑窗宽度对应的时长内获取的x个所述负载的数据进行处理，以获取最终负载，x为大于等于1的整数；当实际采样的时长小于所述滑窗宽度时，对实际采样获取的、数量小于x个的所述负载的数据进行处理，以获取所述最终负载。
根据前述的技术方案，采集多组数据后对数据进行处理，可以去除无效数据、减少干扰和误差，提高最终负载的精度。
在一个优选的方式中，在所述滑窗滤波步骤中，以所述滑窗宽度内获取的x个或小于x个的所述负载的数据的平均值为所述最终负载。
根据前述的技术方案，对采集的多组数据求平均，可以减少干扰和误差，提高最终负载的精度。
在一个优选的方式中，所述被控对象为直线加速器的光栅叶片，所述驱动单元为驱动所述光栅叶片的丝杠电机；所述光栅叶片能随所述直线加速器的旋转机架绕机架轴线转动，也能随设于所述旋转机架的治疗头绕射线束中心线转动，所述机架轴线与所述射线束中心线相互垂直；以所述光栅叶片水平放置、且其延伸方向与所述机架轴线垂直的状态为初始状态，当所述光栅叶片从该初始状态起随所述旋转机架转动角度θ、随所述治疗头转动角度φ时，所述光栅叶片产生的所述负载满足如下的式（1）：
式（1）;
其中，C为所述负载，G为所述光栅叶片的重力。
根据前述的技术方案，构建起计算光栅叶片的负载的数学模型，根据旋转机架的公转角度θ和治疗头的自转角度φ，即可动态获取负载。
在一个优选的方式中，在所述负载补偿步骤中，按照如下的式（2）计算施于所述驱动单元的负载补偿值：
式（2）
其中，Δu为所述负载补偿值，ΔC、Δe分别为规定时间内所述负载的变化量和系统误差的变化量，P为所述丝杠电机的丝杠的导程，η为传动效率。
根据前述的技术方案，能够根据负载变化情况和系统误差变化情况，动态计算负载补偿值，从而提高控制效率和精准度。
在一个优选的方式中，所述被控对象为直线加速器的治疗头，所述驱动单元为驱动所述治疗头绕射线束中心线转动的治疗头驱动电机；设所述治疗头内有n个质量分别为的可移动部件，每个可移动部件的质点到所述射线束中心线的垂直距离分别为，则所述治疗头产生的所述负载满足如下的式（3）：
式（3）
其中，M为所述治疗头施于其驱动轴上的负载力矩，为所述治疗头绕所述射线束中心线转动的角加速度，Ci为第i个可移动部件的转动惯量;C为所述负载,等于各个可移动部件的转动惯量之和。
根据前述的技术方案，可以根据治疗头内各个可移动部件的位置及治疗头的转速情况，计算得到治疗头产生的负载。
在一个优选的方式中，在所述负载补偿步骤中，按照如下的式（4）计算施于所述驱动单元的负载补偿值：
式（4）
其中，Δu为所述负载补偿值，ΔC、Δe分别为规定时间内所述负载的变化量和系统误差的变化量，为所述治疗头绕所述射线束中心线的角加速度。
根据前述的技术方案，能够根据负载变化情况和系统误差变化情况，动态计算负载补偿值，从而提高控制效率和精准度。
此外，本申请的另一个方面是一种用于加速器的驱动控制系统，控制所述加速器中的驱动单元驱动被控对象运转，以补偿该被控对象施于所述驱动单元的负载所导致的系统误差，所述驱动控制系统按照前述的基于负载的驱动控制方法，控制所述驱动单元的运行。
根据前述的技术方案，能够根据系统的负载变化、自适应调整控制参数，从而提高控制效能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请，下面将对本申请的说明书附图进行描述和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅说明了本申请的一些示例性实施方案的某些方面，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是例示的治疗头的俯视图。
图2是例示的治疗头的结构示意图。
图3是例示的光栅叶片随旋转机架转动示意图。
图4是例示的光栅叶片随治疗头转动示意图。
图5是例示的对光栅叶片的控制流程图。
图6是例示的对治疗头的控制流程图。
附图文字说明：
100 治疗头
101 射线源
102 射线束中心线
11 第一叶片组
111 光栅叶片
12 第二叶片组
21 第一铅门
22 第二铅门
31 第一移动托架
32 第二移动托架
实施方式
以下参照附图详细描述本申请的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，绝不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。本申请可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本申请透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本申请的范围。应注意到：除非另有说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值等应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本申请中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。
本申请使用的所有术语（包括技术术语或者科学术语）与本申请所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非本文有明确地这样定义。
对于本部分中未详细描述的部件、部件的具体型号等参数、部件之间的相互关系以及控制电路，可被认为是相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
被控对象
首先，参照图1-3说明本申请的治疗头100的构成。图1是治疗头100的俯视图，图2是治疗头100的结构示意图，图3是光栅叶片随旋转机架转动示意图。
治疗头100通常设于直线加速器的旋转机架，跟随旋转机架一起绕旋转机架的机架轴线转动，并发射射线束多角度地照射治疗床上的病患，其中治疗床沿机架轴线延伸。
参看图1、图2，在通常的例子中，治疗头100内设有多个铅门，示例性地，包含Y轴方向延伸且相互平行的第一铅门21、第二铅门22，用于防止射线束扩散；还有沿图示的X轴方向延伸、在射线源101的两侧对称分布的至少两组光栅叶片组，分别为第一叶片组11和第二叶片组12，构成多叶准直器（MLC）。叶片组11～12中的光栅叶片沿Y轴方向依次排列，每个光栅叶片都分别与一个丝杠电机连接，由丝杠电机驱动沿X轴方向前进/后退，从而在两个叶片组之间形成不规则的空间，使得从射线源101发出的射线束穿过该空间到达病灶，并形成图2所示的射野AB，以实现精确治疗。在本实施例中，第一叶片组11和第二叶片组12还分别设置在第一移动托架31、第二移动托架32上，可以随移动托架31～32沿X轴移动，以加快叶片组11～12整体的移动速度和移动距离，增大成形面积和成形的可行性。
此外，治疗头100还设有治疗头驱动电机（图中未示出），用于驱动治疗头100绕射线束中心线102转动。即，治疗头100既可以随旋转机架绕机架轴线公转，也能绕射线束中心线102自转。
在用直线加速器治疗过程中，铅门21～22、移动托架31～32和叶片组11～12都会根据治疗需要移动到治疗头100的某一侧，其偏移质量可能达到100kg的数量级，治疗头100的直径一般为1米左右，所以其偏心负载力矩理论上可能会达到25NM2左右，而治疗头驱动系统则需要在任意负载情况下绕其旋转轴平稳运行。
类似的，如图3所示，在旋转机架旋转过程中，叶片组11～12中的每个光栅叶片连接的丝杠电机的负载也会发生变化，当旋转机架转到使治疗头100处于水平位置时，丝杠电机的负载只需要考虑系统摩擦，而当旋转机架继续转动一定角度时，丝杠电机的负载还需要考虑光栅叶片的重力作用。受空间布局影响，丝杠电机往往功率偏小，所以光栅叶片的重力因素对于丝杠电机的影响不能忽视。
现有技术中，通常按照最大质心偏转的工况下计算负载，根据此负载选取驱动系统规格。在最大负载或居中负载情况下根据试凑法或者解析法等方式获得PID控制器参数，并应用于其他所有的负载工况。这样在特定负载情况下得到的控制参数，在其他负载工况下，控制性能会发生变化。
例如，在高于特定负载的工况下，由于大负载在动态调节过程中导致被控量偏差较大，从而产生较大的控制量，当进入稳态调节过程时其惯性较大，使得超调量增大；同理，在低于特定负载的工况下，控制系统的上升时间即响应曲线从零时刻到首次达到稳态值的时间会增加，即动态调节的时间增加，从而影响控制效果。
为此，本申请的驱动控制方法，具有可以预估系统负载变化的模块，根据负载的变化自适应调整PID控制器的控制参数，从而增加控制系统性能的一致性，进而得到较好的控制效果和治疗效果。
负载的数学模型
接下来，结合图1、图3、图4对负载的数学模型进行具体说明。图4是光栅叶片随治疗头100转动示意图。
首先对光栅叶片产生的负载进行说明。
参看图1，以叶片组11～12中的光栅叶片水平放置、且其延伸方向与旋转机架的机架轴线垂直的状态为初始状态。此时，射线束中心线102沿铅垂方向延伸，治疗头100位于治疗床的正上方，图1所示的Y轴方向与机架轴线平行，光栅叶片的延伸方向即X轴方向与机架轴线垂直。
参看图3、图4，以第一叶片组11中单个光栅叶片111为例进行说明。光栅叶片111的重力为G，其从前述的初始状态起，随旋转机架绕机架轴线转动角度θ时，光栅叶片111的重力G沿其延伸方向的分力为G1=Gsinθ；当光栅叶片111随治疗头100绕射线束中心线102转动角度φ时，G1沿光栅叶片111的延伸方向的分力为G2=G1cosφ=Gsinθcosφ，此分力G2即为负载。亦即，光栅叶片111产生的负载C满足如下的式（1）：
式（1）；
可以理解，根据式(1)的数学模型，G为常量，可以由传感器检测旋转机架的转动角度θ以及治疗头100的自转角度φ，进而计算出叶片组11～12中每个光栅叶片的负载C。
进一步地，由于光栅叶片111的延伸方向与其连接的丝杠电机的丝杠方向重合，则光栅叶片111的重力G施于丝杠电机的分力G2转换为负载力矩即为M=(C*P)/（2π*η）;其中，G为光栅叶片111的重力，M为重力G施于丝杠电机的负载力矩，P为丝杠电机的丝杠的导程，η为传动效率，即丝杆沿其延伸方向前进单位距离（例如1mm）与丝杠电机的输出轴的转动圈数的比值。
接下来，结合图1对治疗头100产生的负载进行说明。
治疗头100的负载变化受其内部各个可移动部件的位置变化影响。本实施例的可移动部件，通常指能够沿X轴方向移动的叶片组11～12中的每个光栅叶片、第一铅门21、第二铅门22、第一移动托架31、第二移动托架32，实际上的可移动部件不限于此，这里不再一一例举。
为了便于说明，将每个可移动部件简化为一个质点，设n个可移动部件的质量分别为，n为大于零的整数。设每个可移动部件的质点到治疗头100的旋转中心即射线源101的距离为/>。其中/>是带有方向的矢量，示例性地，当第i个可移动部件在X轴方向上位于射线源101的左侧时，取/>为负，反之为正。
则治疗头100产生的负载力矩为各个可移动部件折算在治疗头100的驱动轴上的负载力矩之和，满足如下的式（3）：
式（3）
其中，M为治疗头100的负载力矩，为治疗头100绕射线束中心线102自转的角加速度，Ci为第i个可移动部件的转动惯量，负载C等于各个可移动部件的转动惯量之和。
作为一种优选的方式，每个可移动部件沿Y轴方向相对于射线源101对称分布，以第一铅门21为例，第一铅门21沿Y轴方向延伸，以平行于X轴且经过射线源101的线为分割线，第一铅门21沿Y轴方向被该分割线分为对称分布的两个部分，则当治疗头100自转时，这两个部分相对于射线源101的负载力矩在Y轴方向的分量大小相同、方向相反，两者相互抵消。这样可以将各个可移动部件施于治疗头驱动电机的负载力矩尽量地减小，以提高控制效率和精度。
驱动控制方法
接下来，结合图5、图6对基于负载的驱动控制方法进行具体说明。图5是对光栅叶片的控制流程图，图6是对治疗头100的控制流程图。
驱动控制方法主要包含如下步骤：
S1：最优控制参数获取步骤，输入多个不同的负载，寻找每个负载对应的所述控制器的最优控制参数。
具体而言，在直线加速器的调试过程中，假设负载的变化范围是[C1，Cn]，选取C1至Cn范围内有限个负载值C1、C2、C3等，采用经验公式法、试凑法等方法，得到最优控制效果对应的最优控制参数。
本实施例的最优控制参数是指PID控制器的最优控制参数Kp、Ki、Kd，实际上不限于此。调试中，在同一负载下按照不同控制参数调节PID控制器的控制量，以调节时间较短、超调量较小的控制参数为最优控制参数，此时能够快速平顺地使被控对象到达期望值。
然后得到不同负载下的最优控制参数表：
负载C 比例Kp 积分Ki 微分Kd
C1 P1 I1 D1
C2 P2 I2 D2
... ... ... ...
Cn Pn In Dn
S2：数据拟合步骤，通过数据拟合，建立所述负载与所述最优控制参数之间的映射关系。
根据上述最优控制参数表，采取最小二乘法等数据拟合方法，将离散的数据点拟合为连续的曲线，从而建立负载与最优控制参数之间的映射关系。这样，当输入任意负载时，根据该映射关系即可得到对应的最优控制参数，大大提高了控制效率。
具体而言，使用最小二乘法进行曲线拟合，得到负载与最优控制参数的函数关系式，以线性关系式为例，满足如下的式（5）：
式（5）；
其中分别为拟合出来的系数，C为负载，Kp(C)、Ki(C)、Kd(C)为最优控制参数。
可以理解，数据拟合方法不限于最小二乘法，示例性地，还可以是线性插补法。在运行过程中，假设当前负载为C，其大小在Ci和Ci+1之间，其中Ci和Ci+1分别为最优控制参数表中的已知量。则当前负载C对应的最优控制参数满足如下的式（6）：
式（6）；
其中，Pi和Pi+1、Ii和Ii+1、Di和Di+1分别是负载Ci、Ci+1对应的最优控制参数。
S3：负载获取步骤，根据预先构建的用于计算所述负载的数学模型，动态获取所述负载。
光栅叶片作为被控对象时，依据式（1）的数学模型，只需获取旋转机架的转动角度θ和治疗头100的自转角度φ，即可计算出每个光栅叶片施加于与其连接的丝杠电机上的负载即光栅叶片自身重力的分力。当治疗头100作为被控对象时，依据式（3）的数学模型，只需获取治疗头100内各个可移动部件相对于射线源101的方位和距离，即可计算出治疗头100产生的负载即转动惯量。图5中的负载估计器即用于计算负载。
S4：补偿值计算步骤，根据预先构建的用于计算所述负载的数学模型，动态获取所述负载。
控制过程中，负载会动态变化，PID控制器有个动态的控制过程，存在滞后的系统误差，比如期望旋转机架匀速转动，当负载突然变大时，旋转机架的转速就会下降，而判断转速下降需要一个数据采集的过程，这就导致后续的控制动作存在滞后性。
为此，优选地，本申请为驱动单元设置动态补偿，以便于及时响应负载的变化。动态补偿是朝使系统误差变小的方向给驱动电机一个瞬时的补偿力矩，使控制系统的跟踪效果更快，也不会破坏系统的静态精度。
具体而言，光栅叶片作为被控对象时，按照如下的式（2）计算丝杠电机的负载补偿值：
式（2）
其中，Δu为负载补偿值，ΔC、Δe分别为规定时间内的负载C的变化量和系统误差e的变化量，P为丝杠电机的丝杠的导程，η为传动效率。
治疗头100作为被控对象时，按照如下的式（4）计算治疗头驱动电机的负载补偿值：
式（4）
其中，Δu为负载补偿值，ΔC、Δe分别为规定时间内的负载C的变化量和系统误差e的变化量，为治疗头100绕射线束中心线102的实际角加速度。
示例性地，上述的规定时间可以为一个或多个控制周期，以一个控制周期为例，则ΔC为一个控制周期开始时的负载减去结束时的负载，Δe为一个控制周期开始时的系统误差减去结束时的系统误差。作为一例，这里的系统误差是指期望值和实际值的差值，例如期望旋转机架的转速为10。/s，实际转速为9。/s，则系统误差为1。/s。
可以理解，ΔC也可以是一个控制周期结束时的负载减去开始时的负载，Δe也可以是一个控制周期结束时的系统误差减去开始时的系统误差，这里不作具体限定。
需要说明的是，当负载增大即ΔC小于零时，正常情况下系统误差应该也变大即Δe也小于零，倘若负载增大而系统误差反而不变或者变小，即ΔC小于零、Δe大于/等于零，此时ΔC与Δe的乘积小于/等于零。由于系统误差不变或变小，则不需要进行干预和补偿，因此Δu等于零即可。
当ΔC与Δe的乘积大于零时，说明负载的变化方向和系统误差的变化方向一致，当负载变大时系统误差也跟着变大，则需要进行干预和补偿，此时Δu依照式（2）或式（4）计算得到。
S5：输出控制步骤，按照所述映射关系，根据动态获取的所述负载得到对应的所述最优控制参数，并将所述控制器根据所述最优控制参数输出的对应的控制量叠加所述负载补偿值后，输入所述驱动单元。
参看图5、图6，控制过程中，按照数据拟合步骤中建立的映射关系，根据动态获取的负载得到对应的最优控制参数，之后PID控制器根据最优控制参数输出对应的控制量，该控制量叠加负载补偿值Δu后被输入驱动器，进而控制丝杠电机/治疗头驱动电机进行相应动作，以补偿负载所导致的系统误差。
滑窗滤波
接下来，对采样中的滑窗滤波进行具体说明。
在前述的负载获取步骤中还包含滑窗滤波步骤：以x个采样周期的时长为滑窗宽度，当实际采样的时长不小于滑窗宽度时，对在滑窗宽度对应的时长内获取的x个所述负载的数据进行处理，以获取最终负载，x为大于等于1的整数。当实际采样的时长小于滑窗宽度时，对实际采样获取的、数量小于x个的负载的数据进行处理，以获取最终负载。
示例性地，假设一个采样周期为10ms，设滑窗宽度的时长为100ms。实际采样过程中，若采样时间大于/等于100ms，例如采样时间为150ms，则实际采样时长为15个采样周期，但只从中选取与滑窗宽度对应的时长内的采样数据，例如从第150ms处向前数10个采样周期，对这10个采样周期即一个滑窗宽度内采集到的10个负载的数据进行处理，以获取最终负载。
反之，若实际采样时间小于100ms，则总采样时长不够一个滑窗宽度，例如实际采样时间为50ms，则只进行了5个采样周期的采样，即采集到了5个负载的数据。此时，对实际获取的这5个负载的数据进行处理即可，以获取最终负载。
实际采集过程中，每次采到的数据可能有上下浮动，因为存在误差和干扰。示例性地，本申请对获取的多个负载进行求平均，以平均值为最终负载，这样处理后可使最终负载更贴近于实际的负载，减少误差和干扰。可以理解，数据处理方法不限于求平均，也可以是求平方根、最大似然估计等，这里不过多赘述。
进一步地，作为一种优选的方式，对于采样到的多个数据，如果有相同的数据则只保留其中一个，例如，若采样到的数据为5、6、7、7、7、8，则只选取5、6、7、8为有效数据进行处理，即对5、6、7、8求平均，而将另外两个重复的7作为无效数据剔除。这是因为实际采样过程中，由于通讯故障等原因，可能在某一数据处出现卡顿，导致连续几个采样周期内采集的都是重复的该数据，为了提高准确度，把采集的相同的数据作为无效数据去掉。
此外，如采样数据为0或者采样数据为空，则作为无效数据舍弃。采样数据为0或者为空的原因，通常是在该采样周期内没有采到数据或者通信出现问题。总之，优选地，在滑窗滤波步骤中，加入无效数据剔除步骤，以提高最终负载的准确度。
按照以上规则，假设保留有效数据的数量为m，分别为C1、C2、C3…Cm，则滑窗滤波步骤对应的变滑窗滤波器的输出结果为如下的式（7）：
式（7）；
其中，为最终负载，Ck为采集的第k个、作为有效数据的负载。
继续参看图5、图6，示例性地，在直线加速器中设有控制单元MCU，例如FPGA、ARM、单片机、DSP等，对整个控制过程进行控制。负载估计器动态获取负载，控制单元MCU按照前述的映射关系，获取与当前负载对应的最优控制参数，PID控制器则根据最优控制参数输出对应的控制量。同时，控制单元MCU还根据负载的变化计算负载补偿值，PID输出的控制量叠加负载补偿值并输入驱动器，进而控制作为驱动单元的丝杠电机/治疗头驱动电机的运转，以补偿负载所导致的系统误差。其中，PID控制器输出的控制量和负载补偿的控制量，均为电机的输出力矩或电枢电压。
此外，叶片组11～12中每个光栅叶片、铅门21～22、旋转机架或治疗头100的实际位置和转速的检测均由传感器实现，可以用电机编码器、旋转变压器、电位计等。检测值通过外围驱动通讯电路传入控制单元MCU，根据式(1)和式(2)即可得到当前负载情况。
实际运行中，控制单元MCU中存储当前及之前部分周期的负载值，根据滑窗滤波步骤中的处理方法得到最终负载，然后自适应产生一组PID控制器的最优控制参数以及负载补偿值，PID控制器输出的控制量与负载补偿值叠加，输入驱动器并驱动电机带动光栅叶片或者治疗头100运动。在被控对象运动的同时，控制单元MCU通过传感器对其速度或者位置进行实时检测，得到系统误差并发送给PID控制器，实现整个控制系统的闭环。
综上，本申请的负载的驱动控制方法，能够动态获取负载的变化，并自适应调整PID控制器的控制参数，叠加负载补偿值后输入驱动单元，使系统误差更小，调节时间也更短，提高了控制效能和在不同负载情况下控制系统性能的一致性。
应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本申请，本申请的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，根据本申请的技术方案及其发明构思加以变更、置换、结合，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于负载的驱动控制方法，是基于被控对象产生的负载、对该被控对象进行驱动的控制方法，所述被控对象被驱动单元驱动，所述驱动单元在控制器的控制下工作；所述驱动控制方法的特征在于，包含以下步骤：
S1：最优控制参数获取步骤，输入多个不同的负载，寻找每个负载对应的所述控制器的最优控制参数；
S2：数据拟合步骤，通过数据拟合，建立所述负载与所述最优控制参数之间的映射关系；
S3：负载获取步骤，所述被控对象为直线加速器的光栅叶片，所述驱动单元为驱动所述光栅叶片的丝杠电机；所述光栅叶片能随所述直线加速器的旋转机架绕机架轴线转动，也能随设于所述旋转机架的治疗头绕射线束中心线转动，所述机架轴线与所述射线束中心线相互垂直；
以所述光栅叶片水平放置、且其延伸方向与所述机架轴线垂直的状态为初始状态，当所述光栅叶片从该初始状态起随所述旋转机架转动角度θ、随所述治疗头转动角度φ时，所述光栅叶片产生的所述负载满足如下的式(1)：
C＝GsinθCosφ 式(1)；
其中，C为所述负载，G为所述光栅叶片的重力；根据式(1)构建的用于计算所述负载的数学模型，动态获取所述负载；
S4：补偿值计算步骤，至少根据动态获取的所述负载的变化情况，计算对所述驱动单元的负载补偿值；
S5：输出控制步骤，按照所述映射关系，根据动态获取的所述负载得到对应的所述最优控制参数，并将所述控制器根据所述最优控制参数输出的对应的控制量叠加所述负载补偿值后，输入所述驱动单元。
2.根据权利要求1所述的基于负载的驱动控制方法，其特征在于：
在所述负载获取步骤中还包含滑窗滤波步骤：
以x个采样周期的时长为滑窗宽度，当实际采样的时长不小于所述滑窗宽度时，对在所述滑窗宽度对应的时长内获取的x个所述负载的数据进行处理，以获取最终负载，x为大于等于1的整数；
当实际采样的时长小于所述滑窗宽度时，对实际采样获取的、数量小于x个的所述负载的数据进行处理，以获取所述最终负载。
3.根据权利要求2所述的基于负载的驱动控制方法，其特征在于：
在所述滑窗滤波步骤中，以所述滑窗宽度内获取的x个或小于x个的所述负载的数据的平均值为所述最终负载。
4.根据权利要求1所述的基于负载的驱动控制方法，其特征在于：
在所述负载补偿步骤中，按照如下的式(2)计算施于所述驱动单元的负载补偿值：
其中，Δu为所述负载补偿值，ΔC、Δe分别为规定时间内所述负载的变化量和系统误差的变化量，P为所述丝杠电机的丝杠的导程，η为传动效率。
5.一种基于负载的驱动控制方法，是基于被控对象产生的负载、对该被控对象进行驱动的控制方法，所述被控对象被驱动单元驱动，所述驱动单元在控制器的控制下工作；所述驱动控制方法的特征在于，包含以下步骤：
S1：最优控制参数获取步骤，输入多个不同的负载，寻找每个负载对应的所述控制器的最优控制参数；
S2：数据拟合步骤，通过数据拟合，建立所述负载与所述最优控制参数之间的映射关系；
S3：负载获取步骤，所述被控对象为直线加速器的治疗头，所述驱动单元为驱动所述治疗头绕射线束中心线转动的治疗头驱动电机；设所述治疗头内有n个质量分别为m1，m2，...，mn的可移动部件，每个可移动部件的质点到所述射线束中心线的垂直距离分别为则所述治疗头产生的所述负载满足如下的式(3)：
其中，M为所述治疗头施于其驱动轴上的负载力矩，为所述治疗头绕所述射线束中心线转动的角加速度，Ci为第i个可移动部件的转动惯量；C为所述负载，等于各个可移动部件的转动惯量之和；根据式(3)构建的用于计算所述负载的数学模型，动态获取所述负载；
S4：补偿值计算步骤，至少根据动态获取的所述负载的变化情况，计算对所述驱动单元的负载补偿值；
S5：输出控制步骤，按照所述映射关系，根据动态获取的所述负载得到对应的所述最优控制参数，并将所述控制器根据所述最优控制参数输出的对应的控制量叠加所述负载补偿值后，输入所述驱动单元。
6.根据权利要求5所述的基于负载的驱动控制方法，其特征在于：
在所述负载获取步骤中还包含滑窗滤波步骤：
以x个采样周期的时长为滑窗宽度，当实际采样的时长不小于所述滑窗宽度时，对在所述滑窗宽度对应的时长内获取的x个所述负载的数据进行处理，以获取最终负载，x为大于等于1的整数；
当实际采样的时长小于所述滑窗宽度时对实际采样获取的、数量小于x个的所述负载的数据进行处理，以获取所述最终负载。
7.根据权利要求6所述的基于负载的驱动控制方法，其特征在于：
在所述滑窗滤波步骤中，以所述滑窗宽度内获取的x个或小于x个的所述负载的数据的平均值为所述最终负载。
8.根据权利要求5所述的基于负载的驱动控制方法，其特征在于：
在所述负载补偿步骤中，按照如下的式(4)计算施于所述驱动单元的负载补偿值：
其中，Δu为所述负载补偿值，ΔC、Δe分别为规定时间内所述负载的变化量和系统误差的变化量。
9.一种用于加速器的驱动控制系统，控制所述加速器中的驱动单元驱动被控对象运转，以补偿该被控对象施于所述驱动单元的负载所导致的系统误差，所述驱动控制系统的特征在于：
按照权利要求1-8中任一项所述的基于负载的驱动控制方法，控制所述驱动单元的运行。
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