JP5604201B2 - 無駄時間補償装置及びこれを用いたｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転部に搭載された制御対象を静止部に配置された制御回路によって制御するＸ線ＣＴ装置において、信号伝送の無駄時間およびそのゆらぎを補償する機能に関する。

Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線管およびＸ線検出器を回転盤に搭載し、被検体の周囲を回転させながらＸ線を照射および検出を行う。このため、静止側のインバータ回路から回転盤上のＸ線管へ電力を供給するとともに、Ｘ線検出器の検出信号を回転盤から静止側の信号処理装置に受け渡すために、回転盤と静止部との間の接触部には電力や信号の伝送手段が配置されている。例えば、スリップリングとブラシとを組み合わせた伝送手段が広く知られている。

特許文献１には、スリップリングとブラシの接触部に摩耗が生じるという問題を解決するため、回転盤と静止部との対向面にそれぞれコイルを配置し、電磁誘導作用により非接触で電力を供給する技術が開示されている。

また、特許文献１の段落００１９には、スリップリングや非接触電磁誘導の他に、光や電波を用いた通信システムにより、回転盤上のＸ線検出器の検出信号を静止部に伝送することが記載している。

また、静止部のインバータ回路の制御回路には、回転盤上のＸ線管の管電圧をフィードバックさせ、所定のＸ線出力が得られるように制御している。このため、管電圧信号は、スリップリング、非接触電磁誘導、光や電波を用いた通信システムにより静止部に伝送される。

一方、火力発電所等のプラントにおいて、ボイラへ供給される燃料の流量等を制御する際には一般的にＰＩＤ制御が用いられる。制御対象への制御量を変更した後、制御対象からその応答が検出されるまでの遅れ（無駄時間）が大きい場合、フィードバック制御が困難になるため、スミス法が用いられる。例えば、特許文献２には、ボイラの蒸気温度の制御のためにスミス予測器を用いている。特許文献２の技術は、無駄時間に変動がある場合に蒸気温度が発散してしまうことを防止するために、自己回帰モデルを用いて無駄時間を算出している。また、特許文献３には、プラント制御において制御対象の特性やゲインが変化する場合にも、スミス法の機能を十分発揮させるために、制御対象モデル手段の出力からゲイン比率の変化を求め、制御信号のゲインを修正する技術が開示されている。

ここで一般的なフィードバック制御系とスミス法について簡単に説明する。通常のフィードバック制御系を図１９に示す。図１９において、Ｃ（ｓ）はコントローラ１０１の伝達関数、Ｇ（ｓ）は制御対象１０２の伝達関数、ｅ^-sＬは無駄時間要素の伝達関数、Ｒ（ｓ）は制御指令、Ｕ（ｓ）は操作量、Ｄ（ｓ）は外乱、Ｙ（ｓ）は出力を示している。このフィードバック制御系において、制御対象１０２が１次遅れのみで無駄時間Ｌがほとんどない（Ｌ≒０）場合、ＰＩ制御によって容易に制御できる。しかし制御対象１０２の無駄時間が大きい場合には、制御に大きな影響を生じ、制御が難しくなっていく。そのときの図１９の制御系の伝達関数は、下記（式１）のように表される。

・・・・・（式１）
ただし、外乱は考えていない（Ｄ（ｓ）＝０）。上記式１により、この制御系の特性方程式は、下記式２のように表される。

・・・・・（式２）

この特性方程式には無駄時間Ｌが含まれるため、Ｌが無視できない大きさである場合には制御性能が劣化し、コントローラ１０１の設計が困難のものとなる。

そこで、この無駄時間を補償するために、従来の特許文献２、３のようなプラント制御では、スミス法が用いられる。スミス法を用いた制御系の基本構成図を図２０に示す。図２０において、制御対象モデル１０３は、制御対象１０２の伝達関数Ｇ（ｓ）とほぼ等しい伝達関数Ｐ（ｓ）を持ち、無駄時間モデル１０４は、無駄時間要素と等しい伝達関数ｅ^-sＬを持つ。制御対象モデル１０３と無駄時間モデル１０４とを併せてスミス予測器１０５と称する。

図２０のように、スミス法を用いた制御系は、無駄時間を持つ制御対象１０２（伝達関数Ｇ（ｓ）ｅ^-sＬ）に対して、制御対象モデル１０３の伝達関数Ｐ（ｓ）のフィードバックならびに、無駄時間モデル１０４の伝達関数ｅ^-sＬと制御対象１０２の伝達関数Ｇ（ｓ）ｅ^-sＬの差分をフィードバックする。すなわち、スミス法は、制御対象モデル１０３と無駄時間モデル１０４を持ち、無駄時間経過後に現れる現象を常に予測しながら制御を行う。つまり、制御量および設定値Ｒ（ｓ）およびコントローラ１０１の伝達関数Ｃ（ｓ）によって操作量Ｕ（ｓ）が算出され、スミス予測器を用いて操作量Ｕ（ｓ）に対する制御量の変化が予測され、さらに、この変化量に基づきコントローラＣ（ｓ）内で操作量Ｕ（ｓ）が算出される。したがって、図２０のスミス予測器１０５を備えたフィードバック制御系の制御指令値Ｒ（ｓ）から出力Ｙ（ｓ）までの伝達関数は、（式３）のようになる。

・・・・・（式３）

制御対象モデル１０３の伝達関数と制御対象１０２の伝達関数に誤差が全くない場合、すなわちＰ（ｓ）＝Ｇ（ｓ）であれば、特性方程式は、（式４）のようになる。
・・・・・（式４）
（式４）の特性方程式には、無駄時間Ｌが残らないので安定である。このようにスミス予測器を用いることで、システムから無駄時間による影響を排除でき、出力Ｙ（ｓ）を制御指令Ｒ（ｓ）に精度よく追従させることができる。また、無駄時間がない場合と同じコントローラ１０１を使用できる。

スミス法は、無駄時間を制御ループから排除できるため、見かけ上制御対象に無駄時間がなくなること、フィードバック制御系の特性方程式から無駄時間が排除されるためコントローラの設計が容易になること、外乱に対しては無駄時間がそのまま残るため複雑なまま放置されること、などの特徴を有することが知られている。

特許第４００８０１０号公報 特開昭６２−２４８９０２号公報 特開平５−３５３０６号公報

Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線管の管電圧情報を光ファイバなどの通信システムでフィードバックし、これによりインバータの周波数や出力電圧を制御することでＸ線管への供給電力を制御している。Ｘ線管は、回転盤に搭載されているため、管電圧情報を静止側のインバータ回路へフィードバックする際には、回転盤から静止側への伝送が必要である。伝送にはスリップリング、光伝送、静電伝送、電波等が用いられるが、伝送の途中で回転盤から静止側へ伝送する構成を伴うため、１ｍｓ〜数ｍｓの時間遅延（無駄時間）が生じる。特に、デジタル伝送を行う場合、伝送データの間違い検出処理や、間違いが発見された時のエラー訂正処理等により、高精度に情報を伝送することができるが、これら処理時間により伝送に遅れ（無駄時間）が生じ、しかも伝送遅れにばらつき（無駄時間のばらつき）が生じる。

また、管電圧情報の伝送のために、独立した伝送経路を用意するのは装置の大型化やコストアップにつながる。このため、Ｘ線検出器のＸ線検出データの伝送経路を利用し、管電圧信号を送信することが考えられる。この場合、Ｘ線検出データの伝送タイミングを見計らい、その合間に管電圧信号を伝送する必要があるため、無駄時間および無駄時間のばらつきは大きくなる。

無駄時間の大きいプラントの制御にスミス法を用いる特許文献２、３に記載の技術を、Ｘ線ＣＴ装置に応用し、無駄時間の大きな管電圧情報を用いたインバータ回路を制御することが考えられる。しかし、スミス予測器には、上述したように、制御対象と等しい伝達関数を持つ制御対象モデル、および無駄時間と等しい伝達関数をもつ無駄時間モデルが必要である。Ｘ線ＣＴ装置のように高電圧を発生する装置では、制御対象内に非線形要素であるダイオード整流回路を含んでいるため、制御対象をスミス予測器が必要とする伝達関数または状態方程式で表現することが難しく、モデルの作成は困難である。また、無駄時間のばらつきが不明であるため、無駄時間モデルの作成も困難である。

特許文献２ではボイラへの燃料流量制御弁の制御する際の、ボイラの蒸気温度信号の無駄時間を自己回帰モデルを用いて算出する構成が開示されているが、この構成を用いて、Ｘ線管電圧のデジタルデータの伝送時の間違い検出やエラー訂正処理等に起因する無駄時間や無駄時間のばらつきを検出することはできない。

本発明の目的は、制御対象の無駄時間および無駄時間の変動を補償することができるＸ線ＣＴ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば以下のようなＸ線ＣＴ装置が提供される。すなわち、Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線照射部およびＸ線検出部を搭載して被検体の周囲を回転する回転部と、Ｘ線照射部へ電力を供給する電力供給部および制御部を含む静止部と、回転部から静止部へ信号を伝送する伝送部とを有する。制御部は、伝送部により回転部から静止部へ伝送されたＸ線照射部の情報を用いて電力供給部をフィードバック制御する。制御部は、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、Ｘ線照射部の情報の伝送部による伝送により生じる遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備える。

例えば、伝送部がエラー訂正機能を備えたデジタル伝送を行う構成である場合、遅れ時間には、エラー訂正機能によるエラー訂正で生じる遅れ時間が含まれる。

例えば、回転部は、Ｘ線照射部の情報を検出して、この情報に、伝送部による伝送前の時刻を表す情報を重畳して伝送部に伝送させる回転側制御部を備える構成とする。この場合、遅延時間演算部は、伝送部により伝送された情報に重畳された時刻と、伝送後の時刻との差を求めることにより遅れ時間を算出することができる。

また例えば、回転部は、Ｘ線照射部の前記情報を検出し、この情報に、所定のタイミングで番号を表す情報を重畳して伝送部に伝送させる回転側制御部を備える構成とする。この場合、遅延時間演算部は、伝送部により伝送された情報に重畳された番号から遅れ時間を演算することができる。

また例えば、遅延時間演算部は、伝送部からエラー訂正の回数を受け取って、このエラー訂正回数と予め定められたエラー訂正に要する時間とを用いて遅れ時間を演算することができる。

制御対象モデル回路は、例えば、制御対象と等価な、オペアンプ回路、または、プログラマブル集積回路によって構成することができる。

また、本発明の別の態様によれば、無駄時間を有する制御対象をフィードバック制御する無駄時間補償装置が提供される。この無駄時間補償装置は、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、制御対象からの信号伝送において生じる遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備える。

本発明によれば、回転部から静止部への信号伝送に遅れ時間が生じ、かつ、この遅れ時間に変動が生じる場合であっても、この遅れ時間を算出し、無駄時間モデル回路の無駄時間を補償することができる。よって、Ｘ線ＣＴ装置のように、回転部と静止部との間の信号伝送が必要な装置であっても、精度の高い制御を行うことができる。

実施形態の非接触給電方式Ｘ線ＣＴ装置の概略構成を示すブロック図。 図１のＸ線ＣＴ装置の管電圧の制御系を示すブロック図。 図２の制御系による無駄時間の演算処理手順を示すフローチャート。 実施形態のインバータ２の出力からＸ線管７までの管電圧制御回路の等価回路を示す回路図。 オペアンプを用いた積分回路を示す回路図。 オペアンプを用いた微分回路を示す回路図。 図４の等価回路を３分割した等価回路を示す回路図。 図６で分割した等価回路の第１等価回路を取り出した回路図。 図７の第１等価回路をオペアンプ回路で表したモデル回路図。 図６で分割した等価回路の第２等価回路を取り出した回路図。 図９の第２等価回路をオペアンプ回路で表したモデル回路図。 図６で分割した等価回路の第３等価回路を取り出した回路図。 図１１の第３等価回路のオペアンプ回路で表したモデル回路図。 図１２の回路のダイオードブリッジのダイオード順方向電圧降下の補償をするためのオペアンプ回路図。 比較例の無駄時間がない理想のＸ線管電圧制御システムをＰＩ制御した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。 比較例の無駄時間１ｍｓを持つＸ線管電圧制御システムをＰＩ制御した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。 無駄時間１ｍｓで一定のＸ線管電圧制御システムに、スミス予測器８０を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。 無駄時間が変動するＸ線管電圧制御システムに、スミス予測器８０を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。 無駄時間が変動するＸ線管電圧制御システムに、本実施形態のスミス予測器８０と時間遅延演算回路８５を備えた管電圧制御回路８を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示すグラフ。 一般的なフィードバック制御系を示すブロック図。 一般的なスミス法の制御系を示すブロック図。

以下、本発明の一実施形態のＸ線ＣＴ装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態の非接触給電方式Ｘ線ＣＴ装置概要を示す。図１のように、このＸ線ＣＴ装置は、電源１と、インバータ２と、非接触給電による巻線変圧器３と、主変圧器４と、整流器５と、平滑コンデンサ６と、Ｘ線管７と、管電圧制御回路８と、Ｘ線検出器１２と、信号処理部２２と、陽極回転駆動回路３１と、フィラメント加熱回路３２とを備える。

Ｘ線管７、主変圧器４、整流器５、平滑コンデンサ６、Ｘ線検出器１２は、被検体の周囲を回転する回転盤（不図示）に搭載され、回転部１０を構成する。電源１とインバータ２は、共に静止部９として構成される。

静止部９側の固定枠と回転部１０の回転盤が対向する位置には、それぞれ第１巻線３ａ、第２巻線３ｂが互いの磁束が鎖交するように配置され、非接触給電を行う巻線変圧器３を構成している。

また、回転部１０の回転盤には回転側空間伝送モジュール２１が搭載され、固定部９には静止側空間伝送モジュール２０が配置されている。これらは、回転部１０から固定部９へと情報を送信する通信システムであり、光通信，静電伝送，または電波による通信システムを用いる。

静止部９の電源１は、直流電圧を発生する。インバータ２は、インバータ回路と、インバータ駆動回路を含み、上記電源１から出力された直流電圧を交流に変換する。インバータ回路およびインバータ駆動回路の構成については、例えば、特開２００５−９４９１３号公報等に記載された広く知られた構成であるので、詳細な回路構成の説明は省略する。インバータ駆動回路は、インバータ回路の出力電流と、管電圧検出部１４が検出し、管電圧制御回路８等を介してフィードバックした管電圧に基づき、インバータ回路内の複数の半導体スイッチのオン／オフタイミングを制御することにより、インバータ回路の出力電流、出力電圧を制御し、Ｘ線管７に供給する電力を制御する。

インバータ２の出力側に、巻線変圧器３の第１巻線３ａが接続されている。第２巻線３ｂは、回転部１０の主変圧器４の入力側に接続されている。巻線変圧器３は、第１および第２巻線３ａ、３ｂの互いの磁束を鎖交させることにより電磁気的に結合させ、非接触で所要の電力を固定部９側から回転部１０側に受け渡す。

主変圧器４は、上記インバータ２から出力された交流電圧を昇圧する。整流器５と平滑コンデンサ６は、主変圧器４の出力電圧を直流の高電圧にする。

回転部１０の回転盤には、更に、管電圧検出部１４、陽極回転駆動回路３１、フィラメント加熱回路３２、回転側制御回路３０、回転側空間伝送モジュール２１、Ａ／Ｄ変換器１１，１３が搭載されている。

陽極回転駆動回路３１は、Ｘ線管７の円盤型の陽極ターゲットを回転させる。これにより、陰極で発生した熱電子が、陽極ターゲットに衝突してＸ線が発生する際の衝突のエネルギーを分散させる。フィラメント加熱回路３２は、Ｘ線管７の陰極のフィラメントを加熱し、熱電子を発生させる。

Ｘ線管７から出射されたＸ線は、被検体に照射され、被検体を通過したＸ線は、Ｘ線検出器１２によって検出される。Ｘ線検出器１２の検出信号は、Ａ／Ｄ変換器１３によってデジタル信号に変換され、回転側空間伝送モジュール２１から固定部９の静止側空間伝送モジュール２０に送信される。

静止側空間伝送モジュール２０が受信したＸ線検出器１２の検出信号は、信号処理部２２により画像再構成処理等が行われ、被検体の断層画像等が再構成される。

回転部１０の回転盤上には、さらに、Ｘ線管７の両側の電圧（管電圧）を検出する管電圧検出部１４と、Ａ／Ｄ変換器１１が搭載されている。管電圧検出部１４の検出した管電圧は、Ａ／Ｄ変換回路１１でデジタル信号化され、回転側制御回路３０でシリアル信号化される。このとき、本実施の形態では、回転側制御回路３０は、Ａ／Ｄ変換器１１が管電圧信号のＡ／Ｄ変換を開始した時刻Ｔ0を記録する。

回転側空間伝送モジュール２１は、Ａ／Ｄ変換された管電圧信号と、時刻Ｔ0を示す信号を回転側制御回路３０から受け取って、静止側空間伝送モジュール２０に伝送する。また、回転側空間伝送モジュール２１は、Ｘ線検出器１２の出力するＸ線検出信号も静止側空間伝送モジュール２０に伝送する。

静止側空間伝送モジュール２０は、受信信号から管電圧信号と時刻T0の情報信号を分離し、管電圧制御回路８を介してインバータ２にフィードバックする。受信信号のうちＸ線検出信号は、信号処理装置２２に受け渡す。

管電圧のフィードバックは、静止部９と回転部１０との間を回転側空間伝送モジュール２１および静止側空間伝送モジュール２０により光伝送，静電伝送，または電波による空間伝送するため時間遅延をともなう。そのためインバータ制御回路８では、管電圧のフィードバックに１ｍｓ−数ｍｓの無駄時間が発生してしまう。

また、陽極回転駆動回路３１、フィラメント加熱回路３２などの動作開始信号や異常信号など、これら回路の動作に関する信号も回転側制御回路３０を介してシリアル信号化し、回転側空間伝送モジュール３０により静止側空間伝送モジュール２０と送受信する。

静止側空間伝送モジュール２０及び回転側空間伝送モジュール２１の伝送遅延による無駄時間は、伝送時に発生するエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。伝送エラーの検出には例えばパリティチェック，サムチェック，CRCチェックなどの方法が用いられる。

つぎに、管電圧制御回路８は、管電圧のフィードバックに伴う無駄時間および無駄時間の変動を補償するため、本実施形態では、図２のようなスミス予測器８０を用いた制御系である。

図２のように管電圧制御回路８は、ＰＩ制御を行うコントローラ８２と、スミス予測器８０と、時間遅延演算回路８５とを備えている。管電圧制御回路８の制御対象１０２の主回路１００は、図１で示した巻線変圧器３と主変圧器４と整流器５と平滑コンデンサ６を含んでいる。主回路１００、Ａ／Ｄ変換器１１、回転側制御回路３０、回転側空間伝送モジュール２１、静止側空間伝送モジュール２０を含む回路が、管電圧制御回路８の制御対象１０２である。

制御対象１０２の伝達関数はＧ（ｓ）であるが、無視できない無駄時間Ｌ（遅れ時間、伝達関数ｅ^-sＬ）を含むため、制御対象１０２の伝達関数はＧ（ｓ）ｅ^-sＬと表される。しかも、この無駄時間Ｌは、上述したように静止側空間伝送モジュール２０及び回転側空間伝送モジュール２１によるエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。

スミス予測器８０は、制御対象モデル回路８１と無駄時間モデル回路８４とを含む。制御対象モデル回路８１は、制御対象１０２の伝達関数Ｇ（ｓ）とほぼ等しい伝達関数Ｐ（ｓ）を持ち、無駄時間モデル回路８４は、無駄時間要素と等しい伝達関数ｅ^-sＬをもつ。これらモデル回路８１，８４の具体的な構成については、後述する。

管電圧制御回路８は、スミス法により、コントローラ８２（伝達関数Ｇｃ（ｓ））に対して、制御対象モデル８１の伝達関数Ｐ（ｓ）を介したフィードバック９０、および、無駄時間モデル１０４の伝達関数ｅ^-sＬと制御対象１０２の伝達関数Ｇ（ｓ）ｅ^-sＬとの差分８８のフィードバック８６を行う。これにより、コントローラ８２は、無駄時間を持つ制御対象１０２（伝達関数Ｇ（ｓ）ｅ^-sＬ）を制御する。外乱８７は、ゼロとする（ｄ＝０）。すなわち、コントローラ８２は、スミス法により、制御対象モデル回路８１と無駄時間モデル回路８４により、無駄時間経過後に現れる現象を常に予測しながら、制御量（差分８８）および設定値Ｒ（ｓ）およびコントローラ１０１の伝達関数Ｃ（ｓ）によって操作量Ｕ（ｓ）を算出する。

制御対象モデル回路８１の伝達関数Ｐ（ｓ）が、制御対象１０２の伝達関数Ｇ（ｓ）に等しく、無駄時間モデル回路８４の無駄時間Ｌが、制御対象１０２の無駄時間Ｌに等しい場合には、管電圧制御回路８および制御対象１０２で構成されるフィードバック制御系の制御指令値Ｒ（ｓ）から出力Ｙ（ｓ）までの伝達関数は、上述した（式３）および（式４）から明らかなように、無駄時間Ｌが残らないため安定である。よって、管電圧を安定してフィードバック制御することができる。

このとき、制御対象モデル回路８１として、伝達関数Ｐ（ｓ）が制御対象１０２の伝達関数Ｇ（ｓ）に等しい回路を構築することが必要であり、かつ、無駄時間モデル回路８４として、無駄時間Ｌが制御対象１０２の無駄時間Ｌに等しい値を用いることが必要である。

しかしながら、制御対象１０２には、非線形要素であるダイオード整流回路５が含まれるため、制御対象１０２の伝達関数を求めることは困難である。そこで、本実施形態では、制御対象１０２の主回路１００と同じ応答特性を有する制御対象モデル回路８１を構築し、実装する。例えば、制御対象モデル回路８１は、オペアンプ回路によるアナログ計算機、または、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array)をはじめとするプログラマブルＬＳＩ等のハードウエア回路によって構成する。

主回路１００に含まれる非線形要素をアナログ計算機（オペアンプ回路）等で構成することにより、非線形回路であるダイオード整流回路を直接、制御対象モデル回路８１に組み込むことができる。このため、制御対象モデル回路８１の出力信号の精度を高めることができる。

また、制御対象１０２の主回路１００の応答特性をオペアンプ回路で再現しているため、制御対象モデル回路８１の出力信号には、主回路１００において生じる無駄時間が含まれる。これにより、主回路１００において生じる無駄時間を制御対象モデル回路８１によって補償することができる。また、オペアンプ回路で構成することにより、制御対象モデル回路８１の演算の高速化が可能である。具体的な、制御対象モデル回路８１の構成については、後述する。

なお、制御対象モデル回路８１を除く管電圧制御回路８の他の構成（図２の点線枠８３内のコントローラ８２、無駄時間モデル回路８４、時間遅延演算回路８５）は、ＣＰＵとメモリによって構成され、ＣＰＵがメモリ内の所定のソフトウエアを実行することにより、上記構成の動作を実行する。

一方、無駄時間モデル回路８４は、制御対象１０２の無駄時間Ｌに等しい無駄時間Ｌを用いて伝達関数を演算する必要がある。制御対象モデル回路８１の出力信号には、主回路１００において生じる無駄時間が含まれている。そのため、無駄時間モデル回路８４では、図２のように、制御対象１０２の主回路１００を除いた回路１１０（Ａ／Ｄ変換器１１〜静止側空間伝送モジュール２０）で生じる無駄時間Ｌを算出すればよい。しかしながら、Ａ／Ｄ変換器１１から静止側空間伝送モジュール２０の間に生じる無駄時間Ｌは、静止側空間伝送モジュール２０及び回転側空間伝送モジュール２１によるエラーの訂正プロトコルも含まれるため、一定ではなく変動する。

そこで本実施形態では、時間遅延演算回路８５により、エラー訂正等による変動を含む無駄時間Ｌを図３のフローのように算出する。

すなわち、本実施の形態では、回転側制御回路３０は、Ａ／Ｄ変換器１１が管電圧信号のＡ／Ｄ変換を開始した時刻Ｔ0を記録するように構成されている（ステップ５０１）。回転側空間伝送モジュール２１は、Ａ／Ｄ変換された管電圧信号と、時刻Ｔ0の情報を示す信号を回転側制御回路３０から受け取って、静止側空間伝送モジュール２０に伝送する（ステップ５０２）。静止側空間伝送モジュール２０は、これを受信し、受信信号から管電圧信号と時刻Ｔ0を分離して管電圧制御回路８にフィードバックする（ステップ５０３）。

時間遅延演算回路８５は、静止側空間伝送モジュール２０から時刻Ｔ0を示す信号を受け取って、時間遅延演算回路８５が静止側空間伝送モジュール２０からの受信した時刻Ｔ1との差Ｌ0（＝Ｔ1−Ｔ0）を演算する（ステップ５０４）。これにより、Ａ／Ｄ変換器１１〜静止側空間伝送モジュール２０までの回路１１０で生じる無駄時間Ｌ0が算出される。

時間遅延演算回路８５は、予め演算により求めておいた、制御対象モデル回路８１では補償しきれない主回路１００の無駄時間や、時間遅延演算回路８５自身により生じる無駄時間Ｌ1（一定値）を、必要に応じてＬ0に加算して、無駄時間Ｌ（＝Ｌ0＋Ｌ1）を求める（ステップ５０５）。求めた無駄時間Ｌは、無駄時間モデル回路８４に受け渡す。

無駄時間モデル回路８４は伝達関数ｅ^-sＬの回路であり、時間遅延演算回路８５が演算した無駄時間Ｌをフィードバックに組み込む。

なお、回転側制御回路３０と時間遅延演算回路８５の参照する時刻は、同期させておく。

このように、本実施形態では、管電圧信号の伝送に伴い変動する無駄時間Ｌを演算により求めることができるため、スミス法を用いて、精度よく管電圧を制御することができる。

つぎに、制御対象モデル回路８１の詳しい構成について以下説明する。本実施形態では、制御対象モデル回路８１を、主回路１００と等しい応答特性を示すオペアンプ回路によって構成する。

まず、主回路１００の等価回路を図４に示す。図４に示すように管電圧制御回路の等価回路は、インバータ２の出力電圧ｖｓからＸ線管７の両端の電圧ｖｄｃまでを示している。また簡単化のために、等価回路におけるＸ線管７部分は、抵抗Ｒｘに置き換えている。制御対象モデル回路８１を構成するために、図４の等価回路をオペアンプよるアナログ回路により構成する。

まず、図４の等価回路におけるコンデンサは、図５（ａ）のオペアンプのアナログ回路に、リアクトル部分は、図５（ｂ）のオペアンプのアナログ回路にそれぞれ置き換える。

等価回路の電圧センサ６００、電流センサ７００の倍率を、それぞれ１／２０００、１／１００００とする。これにより、構成する制御対象モデル回路８１と図４の等価回路とのインピーダンス比Ｋｚが次のように計算できる。
・・・・・（式５）

このように、インピーダンス比が５となるので、図４の等価回路でのインピーダンスは、制御対象モデル回路８１内で５倍となる。等価回路の入力電圧（インバータ２出力電圧）ｖｓと入力電流ｉｓ（インバータ２出力電流）は、測定可能な値であり、モデル回路８１内では、これらの値を取り込んで計算を行い、最終的にＸ線管電圧予測値ｖｄｃを求め出力する。

ここで図４の等価回路を図６に示すように３つの回路部（第１等価回路２０１、第２等価回路２０２、第３等価回路２０３）に分割し、それぞれに対するモデル回路を設計する。図７は、等価回路の第１等価回路２０１を取りだしたものであり、図８は、第１等価回路２０１をオペアンプで構成したモデル回路を示す。まず第１等価回路２０１のＣｓ、Ｒｓ、Ｌｓｒでの電圧降下ｖｃｓ、ｖｒｓ、ｖｌｓｒをそれぞれ計算し、入力電圧（インバータ出力電圧）ｖｓから、それらの電圧降下の和ｖｌｃｒを減算することで、この第１等価回路２０１から出力される電圧ｖｘを求める。例えば、Ｃｓによる電圧降下は、等価回路においては、（式６）により、そのモデル回路においては（式７）により求められる。

・・・・・（式６）
・・・・・（式７）

インピーダンス比Ｋｚを用いて、この回路に相当するコンデンサや抵抗は、次（式８）のように計算できる。
・・・・・（式８）

（式８）より、抵抗Ｒ１は、（式９）のようになる。
・・・・・（式９）

ここで、Ｃ１＝１００ｐＦとすると、図８のＲ１は、下の（式１０）で求められる。
・・・・・（式１０）

以下、同様に、オペアンプ回路の抵抗等の値を定める。図６の等価回路の第２等価回路２０２を取りだしたものを図９に示し、図９の第２等価回路２０２をオペアンプで構成したモデル回路を図１０に示す。同様に、図６の等価回路の第３等価回路２０３を取りだしたものを図１１に示し、図１１の第３等価回路２０３をオペアンプにより構成したモデル回路を図１２に示す。

図１１の第３等価回路２０３において、非線形負荷であるダイオードブリッジ２１１を含む部分は、インピーダンスを５倍にしてそのままモデル回路上で用いる。そして、第３等価回路２０３の最終段の電圧ｖ〜ｄｃを制御対象モデル回路８１の出力として使用する。

一方、電子回路でのダイオードには、約０．３Ｖの不感領域および順方向電圧降下が存在する。すなわち、アノードとカソード間に加わる順方向電圧が、０．３Ｖを越えるとオンとなって電流が流れ、それ以外の電圧０〜０．３Ｖ間ではオンにならないことが存在する。実際の等価回路でもダイオードの不感領域は存在するが、電子回路におけるダイオードとパワーモジュールのダイオードとではその比が大きく異なるため、モデル回路に誤差を生じる可能性がある。

そこで、電子回路におけるダイオードの不感領域の影響を無くすために、図１２のモデル回路のダイオードブリッジ２１１から負荷までを図１３のように変更する。すなわち、図１２のダイオードブリッジ２１１の部分を、全波整流の出力電圧となる絶対値回路４００に置き換え、さらに半波整流回路と電圧ホロア回路を用いたピークホールド回路を応用した負荷回路５００を加えることにより、ダイオードのオン、オフを再現する。したがって、これらの補償回路により、モデル回路内では理想ダイオードとなるため、不感領域を生じない。なお、等価回路におけるパワーモジュールダイオードの順方向電圧降下分は、モデル回路の絶対値回路手前で減算することにより、補正できる。

以上により、図８、図１０、図１２（一部図１３で置き換え）のオペアンプ回路（アナログ計算機）で構成された制御対象モデル回路８１が得られる。このオペアンプ回路を図２の制御対象モデル回路８１の部分に実装する。主回路１００は、非線形要素であるダイオード整流回路５が含まれるため、伝達関数を求めることは困難であるが、本実施形態では、制御対象１０２の主回路１００と同じ応答特性を有する制御対象モデル回路８１をオペアンプ回路により構築することができるため、スミス法を用いた制御が可能である。

本実施形態の管電圧制御システムの性能を確認するためにシミュレーションを行った。

Ｘ線管電圧は、Ｘ線を放射している状態に近づけるため、５７０Ｖにステップ状に変化させる制御を行い、Ｘ線管電圧の制御は、位相シフト型インバータを用い、ＰＩ制御などの各ゲインは、すでに調整されているものを用いるものとしてシミュレーションした。

まず、比較例のＸ線管電圧制御システムのフィードバック系として、ＡＤ／ＤＡ変換器を備えず、また、空間伝送のエラー訂正も行わず、無駄時間がない理想のフィードバック（ＰＩ制御）系の時間応答シミュレーション結果を図１４に示す。図１４において、ｖdcrefは、Ｘ線管電圧設定値、ｖdcはＸ線管電圧のフィードバック値を示している。図１４から明らかなように、このフィードバック系は無駄時間もないため、Ｘ線管電圧は設定値によく追従している。

次に、比較例として、制御システムに空間伝送に伴う遅延、及び、ＡＤ／ＤＡ変換器により、一定の無駄時間があるフィードバック系をスミス予測器８０を用いず、通常のフィードバック制御（ＰＩ制御）で制御した場合のシミュレーションを行った。具体的には、ＡＤ／ＤＡ変換によるサンプリングは２０ｋＨｚ、通信遅延による無駄時間は１ｍｓと設定した。その結果を図１５に示す。図１５において、ｖdcdelayは、無駄時間要素が加わった後のＸ線管電圧フィードバック値である。図１５から明らかなように、Ｘ線管電圧ｖdcは指令値ｖdcrefを中心に大きく振動しており、安定した制御ができていない。これは、Ｘ線管電圧制御の比例ゲインが大きいことが原因であると思われる。このように、無駄時間が大きい場合には、ＰＩ制御だけでは安定な応答を得ることはできないことが分かる。

これに対して、図１５と同じ条件の一定の無駄時間１ｍｓを持つＸ線管電圧制御システムに、本実施形態のスミス予測器８０を適用した場合の時間応答のシミュレーション結果を示す。ただし、無駄時間が一定であるため、時間遅延演算回路８５は用いず、無駄時間モデル回路８４の無駄時間Ｌはデジタル値でサンプリング毎に保持することで再現した。また、制御対象モデル回路８１には、上述のアナログ計算機（オペアンプ回路）の出力を用いた。シミュレーション結果を図１６に示す。スミス予測器８０を用いた場合、Ｘ線管電圧の応答ｖdcdelayは、１ｍｓの遅れ時間は発生するが、無駄時間がない場合の理想状態の応答とほぼ同じく、Ｘ線管電圧は設定値ｖdcrefによく追従しており、無駄時間のあるシステムに対して有効であることがわかる。

しかしながら、無駄時間があり、かつ、エラー訂正動作等により無駄時間が変動する場合には、スミス予測器８０を用いた場合であっても、図１７のように、伝送エラー訂正による無駄時間の変動によって不安定になり振動してしまう。（なお、管電圧の設定値は図１５、図１６とは異なり、５０ｋＶである。）このため、スミス予測器８０による無駄時間補償機能だけではこれを安定化させることはできない。

そこで、本実施形態の時間遅延演算回路８５を動作させ、無駄時間の変動を補償した場合には、図１８に示すようになる。管電圧検出信号に生じる一定の無駄時間だけでなく，エラー訂正で発生する無駄時間の変動をも補償することができるために，管電圧ｖdcは常に安定に制御できることが確認できる。

また、図１に示した回転側空間伝送モジュール２１と静止側空間伝送モジュール２０間では、上述の管電圧の出力情報およびX線検出信号だけでなく、他の情報も送受信することが可能である。例えば、回転部１０で発生した異常信号などである。

また、上述の実施形態では、PI制御を行うコントローラ８２をソフトウェアで構成するとしているが、これに限らず、アナログ回路，FPGA（Field Programmable Gate Array）などを用いたハードウェアで構成することも可能である。

ここでは無駄時間補償装置をX線CT装置に備えた例について説明したが、本実施形態の時間遅延演算回路８５およびスミス予測器８０は、変動する無駄時間が生じる他の装置に用いることが可能である。

以上のように、本実施形態のＸ線ＣＴ装置は、リアルタイム性の要求される管電圧の出力情報をシリアル信号空間伝送手段を用いてインバータへフィードバックする。このシリアル信号空間伝送手段は、空間伝播遅延やエラー訂正による遅延時間（無駄時間要素e^-sL）を有し、またその時間は変動するが、時間遅延演算回路８５とスミス予測器８０により、安定した管電圧特性を得ることができ信頼性の高いＸ線ＣＴ装置を提供できる。

また、非線形回路および非線形負荷を含む制御対象のモデル回路を、アナログ計算機（オペアンプ回路）で構成することで、伝達関数または状態方程式を使わなくてスミス予測器を実現することができる。よって、Ｘ線ＣＴ装置のインバータ制御システムのように、通常のスミス法による制御対象の安定化をはかることができる。

なお本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば本実施例の制御対象内の非線形要素は、ダイオード整流回路に限らず、トランジスタ回路等であってもよい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、Ａ／Ｄ変換開始の時刻T0と時間遅延演算回路８５の受信時刻T1との差から無駄時間Ｌ0を求めたが、第２の実施形態では別の方法で無駄時間Ｌ0を求める。

空間伝送モジュール２０，２１の特性が予めわかっている場合には、伝送エラーに伴う再伝送回数Ｒの関数と、１回の再伝送に要する時間Ｔrの関数によって無駄時間Ｌ0を求めることができる。１回の再伝送に要する時間Ｔrは、空間伝送モジュール２０，２１の特性によって定まる値であり、予め求めることができる。

そこで第２の実施形態では、静止側空間伝送モジュール２０が伝送エラーに伴う再伝送回数Ｒをカウントし、時間遅延演算回路８５に受け渡す構成とする。

時間遅延演算回路８５は、下記（式１１）により、Ｌ0を求め、（式１２）により無駄時間Ｌを求める。

Ｌ0＝Ｒ＊Ｔr ・・・（式１１）
Ｌ＝Ｌ0＋Ｌ1 ・・・（式１２）
ただし、（式１２）において、Ｌ1は、第１の実施形態と同様に、予め演算により求めておいた、制御対象モデル回路８１では補償しきれない主回路１００の無駄時間や、時間遅延演算回路８５自身により生じる無駄時間であり、一定値である。

他の構成は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

第２の実施形態の構成では、第１の実施形態のように回転側制御回路がＡ／Ｄ変換を開始した時刻Ｔ0を記録し、時刻Ｔ0情報を管電圧情報に重畳して伝送する必要がなく、静止側の静止側伝送モジュール２０と時間遅延演算回路８５の動作のみで無駄時間Ｌを演算できる、というメリットがある。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、Ａ／Ｄ変換器１１は、所定の一定のタイミングおよび間隔でＡ／Ｄ変換処理を行う構成とする。回転側制御回路３０は、時刻T0を記録するのではなく、Ａ／Ｄ変換された管電圧値に、連続した番号を割り当てて管電圧値データに重畳し、空間伝送モジュール２０、２１により伝送する。

時間遅延演算回路８５では、管電圧値データに重畳された番号から、Ａ／Ｄ変換が開始された時刻を演算により求め、現在時刻との差からＬ0を計算する。Ｌ0に所定のＬ1を加算し、無駄時間Ｌを演算する。Ｌ1は、第１の実施形態と同様に所定の値を用いる。

第３の実施形態の構成によれば、回転側制御回路は、時刻T0を記録するのではなく、連続した番号を割り当てるため、時刻を用いる必要がない。このため、回転側制御回路の参照する時計機能と、時間遅延演算回路の参照する時計機能の時刻を同期させる必要がなく、構成を簡略化することができるというメリットがある。

上述してきた第１〜第３の実施形態では、インバータ２を主回路１００に含めていないが、インバータ２を主回路１００に含め、インバータ２を含む主回路１００の等価回路をオペアンプ回路で構成した制御対象モデル回路８１を用いることも可能である。インバータ２は、ダイオード整流回路などの非線形要素と複数の制御モードを持つ能動回路部分を有するため、伝達関数を定義することは困難であるが、本実施形態のようにオペアンプ回路を用いることにより制御対象モデル回路８１を構成することが可能である。

また、本実施形態の無駄時間補償の構成は、Ｘ線ＣＴ装置に限らず、Ａ／Ｄ変換回路、Ｄ／Ａ変換回路、サンプリング回路、又は通信遅延回路などの無駄時間を有する産業用システムでよく用いられるデジタル制御系に適用することができる。

１：電源（直流電圧）、２：インバータ、３：非接触給電による巻線変圧器、４：主変圧器、５：整流器、６：平滑コンデンサ、７：Ｘ線管、８：管電圧制御回路、９：静止部、１０：回転部、１１、１３：Ａ／Ｄ変換回路、１４：管電圧検出部、２０：静止側空間伝送モジュール、２１：回転側空間伝送モジュール、３０：回転側制御回路、８０：スミス予測器、８１：制御対象モデル回路、８２：コントローラ、８４：無駄時間モデル回路、８５：時間遅延演算回路、１００：主回路、１０１：コントローラ、１０２：制御対象、１０３：制御対象モデル、１０４：無駄時間モデル、１０５：スミス予測器、２０１：第１等価回路、２０２：第２等価回路、２０３：第３等価回路、４００：絶対値回路（全波整流回路）５００：負荷回路、６００：電圧センサ、７００：電流センサ

Claims (5)

1. Ｘ線照射部およびＸ線検出部を搭載して被検体の周囲を回転する回転部と、前記Ｘ線照射部へ電力を供給する電力供給部および制御部を含む静止部と、前記回転部から静止部へ信号を伝送する伝送部とを有し、
   前記制御部は、前記伝送部により前記回転部から静止部へ伝送された前記Ｘ線照射部の情報を用いて前記電力供給部をフィードバック制御するために、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、前記Ｘ線照射部の情報の前記伝送部による伝送により生じる遅れ時間を算出し、前記無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備え、
   前記回転部は、前記Ｘ線照射部の前記情報を検出し、該情報に、前記伝送部による伝送前の時刻を表す情報を重畳して前記伝送部に伝送させる回転側制御部を備え、
   前記遅延時間演算部は、前記伝送部により伝送された前記情報に重畳された前記時刻と、伝送後の時刻との差を求めることにより遅れ時間を算出することを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
2. Ｘ線照射部およびＸ線検出部を搭載して被検体の周囲を回転する回転部と、前記Ｘ線照射部へ電力を供給する電力供給部および制御部を含む静止部と、前記回転部から静止部へ信号を伝送する伝送部とを有し、
   前記制御部は、前記伝送部により前記回転部から静止部へ伝送された前記Ｘ線照射部の情報を用いて前記電力供給部をフィードバック制御するために、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、前記Ｘ線照射部の情報の前記伝送部による伝送により生じる遅れ時間を算出し、前記無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備え、
   前記回転部は、前記Ｘ線照射部の前記情報を検出し、該情報に、所定のタイミングで番号を表す情報を重畳して前記伝送部に伝送させる回転側制御部を備え、
   前記遅延時間演算部は、前記伝送部により伝送された前記情報に重畳された前記番号から遅れ時間を演算することを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
3. Ｘ線照射部およびＸ線検出部を搭載して被検体の周囲を回転する回転部と、前記Ｘ線照射部へ電力を供給する電力供給部および制御部を含む静止部と、前記回転部から静止部へ信号を伝送する伝送部とを有し、
   前記制御部は、前記伝送部により前記回転部から静止部へ伝送された前記Ｘ線照射部の情報を用いて前記電力供給部をフィードバック制御するために、制御対象モデル回路および無駄時間モデル回路を含むスミス予測器と、前記Ｘ線照射部の情報の前記伝送部による伝送により生じる遅れ時間を算出し、前記無駄時間モデル回路の無駄時間を補償する遅延時間演算部とを備え、
   前記伝送部は、エラー訂正機能を備えたデジタル伝送を行い、
   前記遅れ時間は、エラー訂正機能によるエラー訂正で生じる遅れ時間を含み、
   前記遅延時間演算部は、前記伝送部からエラー訂正の回数を受け取って、エラー訂正回数と予め定められたエラー訂正に要する時間とを用いて遅れ時間を演算することを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
4. 請求項１または２に記載のＸ線ＣＴ装置において、前記伝送部は、エラー訂正機能を備えたデジタル伝送を行い、
   前記遅れ時間は、エラー訂正機能によるエラー訂正で生じる遅れ時間を含むことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のＸ線ＣＴ装置において、前記制御対象モデル回路は、制御対象と等価な、オペアンプ回路、または、プログラマブル集積回路によって構成されていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。