專利名稱：聚合酶鏈反應(yīng)生物芯片溫度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物檢測芯片的控制方法，特別涉及一種聚合酶鏈反應(yīng)生物芯片溫度控制方法。用于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聚合酶鏈反應(yīng)，即PCR(Polymerase Chain Reaction，PCR)，是一種在體外由引物介導(dǎo)的DNA序列酶促合成反應(yīng)，是一個由溫度控制和酶催化過程組成的三種不同溫度下反應(yīng)的周期性重復(fù)過程。施加不同的溫度，將會產(chǎn)生不同的生物反應(yīng)，其中93℃為DNA變性溫度，50℃為退火溫度，74℃為延伸溫度，在此三個溫度段不斷重復(fù)即可實現(xiàn)DNA的擴增。常規(guī)PCR方法存在熱容大、加熱和冷卻速度慢、耗用昂貴的生化試劑等缺點，因此利用微加工技術(shù)制作微型PCR芯片進行擴增的方法已成為當(dāng)前的研究熱點。由于PCR芯片的熱容小，要求反應(yīng)速度快，必須對控制規(guī)律有所要求。迄今為止，工業(yè)上運用最成功最廣泛的仍然是經(jīng)典PID，即比例積分微分方法。但是該方法積分因子過大時，積分控制器飽和，從飽和到退飽和的過程會帶來嚴重的滯后超調(diào)效應(yīng)；積分因子過小時，穩(wěn)態(tài)誤差消除慢，上升速度受到影響，不能滿足快速性的要求。所以提高PCR反應(yīng)的速度和成功率，進一步良好的控溫要求已成為研究的熱點之一。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，C.Ke等在《Sensors and Actuators B》(《傳感器和執(zhí)行器B》)2004年102期308-314上發(fā)表的《使用基于熱周期的微硅非接觸方法肺結(jié)核分枝桿菌檢測快速擴增》中設(shè)計的PCR反應(yīng)芯片控溫系統(tǒng)中，采用普通的經(jīng)典PID方法，溫度超調(diào)達到2℃，出現(xiàn)了明顯的積分器飽和現(xiàn)象，并且難以快速退出飽和狀態(tài)，無法滿足動態(tài)性能指標的要求。
目前工業(yè)上另一種較為實用的PID方法是所謂的增量型PID方法，這種辦法可以巧妙地解決積分控制器飽和所帶來的影響。增量型PID的控制器不是直接計算控制器的輸出，而是首先計算相對于前一次輸出的增量
△Yout(t)＝Y(jié)out(t)-Yout(t-1)＝Kp[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]確定了增量△Yout(t)后，則增量型控制器的最后輸出為Yout(t)＝Y(jié)out(t-1)+△Yout(t)由于△Yout(t)僅計算當(dāng)前以及前兩次時刻的誤差e，不會在積分控制器增量△Yout(t)中出現(xiàn)誤差的累積。相對于經(jīng)典PID的傳統(tǒng)積分累計和飽和，增量型PID真正的“累積”出現(xiàn)在控制器輸出部分，即算著△Yout不斷輸入，使控制器Yout逐漸達到“飽和”。因此增量型PID的抗飽和本質(zhì)在于將積分誤差的飽和轉(zhuǎn)化為控制器的飽和。增量型PID方法在一定程度上可以抵抗超調(diào)，提升動態(tài)性能，但是仍然不能完全解決飽和的影響，因此并沒有實際應(yīng)用于PCR生物芯片的控溫系統(tǒng)之中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種聚合酶鏈反應(yīng)生物芯片溫度控制方法。使其進行有效的PCR溫度調(diào)控，在根本上解決了經(jīng)典PID的積分飽和問題。為了達到更好的效果，繼續(xù)采用模糊邏輯的方法，通過判別誤差絕對值|e|的變化，在線調(diào)整Kp和Ki的參數(shù)輸出。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明在增量型PID方法的基礎(chǔ)上，利用控制器的飽和保證動態(tài)響應(yīng)速度，具體如下(1)首先設(shè)置較大的積分因子，在誤差較大時，在短期內(nèi)使控制器達到輸出飽和，溫度全速上升或者下降，由于相對較弱的控制器飽和程度保證了較快的退飽和速度，在誤差較小時，退飽和之后行使普通的積分作用以消除穩(wěn)態(tài)誤差；(2)設(shè)置合適的比例因子，在誤差較大時以輔助控制器快速進入偽積分飽和狀態(tài)，在誤差較小時行使微分作用抵抗超調(diào)，退飽和后行使普通的比例作用以穩(wěn)定輸出；(3)減小或取消微分作用，誤差較大時，偽飽和之前抵抗飽和化進程，偽積分飽和之后變性的二次微分作用效果不明顯，而誤差較小時往往反抗退飽和的進程，只有在退飽和之后行使正常的微分作用。
采用了以上三條準則進行整定，可以同時滿足快速性(Ki保證)和抗超調(diào)性(Kp保證)，進行有效的PCR溫度調(diào)控，在根本上解決了經(jīng)典PID的積分飽和問題。
本發(fā)明是在分析以下參數(shù)特性的基礎(chǔ)上提出的假設(shè)系統(tǒng)的控制器輸出飽和，即Yout(t-1)＝Y(jié)max之后，下一時刻輸出變?yōu)閅out(t)＝△Yout(t)+Yout(t-1)＝△Yout(t)+Ymax＝Kp[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]+Ymax≠Kpe(t)+Ki[e(t)+e(t-1)+...+e(0)]+Kd[e(t)-e(t-1)]PID的參數(shù)Kp、Ki和Kd此時已經(jīng)改變了職能，都成為了經(jīng)典PID參數(shù)進行微分之后的作用因子。具體地說1)比例因子Kp充當(dāng)了誤差微分因子的功能，通過Kp[e(t)-e(t-1)]項起作用，等同于經(jīng)典PID中的微分因子，在重要的誤差逼近階段承擔(dān)退飽和及抗超調(diào)的作用，并降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度；2)積分因子Ki充當(dāng)了誤差比例放大因子的功能，通過Kie(t)項起作用，等同于經(jīng)典PID中的比例因子，在誤差逼近階段繼續(xù)使控制器飽和并全速升降溫；3)微分因子Kd作用完全發(fā)生變性，成為誤差二次微分因子，通過Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]項起作用，需要根據(jù)控制器輸出函數(shù)的凹凸性作進一步研究。一般認為，在溫度控制領(lǐng)域，輸出函數(shù)在逼近預(yù)設(shè)值時，總是呈似指數(shù)型變化，其二次微分△△e總為正，即e(t)-2e(t-1)+e(t-2)＞0，在誤差逼近階段繼續(xù)使控制器飽和。
在以上方法的基礎(chǔ)上，通過采用模糊邏輯的方法進一步提高溫度控制效果，以誤差|e|為輸入，PID參數(shù)Kp和Ki為輸出構(gòu)建模糊邏輯控制器，包括輸入?yún)?shù)模糊化、規(guī)則模糊推理和輸出參數(shù)反模糊化三個步驟，具體如下(1)輸入?yún)?shù)模糊化本發(fā)明以誤差為輸入，為了構(gòu)筑穩(wěn)健的模糊邏輯控制器，首先需要進行輸入?yún)?shù)|e|以及輸出參數(shù)Kp和Ki模糊化。輸入|e|以及輸出參數(shù)Kp和Ki為一個確定的值，在模糊邏輯的思想里面需要根據(jù)一定的隸屬程度，將輸入模糊成人類語言所能夠表達的量，以便于進一步以人類的思維來考慮控制問題的細節(jié)。一般可以至少把輸入|e|劃分為小、中和大三個程度，最多劃分為七個程度，超過七個程度人類思維將難以接受。程度的劃分通過設(shè)置隸屬函數(shù)的技術(shù)來實現(xiàn)，隸屬函數(shù)的邊界和形狀可以通過實際工程來確定。本發(fā)明僅采用一個輸入量，很大程度地減小了系統(tǒng)的計算復(fù)雜度。
(2)規(guī)則模糊推理本發(fā)明方法的PID的三個參數(shù)由于在控制器飽和階段性能發(fā)生了微分化變化，為了最大限度抵抗超調(diào)效應(yīng)，在線整定Kp和Ki的變化，而固定Kd。假設(shè)將誤差|e|以及輸出Kp和Ki分別模糊化成較大、較小和零，則可以按照下述規(guī)則訂立模糊邏輯，此規(guī)則符合實際生產(chǎn)經(jīng)驗。
1)誤差|e|較大時，設(shè)置零比例因子和較大的積分因子，使得控制器快速進入偽積分飽和階段，保證溫度全速變化；2)誤差|e|較小時，設(shè)置較大的比例因子以實現(xiàn)微分作用，抵抗超調(diào)，設(shè)置零積分因子，以較快的速度逐漸退出偽積分飽和狀態(tài)；3)誤差|e|為零時，此時已經(jīng)全面退出偽積分飽和狀態(tài)，此時可以設(shè)定一組穩(wěn)定運行的PID參數(shù)，以此參數(shù)進行溫制。
(3)輸出參數(shù)反模糊化任何一個輸入誤差|e|經(jīng)過模糊化之后都會滿足多條模糊推理的規(guī)則，并得到多條輸出的滿足，為了得到精確的輸出，必須進行輸出變量參數(shù)Kp和K的反模糊化i。反模糊化之后，諸如較大、較小和零等模糊化的語言可以轉(zhuǎn)化為精確的輸出值。
本發(fā)明提出一種全新的改進增量型PID的控制方法，不同于經(jīng)典或傳統(tǒng)增量型PID力求避免積分器飽和的策略，此方法的本質(zhì)在于利用控制器的飽和保證動態(tài)響應(yīng)速度，并且繼續(xù)采用模糊邏輯的方法，以達到更好的溫控效果。本發(fā)明有益效果是1)可以以1分鐘或更短為周期，實現(xiàn)PCR所要求的變性溫度、退火溫度和延伸溫度的周期性交替，大大提高PCR擴增的效率；2)穩(wěn)態(tài)控溫特型優(yōu)秀，穩(wěn)定性好，穩(wěn)態(tài)誤差??；3)模糊控制控溫動態(tài)特性好，無超調(diào)，無滯后，無振蕩；5)采用一維模糊推理規(guī)則，計算復(fù)雜度小，適合于集成。


圖1為模糊邏輯控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的實施例的模糊邏輯在線PI參數(shù)整定模塊框圖；
具體實施例方式
如圖1所示，為模糊邏輯控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，完整的模糊邏輯控制器由模糊器、模糊推理機和反模糊器構(gòu)成?？刂破鞯妮斎?，在本發(fā)明中是誤差e，是一個精確的值。模糊器將此精確的輸入誤差e模糊化成人類的語言零、小和大，對應(yīng)于構(gòu)建模糊邏輯控制器中的輸入?yún)?shù)模糊化。根據(jù)輸入的值，經(jīng)過模糊推理機，本發(fā)明的模糊推理機中存儲了類似于表一的新型模糊推理規(guī)則，采用一定的推理機制，得到不同的模糊輸出，對應(yīng)于構(gòu)建模糊邏輯控制器中的規(guī)則模糊推理。這些模糊化的輸出經(jīng)過反模糊器之后，得到精確的輸出量，兩個模糊控制器的輸出分別為kp和ki，此過程對應(yīng)于構(gòu)建模糊邏輯控制器中的輸出參數(shù)反模糊化。
如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明實施例，設(shè)計模糊邏輯在線PI參數(shù)整定模塊框圖。其中誤差e為模糊邏輯的輸入兩個并聯(lián)的模糊邏輯控制器，此控制器的具體結(jié)構(gòu)為圖1所示，經(jīng)過構(gòu)建模糊邏輯控制器的新的模糊邏輯推理之后在線產(chǎn)生kp和ki，這兩個參數(shù)隨著固定的kd共同進入改進增量型PID模塊作為輸入，對應(yīng)于經(jīng)過計算得到當(dāng)前控制器的輸出，作用于被控對象PCR芯片，計算此被控對象的控制量和預(yù)設(shè)值進行比較得到新的誤差，然后再一次進入模糊邏輯控制器，反復(fù)運算。
一個確定的誤差經(jīng)過模糊化之后，得到語言化的輸出。模糊的方法采用單值模糊法。一個模糊化之后的輸入可以滿足多條模糊規(guī)則，采用最小-最大推理法進行推理，得到語言化的輸出函數(shù)。根據(jù)發(fā)明內(nèi)容中構(gòu)建模糊規(guī)則，實現(xiàn)形如IF|e|＝...THENKp/Ki...推理。推理表見表一。
表一Kp模糊推理規(guī)則和Ki模糊推理規(guī)則

模糊推理得到語言化的結(jié)果，采用中心平均解模糊方法，將語言化變量函數(shù)轉(zhuǎn)換成精確的輸出，最為模糊控制器的最后輸出。
本實施例采用以高分子材料聚二甲基硅氧烷為基底的PCR芯片，將輸入誤差|e|的模糊化成三個人類語言表示程度，分別為ZERO、SMALL和BIG，分別代表零、小和大。采用三個隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)的定義應(yīng)該根據(jù)實際情況決定。在本實施例中，ZERO為三角形隸屬函數(shù)，參數(shù)為0，0.5和1，SMALL為三角形隸屬函數(shù)，參數(shù)為0，5和10，BIG為梯形隸屬函數(shù)，參數(shù)為5，10和50。同理定義Kp和Ki的模糊化隸屬函數(shù)。Kp的隸屬函數(shù)參數(shù)如下ZERO為三角形隸屬函數(shù)，參數(shù)為0，1和2，SMALL為三角形隸屬函數(shù)，參數(shù)為0，10和20，BIG為梯形隸屬函數(shù)，參數(shù)為20，40和100。Ki的隸屬函數(shù)參數(shù)如下ZERO為梯形隸屬函數(shù)，參數(shù)為0.8，1和1.5，SMALL為三角形隸屬函數(shù)，參數(shù)為1，1.5和3，BIG為梯形隸屬函數(shù)，參數(shù)為1.8，2.3和3。
本發(fā)明可以進行有效的PCR溫度調(diào)控，在根本上解決了經(jīng)典PID的積分飽和問題。為了達到更好的效果，繼續(xù)采用模糊邏輯的方法，通過判別誤差絕對值|e|的變化，在線調(diào)整Kp和Ki的參數(shù)輸出。
權(quán)利要求
1.一種聚合酶鏈反應(yīng)生物芯片溫度控制方法，其特征在于，在增量型PID方法的基礎(chǔ)上，通控制器的飽和保證動態(tài)響應(yīng)速度，具體如下(1)首先設(shè)置較大的積分因子，在誤差較大時，在短期內(nèi)使控制器達到輸出飽和，溫度全速上升或者下降，相對較弱的控制器飽和程度保證了較快的退飽和速度，在誤差較小時，退飽和之后行使普通的積分作用消除穩(wěn)態(tài)誤差；(2)設(shè)置合適的比例因子，在誤差較大時以輔助控制器快速進入偽積分飽和狀態(tài)，在誤差較小時行使微分作用抵抗超調(diào)，退飽和后行使普通的比例作用穩(wěn)定輸出；(3)減小或取消微分作用，誤差較大時，偽飽和之前抵抗飽和化進程，偽積分飽和之后變性的二次微分作用效果出現(xiàn)變化，而誤差較小時會反抗退飽和的進程，只有在退飽和之后行使正常的微分作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合酶鏈反應(yīng)生物芯片溫度控制方法，其特征是，在以下參數(shù)特性的基礎(chǔ)上提出假設(shè)系統(tǒng)的控制器輸出飽和，即Yout(t-1)＝Y(jié)max之后，下一時刻輸出變?yōu)閅out(t)＝ΔYout(t)+Yout(t-1)＝ΔYout(t)+Ymax＝Kp[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]+Ymax≠Kpe(t)+Ki[e(t)+e(t-1)+...+e(0)]+Kd[e(t)-e(t-1)]其中1)比例因子Kp實現(xiàn)誤差微分因子，通過Kp[e(t)-e(t-1)]項起作用，在重要的誤差逼近階段承擔(dān)退飽和及抗超調(diào)的作用，并降低系統(tǒng)的反應(yīng)速度；2)積分因子Kip實現(xiàn)誤差比例放大因子，通過Kie(t)項起作用，在誤差逼近階段繼續(xù)使控制器飽和并全速升降溫；3)微分因子Kd實現(xiàn)誤差二次微分因子，通過Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]項起作用，在輸出函數(shù)逼近預(yù)設(shè)值時，總是呈似指數(shù)型變化，其二次微分ΔΔe總為正，即e(t)-2e(t-1)+e(t-2)＞0，在誤差逼近階段繼續(xù)使控制器飽和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚合酶鏈反應(yīng)生物芯片溫度控制方法，其特征是，通過采用模糊邏輯的方法進一步提高溫度控制效果，以誤差|e|為輸入，PID參數(shù)Kp和Ki為輸出構(gòu)建模糊邏輯控制器，包括輸入?yún)?shù)模糊化、規(guī)則模糊推理和輸出參數(shù)反模糊化三個步驟，具體如下(1)輸入?yún)?shù)模糊化進行輸入?yún)?shù)|e|以及輸出參數(shù)Kp和Ki模糊化，輸入|e|以及輸出參數(shù)Kp和Ki為一個確定的值，把輸入|e|劃分為小、中和大三個程度，最多劃分為七個程度，程度的劃分通過設(shè)置隸屬函數(shù)的技術(shù)來實現(xiàn)，隸屬函數(shù)的邊界和形狀通過實際工程來確定；(2)規(guī)則模糊推理將誤差|e|以及輸出Kp和Ki分別模糊化成較大、較小和零，按照下述規(guī)則訂立模糊邏輯1)誤差|e|較大時，設(shè)置零比例因子和較大的積分因子，使得控制器快速進入偽積分飽和階段，保證溫度全速變化；2)誤差|e|較小時，設(shè)置較大的比例因子以實現(xiàn)微分作用，抵抗超調(diào)，設(shè)置零積分因子，以較快的速度逐漸退出偽積分飽和狀態(tài)；3)誤差|e|為零時，此時已經(jīng)全面退出偽積分飽和狀態(tài)，設(shè)定一組穩(wěn)定運行的PID參數(shù)，以此參數(shù)進行溫制；(3)輸出參數(shù)反模糊化任何一個輸入誤差|e|經(jīng)過模糊化之后都會滿足多條模糊推理的規(guī)則，并得到多條輸出的滿足，為了得到精確的輸出，必須進行輸出變量參數(shù)Kp和K的反模糊化i，將較大、較小和零這些模糊化的語言轉(zhuǎn)化為精確的輸出值。
全文摘要
一種微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域的聚合酶鏈反應(yīng)生物芯片溫度控制方法，具體如下設(shè)置較大的積分因子，在誤差較大時，在短期內(nèi)使控制器達到輸出飽和，溫度全速上升或者下降，相對較弱的控制器飽和程度保證了較快的退飽和速度，在誤差較小時，退飽和之后行使普通的積分作用消除穩(wěn)態(tài)誤差；設(shè)置合適的比例因子，在誤差較大時以輔助控制器快速進入偽積分飽和狀態(tài)，在誤差較小時行使微分作用抵抗超調(diào)，退飽和后行使普通的比例作用穩(wěn)定輸出；減小或取消微分作用，誤差較大時，偽飽和之前抵抗飽和化進程，偽積分飽和之后變性的二次微分作用效果出現(xiàn)變化，而誤差較小時會反抗退飽和的進程，只有在退飽和之后行使正常的微分作用。
文檔編號C12P19/00GK1710090SQ20051002705
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者陳文元, 邵詩逸, 牛志強, 張衛(wèi)平 申請人:上海交通大學(xué)