聚合酶链反应生物芯片温度控制方法

专利名称：聚合酶链反应生物芯片温度控制方法
技术领域：
本发明涉及一种生物检测芯片的控制方法，特别涉及一种聚合酶链反应生物芯片温度控制方法。用于微电子机械系统领域。
背景技术：
聚合酶链反应，即PCR(Polymerase Chain Reaction，PCR)，是一种在体外由引物介导的DNA序列酶促合成反应，是一个由温度控制和酶催化过程组成的三种不同温度下反应的周期性重复过程。施加不同的温度，将会产生不同的生物反应，其中93℃为DNA变性温度，50℃为退火温度，74℃为延伸温度，在此三个温度段不断重复即可实现DNA的扩增。常规PCR方法存在热容大、加热和冷却速度慢、耗用昂贵的生化试剂等缺点，因此利用微加工技术制作微型PCR芯片进行扩增的方法已成为当前的研究热点。由于PCR芯片的热容小，要求反应速度快，必须对控制规律有所要求。迄今为止，工业上运用最成功最广泛的仍然是经典PID，即比例积分微分方法。但是该方法积分因子过大时，积分控制器饱和，从饱和到退饱和的过程会带来严重的滞后超调效应；积分因子过小时，稳态误差消除慢，上升速度受到影响，不能满足快速性的要求。所以提高PCR反应的速度和成功率，进一步良好的控温要求已成为研究的热点之一。
经对现有技术的文献检索发现，C.Ke等在《Sensors and Actuators B》(《传感器和执行器B》)2004年102期308-314上发表的《使用基于热周期的微硅非接触方法肺结核分枝杆菌检测快速扩增》中设计的PCR反应芯片控温系统中，采用普通的经典PID方法，温度超调达到2℃，出现了明显的积分器饱和现象，并且难以快速退出饱和状态，无法满足动态性能指标的要求。
目前工业上另一种较为实用的PID方法是所谓的增量型PID方法，这种办法可以巧妙地解决积分控制器饱和所带来的影响。增量型PID的控制器不是直接计算控制器的输出，而是首先计算相对于前一次输出的增量
△Yout(t)＝Yout(t)-Yout(t-1)＝Kp[e(t)-e(t-1)]+Kie(t)+Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]确定了增量△Yout(t)后，则增量型控制器的最后输出为Yout(t)＝Yout(t-1)+△Yout(t)由于△Yout(t)仅计算当前以及前两次时刻的误差e，不会在积分控制器增量△Yout(t)中出现误差的累积。相对于经典PID的传统积分累计和饱和，增量型PID真正的“累积”出现在控制器输出部分，即算着△Yout不断输入，使控制器Yout逐渐达到“饱和”。因此增量型PID的抗饱和本质在于将积分误差的饱和转化为控制器的饱和。增量型PID方法在一定程度上可以抵抗超调，提升动态性能，但是仍然不能完全解决饱和的影响，因此并没有实际应用于PCR生物芯片的控温系统之中。

发明内容
本发明的目的为了克服现有技术中的不足，提供一种聚合酶链反应生物芯片温度控制方法。使其进行有效的PCR温度调控，在根本上解决了经典PID的积分饱和问题。为了达到更好的效果，继续采用模糊逻辑的方法，通过判别误差绝对值|e|的变化，在线调整Kp和Ki的参数输出。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在增量型PID方法的基础上，利用控制器的饱和保证动态响应速度，具体如下(1)首先设置较大的积分因子，在误差较大时，在短期内使控制器达到输出饱和，温度全速上升或者下降，由于相对较弱的控制器饱和程度保证了较快的退饱和速度，在误差较小时，退饱和之后行使普通的积分作用以消除稳态误差；(2)设置合适的比例因子，在误差较大时以辅助控制器快速进入伪积分饱和状态，在误差较小时行使微分作用抵抗超调，退饱和后行使普通的比例作用以稳定输出；(3)减小或取消微分作用，误差较大时，伪饱和之前抵抗饱和化进程，伪积分饱和之后变性的二次微分作用效果不明显，而误差较小时往往反抗退饱和的进程，只有在退饱和之后行使正常的微分作用。
采用了以上三条准则进行整定，可以同时满足快速性(Ki保证)和抗超调性(Kp保证)，进行有效的PCR温度调控，在根本上解决了经典PID的积分饱和问题。
本发明是在分析以下参数特性的基础上提出的假设系统的控制器输出饱和，即Yout(t-1)＝Ymax之后，下一时刻输出变为Yout(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的参数Kp、Ki和Kd此时已经改变了职能，都成为了经典PID参数进行微分之后的作用因子。具体地说1)比例因子Kp充当了误差微分因子的功能，通过Kp[e(t)-e(t-1)]项起作用，等同于经典PID中的微分因子，在重要的误差逼近阶段承担退饱和及抗超调的作用，并降低系统的反应速度；2)积分因子Ki充当了误差比例放大因子的功能，通过Kie(t)项起作用，等同于经典PID中的比例因子，在误差逼近阶段继续使控制器饱和并全速升降温；3)微分因子Kd作用完全发生变性，成为误差二次微分因子，通过Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]项起作用，需要根据控制器输出函数的凹凸性作进一步研究。一般认为，在温度控制领域，输出函数在逼近预设值时，总是呈似指数型变化，其二次微分△△e总为正，即e(t)-2e(t-1)+e(t-2)＞0，在误差逼近阶段继续使控制器饱和。
在以上方法的基础上，通过采用模糊逻辑的方法进一步提高温度控制效果，以误差|e|为输入，PID参数Kp和Ki为输出构建模糊逻辑控制器，包括输入参数模糊化、规则模糊推理和输出参数反模糊化三个步骤，具体如下(1)输入参数模糊化本发明以误差为输入，为了构筑稳健的模糊逻辑控制器，首先需要进行输入参数|e|以及输出参数Kp和Ki模糊化。输入|e|以及输出参数Kp和Ki为一个确定的值，在模糊逻辑的思想里面需要根据一定的隶属程度，将输入模糊成人类语言所能够表达的量，以便于进一步以人类的思维来考虑控制问题的细节。一般可以至少把输入|e|划分为小、中和大三个程度，最多划分为七个程度，超过七个程度人类思维将难以接受。程度的划分通过设置隶属函数的技术来实现，隶属函数的边界和形状可以通过实际工程来确定。本发明仅采用一个输入量，很大程度地减小了系统的计算复杂度。
(2)规则模糊推理本发明方法的PID的三个参数由于在控制器饱和阶段性能发生了微分化变化，为了最大限度抵抗超调效应，在线整定Kp和Ki的变化，而固定Kd。假设将误差|e|以及输出Kp和Ki分别模糊化成较大、较小和零，则可以按照下述规则订立模糊逻辑，此规则符合实际生产经验。
1)误差|e|较大时，设置零比例因子和较大的积分因子，使得控制器快速进入伪积分饱和阶段，保证温度全速变化；2)误差|e|较小时，设置较大的比例因子以实现微分作用，抵抗超调，设置零积分因子，以较快的速度逐渐退出伪积分饱和状态；3)误差|e|为零时，此时已经全面退出伪积分饱和状态，此时可以设定一组稳定运行的PID参数，以此参数进行温制。
(3)输出参数反模糊化任何一个输入误差|e|经过模糊化之后都会满足多条模糊推理的规则，并得到多条输出的满足，为了得到精确的输出，必须进行输出变量参数Kp和K的反模糊化i。反模糊化之后，诸如较大、较小和零等模糊化的语言可以转化为精确的输出值。
本发明提出一种全新的改进增量型PID的控制方法，不同于经典或传统增量型PID力求避免积分器饱和的策略，此方法的本质在于利用控制器的饱和保证动态响应速度，并且继续采用模糊逻辑的方法，以达到更好的温控效果。本发明有益效果是1)可以以1分钟或更短为周期，实现PCR所要求的变性温度、退火温度和延伸温度的周期性交替，大大提高PCR扩增的效率；2)稳态控温特型优秀，稳定性好，稳态误差小；3)模糊控制控温动态特性好，无超调，无滞后，无振荡；5)采用一维模糊推理规则，计算复杂度小，适合于集成。


图1为模糊逻辑控制器的内部结构图；图2为本发明的实施例的模糊逻辑在线PI参数整定模块框图；
具体实施例方式
如图1所示，为模糊逻辑控制器的内部结构图，完整的模糊逻辑控制器由模糊器、模糊推理机和反模糊器构成。控制器的输入，在本发明中是误差e，是一个精确的值。模糊器将此精确的输入误差e模糊化成人类的语言零、小和大，对应于构建模糊逻辑控制器中的输入参数模糊化。根据输入的值，经过模糊推理机，本发明的模糊推理机中存储了类似于表一的新型模糊推理规则，采用一定的推理机制，得到不同的模糊输出，对应于构建模糊逻辑控制器中的规则模糊推理。这些模糊化的输出经过反模糊器之后，得到精确的输出量，两个模糊控制器的输出分别为kp和ki，此过程对应于构建模糊逻辑控制器中的输出参数反模糊化。
如图2所示，根据本发明实施例，设计模糊逻辑在线PI参数整定模块框图。其中误差e为模糊逻辑的输入两个并联的模糊逻辑控制器，此控制器的具体结构为图1所示，经过构建模糊逻辑控制器的新的模糊逻辑推理之后在线产生kp和ki，这两个参数随着固定的kd共同进入改进增量型PID模块作为输入，对应于经过计算得到当前控制器的输出，作用于被控对象PCR芯片，计算此被控对象的控制量和预设值进行比较得到新的误差，然后再一次进入模糊逻辑控制器，反复运算。
一个确定的误差经过模糊化之后，得到语言化的输出。模糊的方法采用单值模糊法。一个模糊化之后的输入可以满足多条模糊规则，采用最小-最大推理法进行推理，得到语言化的输出函数。根据发明内容中构建模糊规则，实现形如IF|e|＝...THENKp/Ki...推理。推理表见表一。
表一Kp模糊推理规则和Ki模糊推理规则

模糊推理得到语言化的结果，采用中心平均解模糊方法，将语言化变量函数转换成精确的输出，最为模糊控制器的最后输出。
本实施例采用以高分子材料聚二甲基硅氧烷为基底的PCR芯片，将输入误差|e|的模糊化成三个人类语言表示程度，分别为ZERO、SMALL和BIG，分别代表零、小和大。采用三个隶属函数，隶属函数的定义应该根据实际情况决定。在本实施例中，ZERO为三角形隶属函数，参数为0，0.5和1，SMALL为三角形隶属函数，参数为0，5和10，BIG为梯形隶属函数，参数为5，10和50。同理定义Kp和Ki的模糊化隶属函数。Kp的隶属函数参数如下ZERO为三角形隶属函数，参数为0，1和2，SMALL为三角形隶属函数，参数为0，10和20，BIG为梯形隶属函数，参数为20，40和100。Ki的隶属函数参数如下ZERO为梯形隶属函数，参数为0.8，1和1.5，SMALL为三角形隶属函数，参数为1，1.5和3，BIG为梯形隶属函数，参数为1.8，2.3和3。
本发明可以进行有效的PCR温度调控，在根本上解决了经典PID的积分饱和问题。为了达到更好的效果，继续采用模糊逻辑的方法，通过判别误差绝对值|e|的变化，在线调整Kp和Ki的参数输出。
权利要求
1.一种聚合酶链反应生物芯片温度控制方法，其特征在于，在增量型PID方法的基础上，通控制器的饱和保证动态响应速度，具体如下(1)首先设置较大的积分因子，在误差较大时，在短期内使控制器达到输出饱和，温度全速上升或者下降，相对较弱的控制器饱和程度保证了较快的退饱和速度，在误差较小时，退饱和之后行使普通的积分作用消除稳态误差；(2)设置合适的比例因子，在误差较大时以辅助控制器快速进入伪积分饱和状态，在误差较小时行使微分作用抵抗超调，退饱和后行使普通的比例作用稳定输出；(3)减小或取消微分作用，误差较大时，伪饱和之前抵抗饱和化进程，伪积分饱和之后变性的二次微分作用效果出现变化，而误差较小时会反抗退饱和的进程，只有在退饱和之后行使正常的微分作用。
2.根据权利要求1所述的聚合酶链反应生物芯片温度控制方法，其特征是，在以下参数特性的基础上提出假设系统的控制器输出饱和，即Yout(t-1)＝Ymax之后，下一时刻输出变为Yout(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实现误差微分因子，通过Kp[e(t)-e(t-1)]项起作用，在重要的误差逼近阶段承担退饱和及抗超调的作用，并降低系统的反应速度；2)积分因子Kip实现误差比例放大因子，通过Kie(t)项起作用，在误差逼近阶段继续使控制器饱和并全速升降温；3)微分因子Kd实现误差二次微分因子，通过Kd[e(t)-2e(t-1)+e(t-2)]项起作用，在输出函数逼近预设值时，总是呈似指数型变化，其二次微分ΔΔe总为正，即e(t)-2e(t-1)+e(t-2)＞0，在误差逼近阶段继续使控制器饱和。
3.根据权利要求1所述的聚合酶链反应生物芯片温度控制方法，其特征是，通过采用模糊逻辑的方法进一步提高温度控制效果，以误差|e|为输入，PID参数Kp和Ki为输出构建模糊逻辑控制器，包括输入参数模糊化、规则模糊推理和输出参数反模糊化三个步骤，具体如下(1)输入参数模糊化进行输入参数|e|以及输出参数Kp和Ki模糊化，输入|e|以及输出参数Kp和Ki为一个确定的值，把输入|e|划分为小、中和大三个程度，最多划分为七个程度，程度的划分通过设置隶属函数的技术来实现，隶属函数的边界和形状通过实际工程来确定；(2)规则模糊推理将误差|e|以及输出Kp和Ki分别模糊化成较大、较小和零，按照下述规则订立模糊逻辑1)误差|e|较大时，设置零比例因子和较大的积分因子，使得控制器快速进入伪积分饱和阶段，保证温度全速变化；2)误差|e|较小时，设置较大的比例因子以实现微分作用，抵抗超调，设置零积分因子，以较快的速度逐渐退出伪积分饱和状态；3)误差|e|为零时，此时已经全面退出伪积分饱和状态，设定一组稳定运行的PID参数，以此参数进行温制；(3)输出参数反模糊化任何一个输入误差|e|经过模糊化之后都会满足多条模糊推理的规则，并得到多条输出的满足，为了得到精确的输出，必须进行输出变量参数Kp和K的反模糊化i，将较大、较小和零这些模糊化的语言转化为精确的输出值。
全文摘要
一种微电子机械系统领域的聚合酶链反应生物芯片温度控制方法，具体如下设置较大的积分因子，在误差较大时，在短期内使控制器达到输出饱和，温度全速上升或者下降，相对较弱的控制器饱和程度保证了较快的退饱和速度，在误差较小时，退饱和之后行使普通的积分作用消除稳态误差；设置合适的比例因子，在误差较大时以辅助控制器快速进入伪积分饱和状态，在误差较小时行使微分作用抵抗超调，退饱和后行使普通的比例作用稳定输出；减小或取消微分作用，误差较大时，伪饱和之前抵抗饱和化进程，伪积分饱和之后变性的二次微分作用效果出现变化，而误差较小时会反抗退饱和的进程，只有在退饱和之后行使正常的微分作用。
文档编号C12P19/00GK1710090SQ20051002705
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月23日 优先权日2005年6月23日
发明者陈文元, 邵诗逸, 牛志强, 张卫平 申请人:上海交通大学