线性自抗扰控制器在PCR仪温控系统中的应用.pdf

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1、第4期邵磊等．线性自抗扰控制器在PCR仪温控系统中的应用357线性自抗扰控制器在PCR仪温控系统中的应用邵磊何涛李季刘宏利韩雪(天津理工大学自动化学院天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室)摘要实时荧光聚合酶链反应(PCR)仪在扩增基因检测过程中，外界干扰对反应温度的细微变化容易影响测试结果，针对该要求设计一种线性自抗扰控制器，通过实时估计温度变换中的各种内外扰动，采用特殊的线性反馈机构给予补偿，减少过程中受到扰动的影响。关键词自抗扰控制器PCR仪扰动补偿中图分类号TH862+．6文献标识码A文章编号1000．3932(2017)04-0357-05实时荧光聚合

2、酶链反应(PCR)是一种体外核酸扩增技术，将所要研究的目的基因或某一DNA片段于数小时内扩增至百万倍，使肉眼能直接观察和判断。PCR扩增温度控制系统是基因检测的一个关键控制环节，超出预定温度的变化范围都可能致使试验结果出现差别，不仅对温度控制的精确度和响应速度有较高要求，而且对试验过程中的不确定内外扰动有很强的抗扰作用。试验中，如果退火阶段受到干扰，可能出现退火温度过高，降低扩增效率；如果高温变性阶段受到干扰，极有可能出现假阴性情况。因此，温度控制中的干扰是亟待解决的问题¨’21。韩京清提出的自抗扰控制(ActiveDisturbanceRejectionCon

3、trol，AD．RC)技术是一种基于扩张状态观测器的新型实用的非线性控制技术，该技术是由PID控制器演变过来的，并采取了PID误差反馈控制的核心理念，同时将系统中的未建模部分(内扰)和影响输出的外部扰动(外扰)统合为系统的总扰动，并视为系统的扩张状态，通过观测器来估计总扰动并实时调整控制量，从而消除扰动对输出的影响¨’41。但这种自抗扰算法调节参数过多且过程比较繁琐，为了解决这一问题，ZhengQ等将线性化和带宽概念引入ADRC，提出了线性自抗扰控制，并论证了线性扩张状态观测器(ESO)的收敛性和线性自抗扰控制器(LADRC)的稳定性，令控制器带宽和观测器带宽成

4、比例，这样需要整定的参数变得很少，便于工程实现和调整"。1。笔者将LADRC运用到PCR仪的温度控制中，首先分析PCR仪温度变换中各阶段温度的控制范围与受外界于扰的影响，设计线性二阶自抗扰控制器，采用线性观测器将内外扰动归为总扰动并予以补偿，并实时调整输出量，减少干扰对试验的影响，同时与经典PID控制器进行比较，验证该控制器处理内外干扰问题的优势。1PCR仪温度控制1．1PCR温度变换过程PCR仪温度变换试验中包括高温变性、低温退火和适温延伸3个阶段。在标准反应中包括3种温度变换，双链DNA在90～95℃变性，再迅速冷却至40一60。C，引物退火并结合到靶序列上

5、，然后快速升温至70—75℃，在TaqDNA聚合酶的作用下，使引物链沿模板延伸。达不到变性温度就不会产生单链DNA模板，PCR也就不会启动。变性温度低则变性不完全，DNA双链会很快复性，因而减少产量。但温度不能过高，因为高温环境对酶的活性有影响，在此步骤如果不能使靶基因模板或PCR产物完全变性，就会导致PCR反应失败，一般DNA变性温度在90～95℃范围内选取，样品一旦达到此温度宜迅速冷却到退火温度。基金项目：天津市科委科技重大专项与工程(15ZXZNGX00140)；天津市应用基础与前沿技术研究计划项目(16JCTPJC49400)。作者简介：邵磊(1973-

6、)，副教授，研究方向为物联网监控系统、机器人视觉识别系统和激光多普勒动态测量系统。联系人：何涛(1991-)，硕士研究生，研究方向为物联网和自主机器人，624494473@qq．corn。358化工自动化及仪表第44卷退火温度是影响PCR特异性的较重要因素。变性后温度快速冷却至40～60℃，使引物和模板结合。由于模板DNA比引物复杂得多，引物和模板之间的碰撞结合机会远高于模板互补链之间的碰撞。温度高特异性强，但过高则引物不能与模板牢固结合，DNA扩增效率下降；温度低产量高，但过低会造成引物与模板错配，非特异性产物增加。引物延伸温度的选择取决于TaqDNA聚合酶的

7、最适温度，一般取70—75℃，在72。C时酶催化核苷酸的标准速率每秒可达35～100个。过高的延伸温度不利于引物和模板的结合¨1。1．2温度控制算法PCR检测方法对反应过程的温度控制有着极高的要求"o。目前，国内外在PCR仪中使用的温度控制算法有直接数字控制(DDC)、先进PID控制、预测控制以及模糊控制(Fuzzy)等。这些方法在控制精度和动态响应变化上也在逐渐改进驱于成熟，但由于负载的发热功率、风道气流、加热腔体吸放热与加热腔内部存在不确定的干扰因素，再加上环境温度的影响，会造成某些不确定的内外扰动，因此对控制方法提出了更高的要求。采用LADRC技术，在保证

8、控制精度要求和响应速度的