基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法和系统与流程

本发明属于数控技术领域，尤其涉及一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法和系统。

背景技术：

在X射线高压发生器控制系统中，球管电压(以下均用kV表示)、球管电流(以下均用mA表示)为系统所需要产生的最重要的两个变量值。kV、mA的上升时间、输出纹波、输出精度都需要符合国家标准。而由于高压发生器曝光时间最短在mS级，所以要求kV的上升时间快，不能够有超调，一直都是困扰行业内的技术难点。

在一种高压发生器控制系统的实现方式中，其采用模拟PID(proportion integral derivative，比例-积分-导数)控制系统。但高压发生器系统中，由于X射线高压发生器所要求的kV、mA均是可变化的，kV范围为40kV-150kV，mA范围为0.5mA-1000mA(不同款高压mA范围不一致)，kV、mA输出范围都比较大，组合输出的功率范围大。而一组PID参数只适用于某一个功率段的控制，因此高压发生器的控制系统模拟PID控制存在以下缺点：

1，一旦模拟电路确定后，对应的PID参数相应固定，无法同时满足不同功率段的kV上升时间、超调、稳定性的需求；

2，模拟PID电路无法加入采用软启动，容易导致IGBT损坏；

3，模拟PID对现场调试环境要求高，需要经常改动硬件电路，调试效率低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法和系统，旨在解决对高压发生器的球管电压控制难度大的问题。

本发明提供了一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法，所述高压发生器包括：控制台、现场可编程门阵列FPGA、绝缘栅双极型晶体管IGBT、高压油箱、球管和处理器，所述方法包括：

步骤S1，所述FPGA根据用户在控制台设定好的球管电压和球管电流，在预置的PID参数组内获取对应的PID参数，所述PID参数包括PID算法的比例系数kp、PID算法的积分系数ki和PID算法的微分系数kd，并令kp＝0，kd＝0；

步骤S2，所述FPGA根据所述PID参数中ki的值和kp＝0、kd＝0计算得到PWM的占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端；

步骤S3，所述FPGA对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值；

步骤S4，若达到所述阈值，所述FPGA则将采样的实际球管电压和设定的球管电压进行比较，得到误差E，根据所述误差E和在PID参数组内获取的对应的所述PID参数得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，开始曝光；

步骤S5，所述处理器判断是否达到曝光时间，若达到曝光时间，则发出停止曝光的指令给FPGA，所述FPGA停止曝光；若没有达到曝光时间，则返回步骤S4。

进一步地，所述预置的PID参数组包括每组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数；所述最佳PID参数的获取过程为：在控制台预先设定每组球管电压和球管电流，通过对软件进行调试，得到该组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数，并将所述最佳PID参数存储于FPGA内部的PID参数组内；

所述每组球管电压和球管电流为将高压发生器可输出的球管电压和球管电流范围内的数据按功率段进行分组得到。

进一步地，所述步骤S3中，所述阈值大小为用户设定的球管电压的20％。

进一步地，所述步骤S3具体为，所述FPGA对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值，若未达到阈值，FPGA则根据所述实际球管电压和所述阈值得到误差E，并根据所述误差E和所述PID参数中ki的值、kp＝0和kd＝0得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，并继续对所述实际球管电压进行采样，直至所述实际球管电压达到所述阈值。

本发明还提供了一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制系统，所述高压发生器包括：控制台、现场可编程门阵列FPGA、绝缘栅双极型晶体管IGBT、高压油箱、球管和处理器，所述系统包括软启动模块和PID调节模块，所述软启动模块包括PID参数赋值子模块、软启动子模块和第一判断子模块，所述PID调节模块包括PID调节子模块和第二判断子模块。

所述PID参数赋值子模块，用于根据用户在控制台设定好的球管电压和球管电流，在预置的PID参数组内获取对应的PID参数，所述PID参数包括PID算法的比例系数kp、PID算法的积分系数ki和PID算法的微分系数kd，并令kp＝0，kd＝0。

所述软启动子模块，用于根据所述PID参数中ki的值、kp＝0和kd＝0计算得到PWM的占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端。

所述第一判断子模块，用于对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值。

所述PID调节子模块，用于在达到所述阈值时，将采样的实际球管电压和设定的球管电压进行比较，得到误差E，根据所述误差E和在PID参数组内获取的对应的所述PID参数得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，开始曝光。

所述第二判断子模块，用于判断是否达到曝光时间，若达到曝光时间，则发出停止曝光的指令给FPGA，所述FPGA停止曝光；若没有达到曝光时间，则继续进行PID调节。

进一步地，所述预置的PID参数组包括每组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数；所述最佳PID参数的获取过程为：在控制台预先设定每组球管电压和球管电流，通过对软件进行调试，得到该组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数，并将所述最佳PID参数存储于FPGA内部的PID参数组内。

所述每组球管电压和球管电流为将高压发生器可输出的球管电压和球管电流范围内的数据按功率段进行分组得到。

进一步地，所述第一判断子模块中，所述阈值大小为用户设定的球管电压的20％。

进一步地，所述第一判断子模块具体用于，对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值，若未达到阈值，FPGA则根据所述实际球管电压和所述阈值得到误差E，并根据所述误差E和所述PID参数中ki的值、kp＝0和kd＝0得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，并继续对所述实际球管电压进行采样，直至所述实际球管电压达到所述阈值。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法和系统，采用数字控制系统，设置多组PID参数，解决不同功率段需要不同PID参数的问题，并且采用对应的PID参数可以有效提升kV上升时间，并且做到超调在1％以内，稳定性、抗干扰都能得到有效提高；由于采用数字控制系统，多组PID参数在程序调试下，只需要更改程序参数，就可以达到调试PID参数的目的，方便快捷，调试效率能够大幅度提升；本发明在系统输出的最开始一段时间内，加入软启动模式，有效保护IGBT，防止产生瞬间的过压过流，从而有效避免IGBT损坏。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的高压发生器曝光过程的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的FPGA内数据处理流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制系统的框图；

图5是本发明实施例提供的一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制系统的模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的主要实现思想为：提供了一种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法，用于对所述高压发生器输出电压进行控制，在执行本方法之前即高压发生器曝光之前，有一个预处理步骤，所述预处理步骤针对不同功率段设置不同的PID参数，解决了同一组PID参数无法适用高压发生器整个功率段输出的难题；所述高压发生器曝光步骤包括：软启动步骤和PID调节步骤，所述软启动步骤只保留积分环节，保证PWM占空比输出从零开始增加，防止PWM占空比突变，从而有效防止IGBT过压过流；所述PID调节步骤采用增量式PID算法，从PID参数组中取得最佳PID参数，进行PID调节，保证高压发生器输出电压的稳定性，减小收敛时间，防止产生过冲。

下面具体介绍这种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法，结合图1和图2所示；所述高压发生器包括：控制台、FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、高压油箱、球管和处理器，在执行本方法之前即高压发生器曝光之前会进行一个预处理的步骤，经过该预处理步骤得到预置的PID参数组，具体为：在控制台预先设定每组球管电压和球管电流，通过对软件进行调试，得到该组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数，并将所述最佳PID参数存储于FPGA内部的PID参数组内；每组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数组成预置的PID参数组。

具体地，所述每组球管电压和球管电流为将高压发生器可输出的球管电压和球管电流范围内的数据按功率段进行分组得到。

比如，若所述高压发生器可输出的球管电压的范围为40-99KV，可输出的球管电流的范围为10-100MA，因为球管电压在调试模式下，只能选整10倍的值，所以，只能选择40KV、50KV、60KV、70KV、80KV、90KV来分别代表40～49、50～59、60～69、70～79、80～89、90～99范围内的值；而用户在设置球管电流的时候，可以设定的电流值为10MA、20MA、30MA......100MA；所以，以球管电压X(X为10的整数倍)代表球管电压范围[X，X+9]内的值，并结合球管电流Y的值来进行调试作为该范围功率段的PID参数；如下表1的数据为对40-99KV和10-100MA内的值进行分组并填入到二维表格的数。

表1

在控制台按照上述二维表格设定好球管电压和球管电流后，进入软件调试模式，通过现场调试得到每组功率段的最佳PID参数，然后将得到的PID参数写入到FPGA内部程序的二维表格内，即将所述最佳PID参数存储于FPGA内部的PID参数组内；如下表2所示为球管电压取40kV、球管电流取10mA得到的kp、ki、kd的值，分别为kp＝1、ki＝1、kd＝1。通过上述预处理步骤，以至于在软启动阶段，操作人员设定好球管电压与球管电流后，FPGA内部程序可以对应在PID参数组内，提取对应的最佳PID参数值kp、ki、kd，并赋值给FPGA程序的变量。

表2

下面具体介绍这种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制方法即高压发生器的曝光流程，如图1所示；具体地，所述高压发生器曝光流程包括软启动阶段和PID调节阶段，如下，步骤S1-S3为软启动阶段，步骤S4-S5为PID调节阶段。

步骤S1，所述FPGA根据用户在控制台设定好的球管电压和球管电流，在预置的PID参数组内获取对应的PID参数，所述PID参数包括PID算法的比例系数kp、PID算法的积分系数ki和PID算法的微分系数kd，并令kp＝0、kd＝0。

具体地，用户根据需要在控制台设定好球管电压和球管电流，所述FPGA根据所述球管电压和球管电流，在所述预置的PID参数组内取得对应的PID(proportion integral derivative，比例-积分-导数)参数kp、ki、kd；事实上，在软启动阶段，会令kp＝0、kd＝0，即只是采用了PID参数中的ki，即软启动阶段只有积分环节。

步骤S2，所述FPGA根据所述PID参数中ki的值和kp＝0、kd＝0计算得到PWM的占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端。

具体地，如图3所示，在给PID参数赋值后，进入FPGA的PID调节器，通过FPGA程序内部的增量式PID算法，计算得到PWM的占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压，并继续后续的过程。

步骤S3，所述FPGA对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值。

具体地，所述FPGA对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值，若未达到阈值，FPGA则根据所述实际球管电压和所述阈值得到误差E，并根据所述误差E和所述PID参数中ki的值、kp＝0和kd＝0得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，并继续对所述实际球管电压进行采样，直至所述实际球管电压达到所述阈值。

具体地，当未达到阈值时，继续采用只有积分环节的软启动过程，逐步增加PWM的占空比U，占空比U值的增加使得实际球管电压增加，直到实际球管电压输出达到程序设定的阈值，才进入PID调节阶段。

进一步地，所述步骤S3中，所述阈值必须比用户设定的球管电压要小，否则系统会产生过充；本发明实施例提供的阈值的大小为用户设定的球管电压的20％。

步骤S4，若达到所述阈值，所述FPGA则将采样的实际球管电压和设定的球管电压进行比较，得到误差E，根据所述误差E和在PID参数组内获取的对应的所述PID参数得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，开始曝光。

具体地，FPGA内部程序保留了刚刚在PID参数组内取得对应的PID参数kp、ki、kd，FPGA将输出的实际球管电压通过AD采样，将数据传入FPGA内部，在FPGA内部将实际球管电压与设定的球管电压相比较，将得到误差E，把得到的E输入到PID调节器，PID调节器通过增量式PID算法，计算得到PWM的占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压后传入高压油箱，产生实际球管电压，加载到球馆两端，具体过程如图3所示。

步骤S5，所述处理器判断是否达到曝光时间，若达到曝光时间，则发出停止曝光的指令给FPGA，所述FPGA停止曝光；若没有达到曝光时间，则返回步骤S4。

具体地，若没有达到曝光时间，则继续进行PID调节，直至曝光时间到，则停止曝光。

具体地，PID调节器由FPGA内部算法程序实现，FPGA运算速度快，可以在PWM的一个周期内，完成一次完整的kV数据采样，并进行PID运算，输出对应的PWM占空比U。

下面具体介绍这种基于多组PID参数的高压发生器数字化控制系统，如图4所示，所述高压发生器包括：控制台10、现场可编程门阵列FPGA20、绝缘栅双极型晶体管IGBT30、高压油箱40、球管50和处理器60，所述系统包括软启动模块21和PID调节模块22，所述软启动模块21包括PID参数赋值子模块211、软启动子模块212和第一判断子模块213，所述PID调节模块22包括PID调节子模块221和第二判断子模块222，具体如图5所示。

所述PID参数赋值子模块211，用于根据用户在控制台设定好的球管电压和球管电流，在预置的PID参数组内获取对应的PID参数，所述PID参数包括PID算法的比例系数kp、PID算法的积分系数ki和PID算法的微分系数kd，并令kp＝0，kd＝0。

所述预置的PID参数组包括每组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数；所述最佳PID参数的获取过程为：在控制台预先设定每组球管电压和球管电流，通过对软件进行调试，得到该组球管电压和球管电流对应的最佳PID参数，并将所述最佳PID参数存储于FPGA内部的PID参数组内。

所述每组球管电压和球管电流为将高压发生器可输出的球管电压和球管电流范围内的数据按功率段进行分组得到。

所述软启动子模块212，用于根据所述PID参数中ki的值、kp＝0和kd＝0计算得到PWM的占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端。

所述第一判断子模块213，用于对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值。

所述第一判断子模块213具体用于，对所述实际球管电压进行采样，并判断实际球管电压是否达到阈值，若未达到阈值，FPGA则根据所述实际球管电压和所述阈值得到误差E，并根据所述误差E和所述PID参数中ki的值、kp＝0和kd＝0得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，并继续对所述实际球管电压进行采样，直至所述实际球管电压达到所述阈值。

所述第一判断子模块213中，所述阈值大小为用户设定的球管电压的20％。

所述PID调节子模块221，用于在达到所述阈值时，将采样的实际球管电压和设定的球管电压进行比较，得到误差E，根据所述误差E和在PID参数组内获取的对应的所述PID参数得到占空比U，并输出具有所述占空比U的PWM信号到IGBT，所述IGBT在所述PWM的作用下调制出交流电压并传入高压油箱，所述高压油箱产生实际球管电压并加载到球管两端，开始曝光；

所述第二判断子模块222，用于判断是否达到曝光时间，若达到曝光时间，则发出停止曝光的指令给FPGA，所述FPGA停止曝光；若没有达到曝光时间，则继续进行PID调节。

本发明采用了基于多组PID参数的高压发生器数字化控制系统，其中，多组PID参数方案有效解决了高压发生器输出功率跨度大，一组PID参数难以满足所有功率段的问题。多组PID参数在程序调试下，通过修改程序可以很便捷的进行PID参数调节，节约了硬件成本和提升了调试效率。不同的功率段采用对应的PID参数，可以有效的提高kV的稳定性，减小收敛时间，消除超调，提高系统的抗干扰能力。

数字化控制系统的使用，把整个高压发生器的曝光过程分成两个阶段：软启动阶段和PID调节阶段。软启动阶段只保留PID积分环节，使得PWM的占空比U的输出从0开始增加，软启动过程中PWM的占空比U在快速增加，同时保证U不会突然变大，可以有效的防止IGBT工作过程中的过压过流，减少了收敛时间、防止过冲的产生。

PID调节阶段采用PID增量式调节，保证了系统的平稳输出，可以有效提升系统的稳定性，同时由于PID调节范围大，提升了高压发生器的电网适应能力，在更恶劣的电网环境下也能保证高压发生器正常工作。所有数字化控制算法均在FPGA内部实现，可操作性很强，控制方式灵活，可以很好的对技术内容进行保密，防止被仿制。由于算法采用数字化方式实现，有利益下一步对算法做出升级和改进，也便于将更加先进的算法引入到控制系统中来。

本发明可以在X射线高压发生器上使用，并可以取得良好的应用效果；也可以在大功率电源、逆变器、变频器等多个领域应用。本发明的应用方式，可以作为以上领域的核心控制算法；其数字化控制流程能够有效解决各领域碰到的电压、电流控制难题，将整个控制过程分为多个阶段，各个击破产品中的技术难点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。