（农业电气化与自动化专业论文）温度pcr仪的研究.pdf

摘要 生命科学仪器的发展为生命科学提供了有效工具和强有力的研究手段。使其从细 胞水平上的研究飞跃发展到分子层次上的深入研究。离开这些现代化生命科学仪器的 支撑，许多重大的研究项目和工程都将举步维艰。 p c r 仪器是一种应用广泛、十分重要的生命科学仪器。广泛应用在生命科学研究、 生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等各个领域中作为基因扩 增分析的首选仪器设备。 本课题采用半导体制冷器作为p c r 仪的加热制冷元件，对半导体制冷器的工作原理 进行分析，根据其工作原理确定系统的总体设计方案。但是，由于p c r 加热腔内部的 温度存在非线性和不确定的因素，再加上外界的干扰，对控制方法提出了更高的要求。 为此，本文设计了一种f u z z y p i d 控制方法，根据加热腔实际的温度，通过模糊规 则进行推理和决策，在线整定p i d 控制器的3 个参数，实现对加热腔的温度控制；设 计并制作p c r 温度控制仪的硬件电路，包括温度采样电路、半导体驱动电路、单片机 系统、显示电路等；设计p c r 仪单片机软件程序。 关键词：p c r 反应仪；p i d ；模糊控制；f u z z y p i d ；半导体； d e v e l o p m e n to fp o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ( p c r ) a u t h o r ：z h a n gs i l s u p e r v i s o r ：z h a n gs h u g u a n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n a b s t r a c t d e v e l o p m e n t so fl i f es c i e n c ei n s t r u m e n t sh a v ep r o v i d e de f f e c t i v em e a n sf o rl i f e s c i e n c e i ti m p r o v e dt h el i f es c i e n c er e s e a r c h i n gf r o mt h ec e lll e v e lt om o r ed e e p l y l e v e l ，t h em o l e c u l a rl e v e l w i t h o u tt h e s el i f es c i e n c ei n s t r u m e n t s ，l o t so fg r e a tr e s e a r c h p r o j e c t sw i l lb ev e r yd i f f i c u l tb e i n gc a r r i e do u t p c ri sa ni m p o r t a n ta n dw i d e l yu s e dl i f es c i e n c ei n s t r u m e n t i ti sw i d e l yu s e di n b i o c h e m i c a la n a l y s i s ，c l i n i c a ld i a g n o s i s ，p h a r m a c e u t i c a la n a l y s i s ，f o r e n s i ci d e n t i f y i n g ，f a s t t e s to fe p i d e m i cs i t u a t i o na n ds oo n i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o do fp r o d u c i n gc o o l e d g a sb ys e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n e q u i p m e n tw a sp r o p o s e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fs e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n i s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，t h es y s t e ms c h e m a t i ci sp u tf o r w a r d t h e h e a t e dc a v i t yo fp c rs y s t e mi san o n l i n e a rs y s t e mw i t hu n c e r t a i n t y , a n di ti se a s i l yt ob e i n t e r f e r e d s oi tn e e d st h ec o n t r o l l e rh a v i n gag o o dp e r f o r m a n c e f o rt h e s er e a s o n san e w m z z y _ 一p i dc o n t r o l l e ri sp r o p o s e di n t h i st h e s i s b ys e t t i n gt h et h r e ep a r a m e t e r sk p ，k i ， k do nl i n ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ff u z z yr e a s o n i n ga n dd e c i s i o n m a k i n g ，t h en e wf u z z y p i dc o n t r o l l e rh a sb e t t e rr e s p o n s er a t ea n ds t a b i l i t yp r o p e r t yt h a nt h eg e n e r a lp i d c o n t r o l l e r t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h ec o n t r o l l e rg e t st h eg o o dr e s u l t t h ec i r c u i t so f p c ra r e p r e s e n t e di nt h e s i s ，i n c l u d i n gt e m p e r a t u r es a m p l i n g ，d r i v i n g c i r c u i to f s e m i c o n d u c t o r , m c us y s t e m ，d i s p l a yc i r c u i te t c t h ep r o g r a mf o rp c ri sd e s i g n e da n d p r e s e n t e d k e y w o r d ：p c ri n s t r u m e n t a t i o n ；p i d ；f u z z yc o n t r o l ；f u z z y p i d ：s e m i c o n d u c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇堡盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：劲喙 签字日期：汐孑年月留日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑i 堡盔些盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑皇垦盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：匆嫁 导师签名：纭哆磁 签字日期： 汐荔年占月 日 签字日期： 昭年6 月了日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 温度p c r 仪的研究 1 引言 1 1 聚合酶链式反应( p c r 反应) 简介 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来 的一种体外核酸( d n a ) 扩增技术。此前，d n a 扩增一般采用分子克隆法：将含有目的 基因的载体导入细胞进行扩增，并需要用探针进行筛选，涉及到d n a 酶切、连接、转 化、培养及探针杂交等技术。分子克隆法不但操作时间长，并且难度大，不利于普及。 而p c r 技术具有特异、敏感、产率高、快速、简便、重复性好、易自动化等突出优点； 能在一个试管内将所要研究的目的基因或某一d n a 片段于数小时内扩增至十万乃至 百万倍，使肉眼能直接观察和y - 0 断：可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出 足量的d n a 供分析研究和检测鉴定。以前需几天时间才能做到的事情，用p c r 技术几 小时便可完成。 1 1 1 聚合酶链式反应( p o r 反应) 的发展1 2 1 聚合酶链反应或多聚酶链反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) ，又称无细胞 克隆技术( “f r e eb a c t e r i a ”c l o n i n gt e c h n i q u e ) ，是一种对特定的d n a 片段在体 外进行快速扩增的新方法。该方法一改传统分子克隆技术的模式，不通过活细胞，操 作简便，在数小时内可使几个拷贝的模板序列甚至一个d n a 分子扩增1 0 7 1 0 8 倍，大 大提高了d n a 的得率。因此，现已广泛应用到分子生物学研究的各个领域。核酸体外 扩增最早的设想由k h o r a n a 及其同事于1 9 7 1 年提出：“经过d n a 变性，与合适引物杂 交，用d n a 聚合酶延伸引物，并不断重视该过程便可克隆t r n a 基因”。但由于当时很 难进行测序和合成寡核甘酸引物，且当时( 1 9 7 0 年) s m i t h 等发现了d n a 限制性内切酶， 使体外克隆基因成为可能，所以，使k h o r a n a 等的早期设想被人们遗忘。直到1 9 8 5 年，美国p e 弋e t u s 公司的人类遗传研究室m u l l i s 等人发明了具有划时代意义的聚 合酶链反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) ，使人们梦寐以求的体外无限扩增核 酸片段的愿望成为现实。其原理类似于d n a 的体内复制，只是在试管中给d n a 的体外 合成提供一种合适条件。开始是使用大肠杆菌d n a 聚合酶k l e n o w 片段来扩增人基因 组中的特异片段。但是，d n a 聚合酶在高温时会失活，因此，每次加热变性d n a 后都 要重新补加k l e n o w 酶，不仅操作烦琐，而且价格昂贵，制约了p c r 技术的应用和发 展。1 9 8 8 年g r l i c h 发现耐热d n a 聚合酶叫a q 酶对于p c r 的应用有里程碑的意义， 该酶可以耐受9 0 以上的高温而不失活，不需要每个循环加酶，使p c r 技术变得非 常简捷、同时也大大降低了成本，继而p e - - c e t u s 公司推出了第一台p c r 热循环仪， 使该技术的自动化成为现实。p c r 技术得以大量应用，并逐步应用于临床。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 1 1 2p o r 反应的原理 d n a 的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链d n a 在多种酶的作用下可 以变性解链成单链，在d n a 聚合酶与启动子的参与下，根据碱基互补配对原则复制成 同样的两分子挎贝。在实验中发现，d n a 在高温时也可以发生变性解链，当温度降低 后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制d n a 的变性和复性，并设计引物做 启动子，加入d n a 聚合酶、d n t p 就可以完成特定的体外复制。 标准的p c r 过程分为三步： 1 d n a 变性( 9 0 一9 6 ) ：双链d n a 模板在热作用下，氢键断裂，形成单链d n a 。 2 退火( 2 5 一6 5 ) ：系统温度降低，引物与d n a 模板结合，形成局部双链。 3 延伸( 7 0 一7 5 ) ：在t a q 酶( 在7 2 左右最佳的活性) 的作用下，以d n t p 为原料， 从引物的5 端0 3 端延伸，合成与模板互补的d n a 链。每一循环经过变性、退火 和延伸，d n a 含量即增加一倍。如图1 所示： 2 图1p o r 反应 f i g 1p c rr e a c t i o n 温度p c r 仪的研究 图2 显示的是p c r 扩增温度循环曲线 p 赵 珂 暮i 蓦 旨 蜒 1 0 0 1 1 3p c r 反应的相关技术 3 0 5 0 9 0 加热时间车t s 图2p c r 扩增温度循环曲线 f i g 2 p c rc u w co f t e m p e r a t u r ec y c l e p c r 反应系统包括含有目的基因或序列的d n a 模板，对热稳定的d n a 聚合酶，一 对脱氧寡核苷酸引物、d n a 合成所需要的4 种脱氧核苷三磷酸以及保证聚合酶催化反 应的m 9 2 + 及缓冲液等。人工合成引物的序列设计是p c r 成功的关键，一般两条引物 的序列反应分别与欲获得的双链d n a 两条链3 端的序列互补。先升高温度使模板d n a 变性、双链分开；再降低温度退火使引物与模板d n a 配对互补结合；然后升温到聚合 酶反应适宜的温度，此时在聚合酶催化下，从引物3 羟基端开始，与模板d n a 上的 碱基配对逐个加上核苷酸，合成新的d n a 链。其后再按高温变性、低温退火、适温合 成三步反复循环，新合成的d n a 在下一循环中又作为模板使用，每循环一次，合成的 目的序列扩增一倍，而且很快扩增的序列主要限制在所设计的一对引物规定的模板序 列范围内，一般循环3 0 4 0 次，按理论计算，目的序列可扩增3 0 _ 2 4 0 倍，而实际上 由于底物和引物的消耗，酶的失活等因素，产物量并不是始终以指数增加的，但通常 实验获得目的序列1 0 6 - 1 0 8 倍的扩增产物并不困难，因而p c r 具有很高的灵敏度，由 于引物与模板的配对互补结合的特异性，因而p c r 也具有高度的特异性。所以可以方 便地用p c r 在成千上万的基因序列中获得只有极微含量的特定目的基因或序列，p c r 获得的目的序列产物连接在适当的载体上，转化受体细胞，经筛选就能得到目的序列 的克隆。现在p c r 技术还在不断发展，已知部分序列或未知序列的基因有的也能设计 p c r 来扩增和克隆，模板核酸可用双链d n a ，单链d n a ，甚至r n a 。多重p c r 技术可以 在一个体系中同时扩增多个d n a 片段；荧光定量p c r 可以对扩增过程实时监测，实现 定量扩增；还有原位p c r ，反向p c r 等，相应用途和主要特点见表1 。 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 表1 聚合酶链式反应相关技术 t a b 1p c r t e c h n o l o g y 名称主曼用途 简并j 【物扩增法 巢居p c r 多重p c r 反向p c r 单一特异引物p c r 单侧引物p c r 锚定p c r 增效p c r 同着p c r 膜结合p c r 表达盒p c r 连接介导p c r l 认c e - p c r 定量p c r 原位p c r 臆断p c r 通用引物p c r 信使扩增表型分型( m a p p i n g ) 扩增未知基凼片段 提高p c r 敏感性、特异性，分析突变 同时检测多个突变或病原 扩增己知序列两侧的未知序列，致 产物突变 扩增未知基因组d n a 通过己知序列扩增未知c d n a 分析具备不同末端的序列 减少引物二聚体，提高p c r 特异性 有利于产物的分离 去除污染的杂质或p c r 产物残留 产生合成或突变蛋白质的d n a 片段 d n a 甲基化分析、突变和克隆等 扩增c d n a 末端 定量m r n a 或染色体基因 研究表达基因的细胞比例等 鉴定细菌或遗传作用 扩增相关基因或检测相关病原 同时分析少量细胞的m r n a 1 1 4p c r 反应的应用 p c r 技术应用十分广泛。初步统计汇总如表2 所示。2 0 0 3 年爆发的s a r s 疫病， 人们能很快地查清它的基因序列结构，就是得力于p c r 技术的采用口1 。 1 2 温度p c r 仪国内外研究现状及研究意义 国内外科研单位对于p c r 扩增仪进行了较为广泛的研究。国外的权威机构，美 国著名的p e 公司，率先在2 0 世纪8 0 年代末开发了自动p c r 扩增仪，技术目臻成 熟，国内也有相应的产品问世。目前，p c r 仪器生产厂家国外居多，比较有代表性的 是：瑞士罗氏公司，美国m j 公司，美国应用生物工程公司( a b i ) ；国内已经有产品 上市并获得认证的仅有极少数厂家，如杭州大和。 从功能上看，p c r 仪器基本功能应包括扩增和分析功能，这一点国内外的主流产 品都能做到，差别在于扩增与分析能否同时进行、一次实验时间长短、一次测试样品 数量( 通量) 和定量析的精度。其余是便于用户使用的附加功能，例如，仪器自检、 通道选择、荧光信号放大倍率调节、循环参数设定方式等。国外著名p c r 产品都具有 这些功能。 4 温度p c r 仪的研究 表2p g r 技术的应用 t a b 2t h eu s i n go fp c r 领域应用范廿i 举例 研究 诊断 基凶克隆；d m a 测序；分桥突变：基因重组与融合；鉴定与调控蛋白质结合的d n a 序列； 转座予插入位点的绘图；检测基凼的修饰；合成基凶的构建；构建克隆或表达载体；检测 某基凶的内切酶多态性。 细菌( 螺旋体、支原体、衣原体、分枝杆菌、立克次氏体、白喉杆菌、致病大肠杆菌、痢 疾杆菌、嗜水气单胞茵和艰难梭菌等) ；病毒( s a r s 、h t l v 、h i v 、h b v 、t t c v 、h p v s 、e v 、 c m v 、e b v 、h s v ，麻疹病毒、轮状病毒、细小病毒b 1 9 和拉萨病毒等) ；寄生虫( 疟疾等) ， 人遗传病( l e s hn y h a n 综合症、地贫、m 友病、b m d 、d m d 、囊性纤维化等) 免疫学 h l a 分型：t 细胞受体或抗体多样化的定性：自身免疫病基因作图；淋巴因子定量 人类基因用散布重复序列产生d n a 标志：遗传图语酌构建( 检测d n a 、多态性或精子绘图) ：物力 组工程图谱的构建：测序；表达图谱 法医犯罪现场标本分析；h l a d q 分型；亲子鉴定 肿瘤 胰腺癌、结肠癌、肺癌、甲状腺癌、黑色素瘤、血液恶性肿瘤 组织和群体生 遗传聚类研究；进化研究；动物保护研究；生态学；环境科学；实验遗传学 物学 从性能指标上看，主要有温度控制指标和荧光检测系统指标两大类。温度控制指 标包括：控温范围、升降温速度和控温精度。控温范围一般在环境温度到1 0 0 * c 摄氏 度之间，采用制冷措施后温度下限可以低于环境温度。升降温速度最大可达2 0 。c s 。 表3 列出了国内外几家公司p c r 仪器的性能指标。 由表3 可知，国内现有p c r 仪器的控温精度和检测灵敏度都要低于国外主要厂家 p c r 仪器的指标。 由于进e lp c r 仪价格昂贵，国内高档p c r 仪基本没有。国内大多数单位还在使用 笨重、费时的梯度水浴式p c r 仪器。仅有少数有实力的大公司、大企业和国家大型或 重点试验单位才可能购买进e l 仪器。因此，研制丌发适合国情、功能比较齐全、性能 比较优良、性价比高，能为我国广大中小用户所接受的p c r 仪器，对促进我国生命科 学仪器的发展和其他研究领域的应用具有现实和深远的意义。 表3 性能指标 t a b 3p e r f o r m a n c ei n d e x 5 河北农业大学硕十学位( 毕业) 论文 1 3 课题主要研究内容 鉴于国内大多数单位还在使用笨重、费时的梯度水浴式p c r 仪器。且升降温速度、精 度等指标都低于国外水平。本课题主要工作包括以下几个部分： ( 1 ) 采用半导体制冷器作为p c r 仪的加热制冷元件，对半导体制冷器的工作原理进行 分析，根据其工作原理确定系统的总体设计方案； ( 2 ) 为了提高升降温速度及精度采用模糊p i d 算法代替传统的p i d 控制； ( 3 ) 设计并制作p c r 温度控制仪的硬件电路，包括温度采样电路、半导体驱动电路、 单片机系统等； ( 4 ) 设计p c r 仪单片机软件程序。 6 温度p c r 仪的研究 2 1 p c r 仪结构 p c r 仪结构如图3 所示 温度传感 2 温度p c r 仪系统总体方案设计 风扇 霾殇霞荔篓疡鬓殇鬓疡鬓 隧钰 兹 -il 、”v 小、o 、_ 、卜、”o 、v 、 、n _ 、v j 、? o 彩一 e 习囊 图3p c r 结构图 f i g 3p c r s t r u c t u r eg r a p h 冷片 7 河北农业人学硕十学位( 毕业) 论文 2 2 半导体加热制冷工作原理 半导体制冷( t h e r m o e l e c t r i cc o o l e r ，简写t e c ) 也称温差电制冷，其原理主 要是利用了帕尔帖元件的帕尔帖效应。 帕尔帖效应：当电流i 通过由两种不同材料组合成的闭合回路时，在材料的接头 处一端会吸收热量繇，另一端会放出热量q 。这种吸收或放出的热量叫做帕尔帖热， 其大小由公式2 1 决定，吸热或放热由电流的方向决定h 1 。 q p = 兀i ( 2 1 ) 其中刀为帕尔帖系数，与温差电动势率有关，3 l = ( q 。一q ：) t ，q 、q ：为组成 回路两种材料的温差电动势率，丁为相关接头的温度。 实际上，帕尔帖元件在工作时除了产生帕尔帖效应外，还会产生四种效应，即： 赛贝克效应、焦耳效应、汤姆逊效应和傅立叶效应。因此，帕尔帖元件的制冷量应该 是这五种效应混合作用的结果。在这五种效应中，汤姆逊效应和傅立叶效应的影响比 较微弱，可以忽略不计晴3 。在这里我们只考虑帕尔帖效应、焦耳效应，另外还有热传 导的影响。 焦耳效应产生的热量 1 q = 二，2 r ( 2 - 2 ) 1 2 月为半导体制冷器的电阻。 从热端到冷端的传导热 q c = k ( 正一乏) ( 2 3 ) 其中，为半导体制冷器的导热率，乃、乃为半导体制冷器热端和冷端的温度。 所以帕尔帖元件吸收或放出的热量分别为 1 鲰= 加i - z ，、1 2 r - k ( r , 一正) ( 2 4 ) 二 1 q a = 兀，+ 去，2 r - x ( r , 一瓦) ( 2 5 ) 二 单片帕尔帖元件吸收或放出的热量是有限的，在实际应用中，通常是把许多帕尔帖元 件级联起来，这样就制成了半导体制冷器。图4 为帕尔帖元件及其串并联结构示意图 6 - - 7 8 a ) 帕尔帖冗料结构匀；盔掰 e ( j ) + k de e ( k ) - p ( k - o ( 3 5 ) 式中：t ：采样周期 k ：采样序号 u ：第七次采样时刻计算机的输出值 e ：第k 次采样时刻输入的偏差值 k ，：三积分常数 k i ，：竺垂微分常数 根据z 变换性质： z p ( k - 1 ) - - z 。1 e ( z ) z 和) ：等 娟 j - 0 1 一厶 上式变换为： u ( z ) = k p e ( z ) + 簧+ ) - z - e ( z ) ( 3 - 7 ) 可得到数字p i d 控制器的z 传递函数为： g ( z ) = 鬻喝+ 南刚刮 净8 ， 1 4 温度p c r 仪的研究 为图9 ： 图9 数字p i d 控制原理框图 f i g 9 d i g i t a lp i dc o n t r o lp r i n c i p l eg r a p h 3 1 4 位置式pid 控制原理 在数字计算机中，p i d 控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。如下式( 3 9 ) 所示： 甜( 七) ：k p + 吾圭p ( f ) + 型孚业l 9 ) l 1 it = o 1 j 其中，k ：采样序号，k = 0 ，1 ，2 ； u ( k ) ：第k 次采样时刻的计算机输出值； e ( k ) ：第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k 一1 ) ：第k - 1 次采样时刻输入的偏差值； t ：采样周期。 由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构( 如阀门) ，u ( k ) 的值和执行机构的 位置( 如阀门开度) 是一一对应的，所以，式( 3 9 ) 被称为位置式p i d 控制算式。 这种算法的缺点是，由于全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对 e ( k ) 进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u ( k ) 对应的是执行 机构的实际位置，如计算机出现故障，u ( k ) 的大幅度变化，会引起执行机构位置的大 幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生 产事故，因而产生了增量式p i d 控制算法。 3 1 5 增量式pid 控制原理 所谓增量式p i d 是指数字控制器的输出只是控制量的增量u ( k ) 。当执行机构需 要的是控制量的增量时，根据递推原理，由式( 3 - 9 ) 可得： 1 5 河北农业火学硕士学位( 毕业) 论文 ( k - 1 ) u ( k - 1 ：k ，k 一1 ) + 手芝p ( 吵易坐掣l ( 3 _ 1 0 ) = ，ip ( 尼一1 ) + 争p ( 吵易竺二字羔兰l ( 3 _ 1 0 l 1 ，t = o 1 j ( 3 - 9 ) 与( 3 - 1 0 ) 两式相减，导出提供增量的p i d 控制算式： r t 1 “( 豇) = k ， p ( 七) 一e ( 七一1 ) + 亍1p ( 七) + p ( 尼) 一2 p ( 七一1 ) + p ( 觅一2 ) ( 3 - 1 1 ) l，j ， 可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期t ，一旦确定了k p ，t ；，t j 只要使用前三次测量值的偏差，即可由式( 3 - 1 1 ) 求出控制增量。 采用增量式算法时，计算机输出的控制增量au ( k ) 对应的是本次执行机构位置 ( 例如阀门开度) 的增量。 p i d 控制中的一个关键问题是p i d 参数整定，p i d 的发展过程，很大程度上是它 的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。传统的整定方法是在获得控制对象数 学模型的基础上按照某种整定原则进行p i d 参数整定，而实际的生产过程往往具有非 线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型等情况。因此，常规p i d 控制器参数 常常整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。经过5 0 多年的研究，人们在实 践中不断总结经验，不断改进，在参数整定方面取得了很多成果。出现了诸如自校正 p i d ，预估p i d 、模糊p i d 、神经网络p i d 和非线性p i d 等改进型的控制器。下面来较 为详细的介绍模糊p i d 控制，首先介绍模糊控制原理。 3 2 模糊控制 传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器 的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上，但是在实际工业生产中， 很多系统的影响因素很多，十分复杂，建立精确的数学模型特别困难，甚至不可能的。 这种情况下，人们期望有一种不依赖于数学模型的控制方法，模糊控制方法就应运而 生了。 3 2 1 模糊控制概述 模糊控制是以模糊集合、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种控制方式。 它模仿人的思维通过把精确量模糊化，通过模糊推理，然后经过清晰化处理得到控制 量。模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授l a z a d e n 在1 9 6 5 年首先提 出的引，经过4 0 多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制是一种基于规 则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专 家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策 略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科 领域相互渗透、理论性很强的科学技术，实现这种模糊控制技术的理论，称为模糊控 1 6 温度p c r 仪的研究 制理论幢0 。模糊控制理论诞生后，由于它具有明显的优点，主要反映在对复杂的、机 理不明的控制系统，它模仿和升华了人的控制经验与策略，干扰和参数变化对控制效 果的影响被大大减弱，因此，与经典的控制方法相比，更有工程意义。 模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性 和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。从 线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性 来看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它现在己成为目前实现智能控制的一种重 要而有效的形式。 3 2 2 模糊控制系统 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为 理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系 统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制系统组成框图如图1 0 所示 乜。由图可知，模糊控制系统和常见的负反馈控制系统很相似，唯一不同之处是模糊 控制装置是由模糊控制器来实现。模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出( i o ) 接口、执行机构、被控对象和测量装置等五部分组成。 图1 0 模糊控制系统组成框图 f i g 1 0s c h e m a t i cd i a g r a m o f f u z z yc o n t r o ls y s t e m 模糊控制系统的被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量的、有滞后或 无滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强耦合和干扰等 多种情况。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。 执行机构除了电气的，如各类交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机等以外， 还有气动的和液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。 在实际系统中，由于多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量。因此， 模糊控制系统与通常的全数字控制系统或混合控制系统一样，必须具有模数( a d ) 、 数模( d a ) 转换单元。 测量装置是将被控对象的各种非电量，如流量、温度、压力、速度、浓度等转换 为电信号的一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器、检测元件或传感器等组 成。它在模糊控制系统中占有十分重要的地位，其精度往往直接影响整个系统的性能 指标，因此要求其精度高、可靠且稳定性好。 1 7 河北农业大学硕十学位( 毕业) 论文 3 2 3 模糊控制器结构 模糊控制器是控制系统中的核心部分，其功能的实现是要先把计算机观测控制过 程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制 规则进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经模糊判决得出输出控 制的精确量，作用于被控对象。使被控过程达到预期的效果。因此，模糊控制器的结 构通常是由它的输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部 分组成。一般常用的是二维模糊控制器，即以偏差和偏差变化率作为输入，如图1 1 所示心引。 模糊控制器 e 广一一一一一一一一一 。i ：7 ei e il e - r 梦d 。d 。 _ l -模糊 模糊 u u 控制 y - l - l 鳊樊对象 化 e c 推理 l l ii l i 图1 1 模糊控制器的基本结构框图 f i g l1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff u z z yc o n t r o l l e r 图中，x 为设定值，y 为输出量，e 和ae 分别为控制偏差和偏差变化率，e 和e c 分别e 和ae 经过输入量化后的语言变量，u 为基本模糊控制器语言变化变量，u 为 经过输出量化以后的实际输出值。由此可见，模糊控制器实质上是反映输入语言变量 与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构，其工作过程可概括为下述 几个步骤2 3 刮： ( 1 ) 输入量的模糊化。模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输 出的求解，模糊化的主要作用是将输入量规范化后的确定量转换成一个模糊矢量。即 将偏差e 和偏差变化率e 的精确值转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。 ( 2 ) 模糊推理。其主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工控制策略取得的 语言控制规则进行模糊推理，并决策出模糊输出控制量。模糊控制器的控制规则是基 于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表 示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如i f - t h e n 、o r 、a l s o 、a n d 等， 关系词必须经过“翻译”，才能将模糊控制规则数值化。模糊推理是控制器中根据输 入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的 功能部分。在模糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。 ( 3 ) 模糊判决。其主要功能是对经模糊推理决策后得到的模糊控制量进行判决， 把输出模糊量转化为精确的控制量施于被控对象。即输出量的非模糊化( 解模糊化) 。 1 8 温度p c r 仪的研究 模糊推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获得的 结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的 控制量输出2 5 6 j 。 综上所述，模糊控制器是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种 语言控制器；模糊糊控制器不依赖被控对象的精确数学模型，可以用于控制那些系统 模型无法确定的系统；控制器抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较 强的鲁棒性。模糊控制器实际上就是一个微机系统，它的绝大部分功能都是由计算机 程序来完成的，随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组单元的 软件。 尽管模糊集理论的提出至今只有4 0 年，却得到了极大的发展，关于模糊理论和 算法、模糊推理、工业控制应用、模糊硬件与集成、以及稳定性研究等方面的许多重 要论文都极大地促进了模糊控制理论的应用与发展。最近几年，对于经典模糊控制系 统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控 制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数( 或规则) 自调整模糊系统方面的研 究，尤其受到重视。目前模糊控制技术日趋成熟和完善。模糊控制在化工、机械、冶 金、工业窑炉、水处理、食品生产、家电产品等诸多领域中得到应用。 虽然模糊控制器存在诸多优点，但其本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以 达到较高的控制精度。而p i d 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术 与p i d 技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例陋7 啦3 。 3 2 4 模糊pid 控制 尽管常规p i d 控制器是过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器，然而常规 p i d 控制器不能在线整定参数，并且常规p i d 控制器对于非线性、时变得复杂系统和 模型不清楚的系统就不能很好的控制，其p i d 参数不是整定非常困难就是根本无法整 定，因而不能得到预期的效果。常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入 变量，因此，一般认为这种控制器具有模糊比例和微分控制作用，而缺少模糊积分控 制作用，因而在模糊的控制系统中又很难完全消除稳态误差，而且在变量分级不够多 的情况下，常常在平衡点附近有小的振荡现象，难以达到较高的控制精度，而p i d 控制正好可以弥补其不足。但模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统却能进行简单 而有效的控制。如果把这两种方法结合起来，就可以构成兼有这两者优点的模糊p i d 控制器啪1 。 模糊p i d 控制是在一般p i d 控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利 用模糊控制规则在线对p i d 参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e 和误差 变化e 。作为输入，可以满足不同时刻的e 和e 。对参数自整定的要求。它将模糊控制 和p i d 控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又 具有p i d 控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效 果。 1 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 3 3 方案可行性研究 自7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术 的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅 速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、 德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器 仪表，并在各行业得到广泛应用。至于p c r 温度控制系统的研究，国内外也作了很多 工作，在测温元件的选取，控制方法和加热致冷装置等方面做出了不同的尝试，给这 方面研究工作提供了许多宝贵经验旧卜3 2 1 。 其中控制方法是温控系统的核心。最常用的控制方法是p i d 控制。p i d 控制是传 统的工业控制方式，它具有直观、易于实现、鲁棒性能好等一系列优点，在大多数情 况下可以满足性能要求，在现有的控制方案中，p i d 控制占了8 0 以上。p i d 控制中 的一个关键问题是p i d 参数整定，经过5 0 多年的研究，人们在实践中不断总结经验， 不断改进，在参数整定方面取得了很多成果。模糊p i d 控制器将模糊控制和p i d 控制 器两者结合起来，既具控制灵活而适应性强的优点，又具有控制精度高的特点，对复 杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。目前世界上已研制出各种专用硬 件模糊控制器( 模糊芯片) ，进入9 0 年代以来，美、日、德等国家和我国也己研制开 发了各种模糊控制的软件开发工具口3 | 。另外，由于单片机用作模糊控制器，结构简 单、操作方便，应用广泛，系统采用了单片机作为模糊控制器。 系统采用半导体致冷器作为执行元件。半导体制冷又称热电制冷，根据热电效应 技术的特点，当致冷器有电流流过时，在它的两个面上将分别产生吸热和放热现象。 并且电流流向相反时，吸热面和放热面也相反。因此只要控制流过致冷器电流的大小 和方向，就能对p c r 进行致冷或加热，从而控制p c r 仪器的工作温度4 嵋朝。半导体致 冷器特别适用于有限空间的致冷或加热。从而减小了p c r 仪的质量和体积 综上所述，模糊p i d 控制器根据温度与设定温度之间的偏差计算出数字控制量， 经d a 转换后驱动致冷器对被控对象进行加热或制冷，达到温度控制的目的，此方案 是切实可行的。 3 4p c r 仪的模糊p i d 控制 系统的模糊控制框图如图1 2 2 0 图1 2p e r 仪模糊控制框图 f i g 12f u z z y c o n t r o li np c r i n s t r u m e n t 温度p c r 仪的研究 温度检测电路把温度信号送回输入端和给定温度t ，比较再产生偏差、偏差变化率信 号，模糊控制器据此进行推理从而产生控制加热致冷信号，对腔体进行控温，采用开关 控制方式，进行加热的占空比控制。 3 4 1 物理量的模糊化设计 p c r 仪工作时要求的温度循环方式如下 常温9 4 。c 5 4 c 卜7 2 c 仝 i p c r 仪要求温度循环时，在每一个温度值停留一段时间，比如4 0 s ，并且升降温度速度 要快，3 s 。基于此，考虑温度偏差范围为0 4 ，温度偏差变化率的范围为0 2 ，并在该范围内对其进行模糊化设计m 1 。 根据控制框图可知，进行模糊化的有温度偏差e ，偏差变化率e ，还有控制量u 。 ( 一) 模糊参数的确定 1 温度偏差e 的模糊化 对于给定温度和实际温度的偏差e 定义如下：如果t 。( n ) 表示n 时刻的给定温度， 而用t ( n ) 表示1 3 时刻腔体的实际温度，则有： e = t 。( n ) 一t ( n ) 对于e 取偏差值时以度为单位，它的偏差范围为0 4 。c ，进行模糊化设计，取模 糊量“正大”( p b ) ，“正中”( p m ) ，“正小”( p s ) ，“零”( 0 ) ，“负小”( n s ) ，“负中 ( n m ) ，“负大( n b ) 共七个量，具体数值为： 一2 4 - 4 8 为负大州b ) ； 一0 8 2 4 为负中州m ) ； 一0 4 0 8 为负小州s ) ； 一0 4 0 4 时为零( z e ) ； 0 4 0 8 为正小f p s ) ； 0 8 o 2 4 为正o p ( p m