一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法，该方法包括：针对质子治疗不同能量需求设定多套磁铁电源控制参数；该多套磁铁电源控制参数包括多套电流参数值、PID调节参数值、电流电压前馈参数值、以及磁场响应达标值；设定多个磁铁电源和当前治疗头在同一个通信域；同一个域中的所有磁铁电源的数字控制单元同时接收到DDS指令、并获得束流能量值；每个磁铁电源的数字控制单元根据当前束流能量值，查表得到相关电流参数，并获得相关磁铁电源控制参数；本发明专利技术将DDS通讯模块、多套PID调整参数、细化PID调整参数、双环+前馈的闭环控制方法相结合，从四方面和五个层次层层递进，最终解决了质子治疗过程中束流线磁场快速动态响应的问题。动态响应的问题。动态响应的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法


[0001]本专利技术属于质子治疗中的束流线磁铁电源控制领域，更具体地，涉及一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法。

技术介绍

[0002]在基于回旋加速器的质子治疗系统中，束流线上的质子束能量范围为70
‑
240MeV。在病人治疗的过程中，质子束能量将随着治疗厚度由深到浅而由大到小变化。
[0003]束流线磁铁以降能器出口为起点，以治疗头为终点间隔布设，起到引导束流、控制束流的作用；束流线中的束流轨道唯一；
[0004][0005]上式中，ρ为束流轨道偏转部分轨道半径，B为偏转磁铁磁场值，E为束流能量，E
r
等于938MeV；由该式可以看出，当束流能量(E)变化时，为保证束流偏转轨道半径(ρ)不变，必须改变束流线上各偏转磁铁的磁场；而改变各偏转磁铁磁场的方法是改变各偏转磁铁电源的输出电流。
[0006]磁铁电源是一个恒流源，用于给束流线磁铁提供励磁电流，进而产生磁场，控制束流轨迹的方向。当质子束能量随着不同治疗厚度而变化时，束流线磁铁电源的输出电流也要进行相应调节，以使束流线磁场匹配束流能量的变化，控制束流走正确的轨迹。
[0007]控制质子治疗系统束流线磁铁电源的输出电流难点在于：指令下发给电源的通信耗时长、影响各电源之间响应的同步性以及不能保证整个能量范围上的任何一段动态响应速度都能达标。
[0008]所述指令下发给电源的通信耗时长、影响各电源之间响应的同步性的原因是：第一，束流线能量的控制是对整条束流线的能量控制，整条束流线的能量控制需要在束流线起点到终点分布几十个甚至上百个磁铁，非常苛刻的要求在于：不论束流线磁铁数量有多庞大，只有所有磁铁电源都在规定的时间内完成输出电流变化的动态过程，才能保证整条束流线在规定的时间内完成降能；第二、但是目前质子治疗系统对束流线磁铁电源的控制是一种串行命令的方式：对多台磁铁一个一个地发送命令。当需控制的电源数量较多时，在通信过程中的耗时就大大增加，通信耗时叠加在动态响应时间上，使动态响应速度变慢。同时，收到命令的第一个磁铁电源和最后一个磁铁电源之间存在较长时间间隔，导致电源之间响应不同步。
[0009]所述不能保证整个能量范围上的任何一段动态响应速度都能达标是：现阶段，电源的控制主要是基于一套PID参数控制方法。由于束流线磁铁是一个大电感负载，电感储能和磁滞现象都会影响动态响应。由于在不同电流下磁铁的储能不同，其对动态响应的影响程度也不同：高束流能量的情况下，所需磁场值大，因此磁铁储能大，磁铁储能对下降过程造成的阻力就大，下降速度会慢一些，在设定的时间范围内往往达不到预期的降能位置；而低束流能量的情况下，所需磁场值小，因此磁铁储能较小，磁铁储能对下降过程造成的阻力
就小，磁场响应可能会超过预期的降能位置而产生超调；；如果选择适用于高束流能量情况的PID参数，加快高束流能量下的磁场响应变化速度，低束流能量的磁场响应会发生超调，超调恢复过程一般较慢，导致低能量下的响应时间超过要求；如果选择适用于低束流能量情况的PID参数，使低束流能量下的磁场响应不发生超调，又会导致高束流能量下的磁场响应速度更慢，导致高能量下的响应时间超过要求；以上导致了一套PID参数难以适用于整个质子治疗较宽的能量范围(70
‑
240MeV)，不能保证整个能量范围上的任何一段动态响应速度都能达标。

技术实现思路

[0010]本专利技术为解决现有技术存在的问题，提出一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法，目的在于解决现有技术的质子治疗系统束流线磁铁电源从起点到终点的动态响应速度慢、以及不能保证整个能量范围上的任何一段动态响应速度都能达标的问题。
[0011]本专利技术为解决其技术问题提出以下技术方案：
[0012]一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法，该控制方法基于一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，该数字控制单元分别布设在质子治疗束流线多个磁铁的每个磁铁的磁铁电源控制系统中；该多个磁铁沿着质子治疗加速器系统束流线的起点到终点间隔布设，所述每个磁铁的磁铁电源包括磁铁主电源和磁铁从电源；所述数字控制单元包括磁铁主电源数字控制单元、以及磁铁从电源数字控制单元；
[0013]所述磁铁主电源数字控制单元包括DDS通讯/指令模块、查表模块、电流分配和参数转发模块、电源控制算法模块；所述磁铁从电源数字控制单元包括电源控制算法模块，该电源控制算法模块输入端连接磁铁主电源的电流分配和参数转发模块，输出端连接磁铁电源；
[0014]所述磁铁主电源的DDS通讯/指令模块，其输入端外联治疗头系统、输出端内连查表模块；所述DDS通讯/指令模块，使得每个磁铁电源的数字控制单元在与治疗头共处同一个通信域中时，能够同时订阅其发布的DDS数据，并能同时从DDS数据中获取其需要的束流能量值；
[0015]所述磁铁主电源查表模块的表按照束流线上的磁铁种类进行区分，相同种类的磁铁为同一张表，该表存储有针对某个种类磁铁的多套不同能量的控制参数信息，每个能量对应一套控制参数，每套控制参数包括能量参数、电流参数、PID参数、前馈参数、磁场响应达标值参数；其中，能量参数、PID参数、前馈参数、磁场响应达标值参数作为所述磁铁主电源和磁铁从电源的共用参数；电流参数由磁铁主电源分配给磁铁从电源；
[0016]所述磁铁主电源的查表模块根据每个磁铁主电源数字控制单元的DDS通讯/指令模块发送的束流能量信息，按照“能量
‑
电流
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PID和前馈参数
‑
磁场响应达标值”的参数进行查表，得到对应的电流、PID和前馈参数设置值、以及磁场响应达标值，并将查表结果发送给电流分配和参数转发模块；
[0017]所述磁铁主电源的电流分配和参数转发模块，进行主电源和从电源的电流分配，再将电流分配结果和查表得到的能量参数、PID参数、前馈参数、磁场响应达标值参数分别发送给磁铁主电源、以及磁铁从电源的电源控制算法模块、作为各自电源控制算法模块控制电源的依据。
[0018]其特征在于:该数字控制方法包括以下步骤：
[0019]步骤一：针对质子治疗不同能量需求设定多套磁铁电源控制参数；
[0020]该多套磁铁电源控制参数包括多套电流参数值、多套PID调节参数值、多套电流电压前馈参数值、以及多套磁场响应达标值；
[0021]步骤二、设定质子治疗束流线上的多个磁铁电源和当前治疗头在同一个通信域；
[0022]步骤三、同一个通信域中的所有磁铁电源的数字控制单元同时接收到DDS指令、并从DDS指令中获得束流能量值；
[0023]步骤四：每个磁铁电源的数字控制单元根据当前束流能量值，查表得到相关电流参数值、PID调节参数值、电流电压前馈参数值、以及磁场响应达标值；
[0024]步骤五、每个磁铁电源的数字控制单元根据查表获得的相关磁铁电源控制参数，配置双环电流控制环路中的电流环路的PID环节、前馈环节和电压环路的PID本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法，该控制方法基于一种质子治疗束流线磁铁电源的数字控制单元，该数字控制单元分别布设在质子治疗束流线多个磁铁的每个磁铁的磁铁电源控制系统中；该多个磁铁沿着质子治疗加速器系统束流线的起点到终点间隔布设，其特征在于：所述每个磁铁的磁铁电源包括磁铁主电源和磁铁从电源；所述数字控制单元包括磁铁主电源数字控制单元、以及磁铁从电源数字控制单元；所述磁铁主电源数字控制单元包括DDS通讯/指令模块、查表模块、电流分配和参数转发模块、电源控制算法模块；所述磁铁从电源数字控制单元包括电源控制算法模块，该电源控制算法模块输入端连接磁铁主电源的电流分配和参数转发模块，输出端连接磁铁电源；所述磁铁主电源的DDS通讯/指令模块，其输入端外联治疗头系统、输出端内连查表模块；所述DDS通讯/指令模块，使得每个磁铁电源的数字控制单元在与治疗头共处同一个通信域中时，能够同时订阅其发布的DDS数据，并能同时从DDS数据中获取其需要的束流能量值；所述磁铁主电源查表模块的表按照束流线上的磁铁种类进行区分，相同种类的磁铁为同一张表，该表存储有针对某个种类磁铁的多套不同能量的控制参数信息，每个能量对应一套磁场控制参数，每套磁场控制参数包括能量参数、电流参数、PID参数、前馈参数、磁场响应达标值参数；其中，能量参数、PID参数、前馈参数、磁场响应达标值参数作为所述磁铁主电源和磁铁从电源的共用参数；电流参数由磁铁主电源分配给磁铁从电源；所述磁铁主电源的查表模块根据每个磁铁主电源数字控制单元的DDS通讯/指令模块发送的束流能量信息，按照“能量
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电流
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PID和前馈参数
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磁场响应达标值”的参数进行查表，得到对应的电流、PID和前馈参数设置值、以及磁场响应达标值，并将查表结果发送给电流分配和参数转发模块；所述磁铁主电源的电流分配和参数转发模块，进行主电源和从电源的电流分配，再将电流分配结果和查表得到的能量参数、PID参数、前馈参数、磁场响应达标值参数分别发送给磁铁主电源、以及磁铁从电源的电源控制算法模块、作为各自电源控制算法模块控制电源的依据。其特征在于:该数字控制方法包括以下步骤：步骤一：针对质子治疗不同能量需求设定多套磁铁电源控制参数；该多套磁铁电源控制参数包括多套电流参数值、多套PID调节参数值、多套电流电压前馈参数值、以及多套磁场响应达标值；步骤二、设定质子治疗束流线上的多个磁铁电源和当前治疗头在同一个通信域；步骤三、同一个通信域中的所有磁铁电源的数字控制单元同时接收到DDS指令、并从DDS指令中获得束流能量值；步骤四：每个磁铁电源的数字控制单元根据当前束流能量值，查表得到相关电流参数值、PID调节参数值、电流电压前馈参数值、以及磁场响应达标值；步骤五、每个磁铁电源的数字控制单元根据查表获得的相关磁铁电源控制参数，配置双环电流控制环路中的电流环路的PID环节、前馈环节和电压环路的PID环节和前馈环节，并以电流设定值为标准控制输出电流。2.根据权利要求1所述一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法，其特征在于:所述
步骤三的同一个通信域中的所有磁铁电源控制器同时接收到DDS指令、并从DDS指令中获得束流能量值，具体过程如下：1)在质子治疗加速器束流线的起点到终点沿途布设多个磁铁电源；该多个磁铁电源用于实现束流线起点到终点束流能量的同步变化；2)在每个磁铁电源的DDS通信模块中设定自身磁铁电源和治疗头系统为同一个通信域；3)治疗头系统向通信域中的所有磁铁电源的数字控制单元发送含有指令的DDS数据包；4)处在同一个通信域中的所有磁铁电源的数字控制单元同时接收到DDS指令；5)从DDS指令中获得束流能量值。3.根据权利要求1所述一种束流线磁铁电源的数字控制器控制方法，其特征在于:所述步骤五的每个磁铁电源的数字控制单元根据查表获得的相关磁铁电源控制参数，配置电流控制算法中的电流环路的PID环节、前馈环节和电压环路的PID环节和前馈环节，并以电流设定值为标准控制输出电流，具体过程如下：(1)查表获得针对当前束流能量的电流参数、PID参数、前馈参数；该电流参数为磁铁电源输出电流值/A；该PID参数为电流控制环路的比例系数KP1、积分系数KI1和微分系数KD1、以及电压控制环路的比例系数KP2、积分系数KI2和微分系数KD2；该前馈参数为双环电流控制环路的前馈环节参数和电压控制环路的前馈环节参数；该电流参数作为双环电流控制算法中的电流设定值；(2)电流设定值信号输入电流控制环路与采集到的输出电流反馈值做差获得电流误差值，该电流误差值经过电流环PID控制器作用后产生作用结果信号，同时，电流设定值信号通过电流环前馈环节作用也得到一个作用结果信号，这两个控制环节的作用结果信号加和，作为电压控制环路的环的输入信号；(3)电压控制环路输入信号与采集到的负载电压反馈值做差获得电压误差值，该电压误差值经过电压环PID控制器作用后产生作用结果信号，同时，电压控制环输入信号通过电压环前馈环节作用也得到一个作用结果信号，这两个控制环节的作用结果信号加和，成为最终的控制信号，...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷治国，何澳来，宋琪琦，张天爵，黄鹏，蔡红茹，汪洋，赵博涵，魏素敏，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：