基因芯片PCR温度模糊自整定PID控制算法的研究

　　0　引言

　　基因芯片又称聚合酶链式反应(PCR, Polymerase Chain Re-action)生物芯片,其制备过程实质上是一个核酸扩增生物链式反应过程,对反应过程的温度控制有着极高的要求,芯片成功制备的关键在于精确控制核酸扩增反应过程的温度[1]。基因核酸扩增反应仪(又称PCR仪)就是利用温度跟踪控制技术进行聚合酶链式反应,实现DNA体外克隆复制的温控仪器[2-3]。

　　PCR仪是一种温度时间程控系统,为实现核酸物质的有效扩增,要求反应温度快速、无差地跟踪温度设定曲线。核酸扩增反应系统的典型温度设定曲线即温度-时间模式曲线如图1所示[2]。

　　经典PID控制算法虽然结构简单、工作稳定、鲁棒性较强,但对于PCR仪这种温度跟踪程控系统,始终存在静态与动态性能之间的矛盾、温度跟踪与抑制扰动之间的矛盾、结构简单性与系统鲁棒性之间的矛盾。虽然采用一些折衷方法或自适应技术可以解决部分问题,但仍不能获得最佳控制效果[4-5]。与PID控制算法相比,模糊控制具有两个优势:在实际应用中能较好地模拟人的启发式的思维方式、控制策略和控制经验;由于被控对象的动态特性、控制策略和控制性能指标已隐含在模糊控制器的输入输出模糊集、模糊推理过程及模糊控制规则中,模糊控制无需被控对象的数学模型即可获得较好的控制性能。

　　因此,采用模糊自整定PID控制算法能够兼具传统PID控制和模糊控制的优势[2, 6-7]。为满足核酸扩增反应温度跟踪迅速、高精度以及均一性的控制要求,系统采用空气加热方式实现核酸扩增反应的热循环控制,研制了一种结构如图2所示的环形、绝热性能良好的PCR反应室作为控制对象。根据图1所示的给定温度-时间模式曲线,采用常规PID控制算法对反应温度进行了跟踪控制,升降温速度均达到4℃/s,最大超调量为3℃,稳态精度为±0·5℃,基本满足设计要求,但由于被控对象热惯性参数具有时变性,而PID参数保持不变,因此常规PID控制算法不能严格保证各温控循环周期之间反应温度的重复性,甚至出现超调量和稳态精度指标恶化的情况。为此将模糊推理与常规PID控制相结合,采用模糊自整定PID控制方法实现PCR温度跟踪控制。

　　1　模糊PID核酸扩增温度跟踪控制系统的构成和原理

　　采用的模糊自整定PID温度跟踪控制系统如图3所示,热电阻温度传感器把温度信号反馈到输入端,和期望温度R比较,产生偏差e和偏差变化率Δe信号,模糊推理机据此进行模糊推理,根据不同工况动态地改变PID控制器的3个参数Kp、Ki、Kd,再由PID控制器产生加热、致冷控制信号,对PCR反应室进行控温。PID控制器分别采用模拟电压位置控制和脉冲增量控制两种方式,进行加热器输出功率移相触发控制和通风阀门开度控制。