大功率微波熱療機(jī)輸出功率的pid控制圖文

1、摘要：介紹了一種采用 PC 機(jī)、單片機(jī)、線(xiàn)性光耦合電路組成的控制系統(tǒng)及運(yùn)用增量式 PID 技術(shù)控制大功率 UHR-915 型微波熱療機(jī)輸出功率的方法。結(jié)果表明，在 100～900W 的范圍內(nèi)，可以將微波熱療機(jī)輸出功率的波動(dòng)控制在±10%以?xún)?nèi)，大大低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所要求的≤±30%。關(guān)鍵詞：微波,熱療機(jī) PID 控制采用熱療的方法腫瘤和癌癥，已越來(lái)越廣泛地受到專(zhuān)家和學(xué)者的重視，臨床應(yīng)用也已

2、經(jīng)收到很好的效果[1]。特別是近年來(lái)，大功率的射頻熱療機(jī)、超聲熱療機(jī)和微波熱療機(jī)相繼問(wèn)世，掀起了一個(gè)應(yīng)用熱療的高潮。其中微波熱療機(jī)由于具有輻射能量的方向性好、加熱面能量分布均勻、,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,有效透熱深度深、既可對(duì)腫瘤作局部熱療又可對(duì)患者作全身熱療等優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。但是，由于微波本身的特性，使得穩(wěn)定地產(chǎn)生、傳導(dǎo)和輸出大功率微波的技術(shù)和工藝相

3、當(dāng)復(fù)雜。特別是負(fù)載（受熱體）和輻射器本身對(duì)微波的反射，有可能引起微波磁控管振蕩條件改變而導(dǎo)致輸出功率的漂移甚至振蕩,等不穩(wěn)定現(xiàn)象。另一方面，由于大功率微波的強(qiáng)干擾，導(dǎo)致控制、測(cè)量系統(tǒng)與微波源的銜接十分困難。因此，現(xiàn)有的相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[2]在這方面制定得比較寬松，它規(guī)定微波醫(yī)療設(shè)備的輸出功率波動(dòng)應(yīng)≤±30%。但即便如此，若沒(méi)有完善的控制電路和控制方法也是難以達(dá)到的。作者將 PC 機(jī)與單片機(jī)系,0c59f

4、8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)，利用單片機(jī)及外圍的AC/DA 器件作前端信號(hào)采集和控制輸出接口，后臺(tái)的 PC 機(jī)作圖形數(shù)據(jù)處理以及 PID 計(jì)算。為了減少微波源系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾，二者之間用光電隔離，并對(duì)此設(shè)計(jì)了線(xiàn)性光耦合電路。所有與微波源連接的通道都采用光電隔離，取得了很,好,的,效,果,。,1,原,理,screen.width-333)t

5、his.width=screen.width-333 微波熱療機(jī)采用磁控管作微波振蕩管，微波的頻率選定為 915MHz，當(dāng)磁控管的點(diǎn)設(shè)置合理、內(nèi)部振蕩穩(wěn)定時(shí)，微波可由諧振耦合器和同軸電纜耦合到專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的圓形輻射器輸出。根據(jù)磁控管的原理,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,[3]，微波輸出功率近似滿(mǎn)足： P 輸出=η ?VH?Ia(1),式中，Ia 是磁控管內(nèi)由陰極到達(dá)

6、陽(yáng)極的電子流形成的陽(yáng)極電流，VH 是加在磁控管陽(yáng)極和陰極之間,的高電壓，Ia?VH 是磁控管的輸入功率，η 是轉(zhuǎn)換,效率系數(shù)，可通過(guò)標(biāo)定確定，不同的機(jī)器略有差別。一般在整個(gè)過(guò)程中，VH 可通過(guò)對(duì)高壓變壓器的輸,入電壓采取穩(wěn)壓措施而基本維持不變，微波熱療機(jī)輸出功率波動(dòng)主要由磁控管陽(yáng)極電流的波動(dòng)及熱漂移所引起。因此，要調(diào)節(jié)和控制輸出微波功率，只需調(diào)節(jié)與控制陽(yáng)極電流 Ia 即可。相關(guān)部分的電路原理圖見(jiàn)圖 1。磁場(chǎng)

7、線(xiàn)圈 L1 繞在磁控管的外圍，磁場(chǎng)電源 V 磁通過(guò)達(dá)林頓管組成的電路給磁場(chǎng)線(xiàn),0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,圈 L1 提供勵(lì)磁電流 Im，它將在磁控管內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 與勵(lì)磁電流 Im 成正比。為了使磁控管電路穩(wěn)定，令陽(yáng)極電流 Ia 流過(guò)也繞在磁控管外圍的線(xiàn)圈 L2 作為負(fù)反饋。當(dāng)設(shè)計(jì)合理時(shí)，陽(yáng)極電流 Ia 與磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 有一種近似的反比關(guān)系，

8、因此 Ia 與 Im 近似成反比。這樣，可通過(guò)調(diào)節(jié)和控,制勵(lì)磁電流 Im 來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)和控制陽(yáng)極電流 Ia,從而達(dá)到調(diào)節(jié)和控制熱療機(jī)微波輸出功率的目的。圖1 下部的雙光耦器件 TLP521-2 與運(yùn)放 LM358 組成線(xiàn)性光耦合接口電路，正確設(shè)定 R3、R4、R5 和 R6，可將單片機(jī)D/A通道輸出的模擬控制電壓 V控線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換成光電流 I 控，通過(guò)分流 T1 的基極電流來(lái),0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐

9、 http://www.qwwave.com/,控制磁場(chǎng)電流 Im，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極電流 Ia 的控制。合理設(shè)定 R7 的值，使剛通電時(shí) T2 飽和導(dǎo)通，Im最大，Ia 近似為 0，熱療機(jī)輸出功率為零。然后由操作者根據(jù)需要設(shè)定熱療機(jī)輸出相應(yīng)的微波功率。與實(shí)現(xiàn)微波功率對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流 Ia 由 R1 采樣，取得 Va=Ia?R1，經(jīng)圖 1 上部的另一線(xiàn)性光耦合接口,電路變換成與 Va 成正比的 Vb 提供給單

10、片機(jī)的 A/D接口電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微波功率的測(cè)量。計(jì)算機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)的電路原理圖見(jiàn)圖 2。PC 機(jī)在 WIN95/98操 作 系 統(tǒng) 下 ， 系 統(tǒng) 軟 件 由 BorlandC++ 和FOXPROforWindows 混編而成。單片機(jī)采用 MCS51系列的 8032，它通過(guò)串行通訊接口芯片 MAX232 與,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,PC 機(jī)

11、的串口 2 相連。用于測(cè)量與輸出功率對(duì)應(yīng)的Vb 的模數(shù)轉(zhuǎn)換采用 12 位的 AD574，它之前的運(yùn)算放大器 OP-07 是為了將 Vb 變換成 AD574 所要求的0～10V 輸入電壓。將輸出數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓 V 控的數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用 8 位的 AD558，它的輸出設(shè)定為 0～10V。調(diào)節(jié) R5 和 R6 分壓電路,的分壓比可以使 V 控的變化范圍滿(mǎn)足后面線(xiàn)性光耦合接口電路的需要。根據(jù)設(shè)計(jì)，

12、實(shí)際時(shí)， UHR-915微波熱療機(jī)的輸出功率范圍為 100～900W（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定它不能超過(guò) 900W），這樣輸出功率測(cè)量的理論分辨率可達(dá)約 0.2W，輸出功率控制的理論分辨率可達(dá)紅 3.1W。因此，即使考慮到實(shí)際過(guò)程中一,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,些未定因素的影響，也應(yīng)能滿(mǎn)足功率波動(dòng)≤±10%控制精度要求。實(shí)踐表明確實(shí)如此。時(shí)，首先帳計(jì)算機(jī)

13、系統(tǒng)設(shè)定熱療機(jī)的輸出加熱功率，并將與此功率對(duì)應(yīng)的數(shù)字控制量 V 數(shù)控發(fā)送到單片機(jī)，由 D/A通道輸出模擬控制電壓 V 控，而與熱療機(jī)實(shí)際加熱功率對(duì)應(yīng)的 Vb 則由 A/D 通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 Vp 后測(cè),量。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，由 PC 機(jī)執(zhí)行 PID 計(jì)算，再將修正后的數(shù)字控制量 V 數(shù)控由 D/A 通道輸出，依此循 環(huán) 不 斷 。 2 增 量 式 PID 控 制 的 實(shí) 現(xiàn)screen.width-

14、333)this.width=screen.width-333 前，應(yīng)首先通過(guò)定標(biāo)實(shí)測(cè) V 數(shù)控、Vp、P 輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。方法是在定標(biāo)程序中，由鍵盤(pán)操作計(jì)算,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,機(jī)從 0 依次增加輸出 V 數(shù)控（二進(jìn)制整數(shù)）到單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng) D/A 通道轉(zhuǎn)換成 V 迭，使得陽(yáng)極電流Ia(亦即 Vb)及輸出功率 P 輸出相應(yīng)增加。 Vb 由 A/D

15、通道直接測(cè)量，并轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù) Vp 傳送回計(jì)算機(jī)。熱療機(jī)的實(shí)際輸出功率則須經(jīng)衰減器衰減后耦合到功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量，后測(cè)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫(kù)文件,儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)。當(dāng)熱療機(jī)實(shí)際時(shí)，操作者通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定輸出功率 P 設(shè)定，PC 機(jī)根據(jù) P 設(shè)定在定標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中查出相應(yīng)的 V 數(shù)控（V 設(shè)定）發(fā)送到單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng) D/A 通道轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的 V 控，使熱療機(jī)啟動(dòng)功率輸出，單片機(jī)系統(tǒng)的 A/D 通道及時(shí)測(cè)量與熱療機(jī)的實(shí)際輸

16、出功率對(duì)應(yīng)的 Vb，并將它,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制整數(shù) Vp 后傳送回計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù) Vp 在定標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中查算出對(duì)應(yīng)的實(shí)際功率P 輸出，再查出與此實(shí)際功率對(duì)應(yīng)的 V 數(shù)控。為了區(qū)別計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定功率主動(dòng)送出的 V 數(shù)控和由實(shí)測(cè)得到的 V 數(shù)控，特將后者設(shè)定為 V 數(shù)測(cè)。則輸,出功率誤差Δ P=P 輸出-P 設(shè)定，計(jì)算機(jī)輸出的控制,電壓

17、誤差Δ V 數(shù)=V 數(shù)測(cè)-V 設(shè)定。這樣，PC 機(jī)每送,出一個(gè) V 數(shù)據(jù)，都可通過(guò)測(cè)量獲得與 V 數(shù)測(cè)，因而可計(jì)算輸出功率誤差和控制電壓誤差，為實(shí)現(xiàn) PID控制創(chuàng)造了條件。為了獲得較好的控制效果，減少控制振蕩幅度，消除發(fā)生飽和的危險(xiǎn)，特采用了增量式 PID 控制方式。設(shè) Kp 為比例系數(shù)、Ki 為積分,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,系數(shù)、Kd 為微分系數(shù)，則增量

18、PID 控制規(guī)律如式,（2）、（3）所示[4][5]：Δ V 數(shù) n=V 設(shè)定-V 數(shù)測(cè) n（2）V 數(shù)控 n=V 數(shù)控 n-1+Kp(Δ V 數(shù) n-Δ V 數(shù)n-1)+KiΔ V 數(shù) n+Kd(Δ V 數(shù) n-2Δ V 數(shù) n-1+Δ V 數(shù),n-2（2）為了減小測(cè)量 V 數(shù)測(cè)的誤差，除在硬件上采用濾波和采樣保持電路外，在軟件上，每次測(cè)量,V 數(shù)測(cè)時(shí)均連續(xù)采樣 10 次，采用數(shù)字濾波，去掉 2個(gè)最大值

19、和 2 個(gè)最小值后，取中間 6 個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值作為 V 數(shù)測(cè)。理論上，V 數(shù)測(cè)的采樣間隔越小，控制特性越好。但在熱療機(jī)實(shí)際過(guò)程中，整個(gè)系統(tǒng)還需執(zhí)行多路溫度測(cè)量和監(jiān)控以及各種狀態(tài)檢測(cè)等，使得測(cè)量V數(shù)測(cè)的間隔只能設(shè)定為0.2秒。,0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http://www.qwwave.com/,在采用增量式 PID 控制后，陽(yáng)極電流的流動(dòng)幅度和漂移速率均受到限制，因此這樣的采樣周期能夠滿(mǎn)足控制要

20、求。但需要特別指出的是，對(duì)于不同的熱療機(jī)，微波電路特性略有差異，因此 Kp、Ki、Kd沒(méi)有統(tǒng)一的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于每一臺(tái)機(jī)器，都需要反復(fù)地調(diào)節(jié)具體數(shù)值的大小，以便獲得令人滿(mǎn)意的控,制效果。在這里，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于縮短調(diào)試時(shí)間起著重要的作用。微波熱療作為一門(mén)新興的腫瘤和癌癥的方法正方興未艾，特別是將它與化療和放療的方法相結(jié)合，取得了極好的臨床效果。經(jīng)測(cè)試，本熱療機(jī)輸出微波功率的波動(dòng)≤±10%，大大低于最新