本發(fā)明涉及自動(dòng)化控制領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜式致病菌核酸提取裝置及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

近年來，食品安全事件頻發(fā)，如法國的李斯特氏菌病事件、美國的沙門細(xì)菌污染事件、香港的禽流感事件以及最近流行的h1n1事件等，食品安全問題已成為不可忽視的世界性問題。為從源頭遏止帶病菌原生食品流入生產(chǎn)，以及從終端把關(guān)即將流入市場(chǎng)的食品，這就迫切需要快速檢測(cè)技術(shù)以及快速檢測(cè)系統(tǒng)，尤其是用于基層檢測(cè)的便攜式快速檢測(cè)系統(tǒng)。在便攜式快速檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展中，一個(gè)較為致命的問題，則是病菌核酸提取裝置難以運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中。現(xiàn)今越來越多的快速檢測(cè)設(shè)備，比如日本榮研化學(xué)研制的實(shí)驗(yàn)室lt-16alpha恒溫?cái)U(kuò)增基因檢測(cè)系統(tǒng)，英國opitigene公司推出的genieii等溫?cái)U(kuò)增熒光檢測(cè)系統(tǒng)，這類檢測(cè)系統(tǒng)沒有病菌前處理功能，只能完成核酸增殖以及核酸檢測(cè)的工作。不具備核酸提取功能的檢測(cè)系統(tǒng)，只能在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行核酸提取，然后再做現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。這就阻礙了現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。

實(shí)驗(yàn)室所用的臺(tái)式核酸提取裝置是大型的自動(dòng)提取裝置，該裝置自動(dòng)化程度高，提取效率高，但是質(zhì)量大，體積大，不具備電池供電動(dòng)能，不適用于現(xiàn)場(chǎng)的病菌核酸提取。為推動(dòng)國內(nèi)便攜式快速檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展，幫助國內(nèi)設(shè)備擠占市場(chǎng)份額，有必要開發(fā)一種操作簡(jiǎn)單、質(zhì)量小，體積小，可電池供電的核酸提取裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地研發(fā)了一種便攜式致病菌提取裝置。

本發(fā)明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種便攜式致病菌核酸提取裝置，該裝置基于磁珠吸附的原理來提取核酸，給致病菌提供適宜的恒高溫水解環(huán)境和洗脫環(huán)境，即可通過裂解、洗滌、洗脫等操作提取核酸，整個(gè)過程不需要儀器離心操作，適用于戶外的核酸提取裝置。再者，該提取裝置質(zhì)量小，體積小，可電池供電，并自行設(shè)計(jì)了提取磁力架，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的核酸提取。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明公開了便攜式致病菌核酸提取裝置的功能單元，其關(guān)鍵在于，包括：供電單元、微控制芯片、恒溫控制單元、人機(jī)交互模塊。

所述系統(tǒng)供電結(jié)構(gòu)如圖1所示，供電單元包括三個(gè)主要的模塊，電池充電模塊給電池充電，電量檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電量，切換模塊通過檢測(cè)是否有適配器接入來選擇供電方式；供電單元的輸出端連接恒溫單元的電源輸入端，供電單元輸出端通過穩(wěn)壓芯片連接主控單元和人機(jī)交互單元的電源輸入端。所述恒溫單元的控制信號(hào)輸入端連接到控制芯片的控制信號(hào)輸出端，恒溫單元的加熱片連接到mosfet的漏極和源極，控制加熱片的加熱與否。所述人機(jī)交互單元包括數(shù)碼管顯示模塊和按鍵顯示模塊，其控制信號(hào)連接到控制芯片的i/o端口。

上述方案的有益效果為：通過上述控制電路能夠?qū)崿F(xiàn)病菌核酸提取，可通過人機(jī)交互單元實(shí)現(xiàn)交互功能。

本發(fā)明還公開一種便攜式致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)以及磁力架的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵在于，包括：隔熱板1、鋁質(zhì)加熱域2、控制電路板4、96孔板固定片6、96孔板7、提手8、彈力固定夾9、耐熱聚丙烯管套10、磁力棒11。

加熱片固定在加熱域2和隔熱板中1的凹槽處，溫度檢測(cè)器固定在在加熱槽的小孔內(nèi)3，96孔板7通過固定片6固定在加熱域上。在96孔板7中加入提取試劑提取病菌核酸。提手8下端安裝固定板，固定板下端安裝用于固定耐熱聚丙烯管套10的彈力固定架9，磁力棒11通過螺紋固定在安裝板上。上訴的核酸提取磁力架探入96孔板內(nèi)，利用磁力吸附小磁珠的方法提取核酸。

上述技術(shù)方案的有益效果為：通過便攜致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)有效的進(jìn)行加熱、設(shè)置、核酸提??；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，攜帶方便。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：隔熱板1的設(shè)計(jì)

所述隔熱板1中有小槽，可固定加熱片，加熱片上可安裝加熱域2。一方面隔熱板1能防止使用者安裝96孔板7時(shí)燙傷，使加熱域的溫度保持恒定。另一方面，隔熱板1將控制電路板4與加熱域2隔離，減少了控制電路板4的干擾。

上述技術(shù)方案的有益效果為：使得恒溫單元和控制電路板更加的穩(wěn)定安全。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：磁力架的設(shè)計(jì)

本發(fā)明設(shè)計(jì)的磁力架是手持型磁力架，包括提手8以及固定聚丙烯管套10的彈力固定夾9，使得用戶能利用磁力架進(jìn)行提取核酸提取，不需要儀器離心操作，適用于戶外的核酸提取裝置。

上述技術(shù)方案的有益效果為：使得核酸提取簡(jiǎn)單易操作。

本發(fā)明還公開一種用于便攜式致病菌核酸提取裝置的檢測(cè)方法，其關(guān)鍵在于，包括：

步驟1，將病菌和小磁珠放入96孔板的第1列和第7列，并加入一定量的裂解液和裂解酶。并將兩列加熱到90℃，用磁力架上下攪拌，裂解致病菌。時(shí)間約15分鐘。

步驟2，在第2-5列和第8-11列加入洗滌液，并用磁力架將帶有裂解核酸的小磁珠依次轉(zhuǎn)移到洗滌列，上下震蕩洗滌。每列洗滌時(shí)間2分鐘。

步驟3，在第6列和第12列加入洗脫溶液，并將兩列的溫度加熱到80℃。再用磁力架將洗滌干凈的帶有裂解核酸的小磁珠放入洗脫列進(jìn)行高溫洗脫，即可得到提純的病菌核酸。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明一種便攜式致病菌核酸提取裝置，將生物技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合，它利用核酸極易吸附在磁珠上的原理，通過病菌裂解、洗滌、洗脫的操作來提取病菌核酸。它的硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，軟件也是采用可移植性較高的c語言編寫，該裝置每次能同時(shí)提取兩種病菌核酸，一種病菌核酸可提取8個(gè)樣本，提高了提取效率。該核酸提取裝置滿足了戶外檢測(cè)的需求，通過與目前市場(chǎng)上相類似產(chǎn)品對(duì)比，本文發(fā)明的提取裝置有以下特點(diǎn)：

輕便性

整個(gè)提取裝置的大小為230mm*200mm*60mm，相比于臺(tái)式的核酸提取裝置，它的體積較小，質(zhì)量小，操作簡(jiǎn)單，便于攜帶。臺(tái)式的致病菌核酸提取裝置必須提供220v的交流電源，并且過于比較笨重，這限制了其只能在實(shí)驗(yàn)室使用，無法完成戶外的核酸提取工作。本發(fā)明使用的電源適配器為9v的直流電源，兩塊串聯(lián)的鋰電池即可滿足它的工作需求，且重量在4kg左右，這使它可以順利的完成戶外的提取工作。

經(jīng)濟(jì)性

從經(jīng)濟(jì)的角度比較本裝置和臺(tái)式的同類型的裝置，可以清晰的得出其優(yōu)越性：同類型的產(chǎn)品中auto-pure系列全自動(dòng)核酸提取儀所需售價(jià)15萬元、genepureplus全自動(dòng)核酸提取純化儀售價(jià)20萬元，匯研公司推出的全自動(dòng)核酸提取儀售價(jià)18萬元；本發(fā)明的便攜式致病菌核酸提取裝置的成本不足其十分之一。且臺(tái)式的核酸提取設(shè)備難以運(yùn)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，在便攜式快速檢測(cè)系統(tǒng)中難以配套使用，使得裝置的適用性更廣。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是系統(tǒng)供電示意圖；

圖2是便攜式致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖3是磁力架的設(shè)計(jì)示意圖；

圖4為便攜式致病菌核酸提取裝置的工作原理圖；

圖5為人機(jī)交互單元中的數(shù)碼管顯示模塊的電路設(shè)計(jì)圖；

圖6a-6b為人機(jī)交互單元的按鍵設(shè)置模塊的電路設(shè)計(jì)圖；

圖7為供電單元的充電電路設(shè)計(jì)圖；

圖8為供電單元的電池充電電路設(shè)計(jì)圖；

圖9為加熱域溫度和環(huán)境溫度的線性擬合曲線圖；

圖10為供電單元的主電路設(shè)計(jì)圖；

圖11為恒溫單元的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的結(jié)果仿真圖；

圖12為便攜式致病菌核酸提取裝置的主流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。

便攜式致病菌核酸提取裝置以致病菌為提取對(duì)象，通過高溫將病菌核酸裂解，并利用磁珠吸附原理將裂解核酸洗滌、洗脫，系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖中的裂解、洗滌、洗脫在96孔板中完成，其中，致病菌裂解以及核酸洗脫需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行。在裂解環(huán)節(jié)，用磁力架上下移動(dòng)，破壞細(xì)胞的生物結(jié)構(gòu)，釋放核酸，磁珠會(huì)與核酸結(jié)合，在磁場(chǎng)的作用下，核酸提取裝置上的磁力棒將磁珠吸走，這樣就到達(dá)了提取核酸的目的。圖中的高溫環(huán)境是可設(shè)置的、高精度的恒溫單元。整個(gè)核酸提取不需要離心操作，可手動(dòng)完成，極大的方便了戶外核酸的提取。

如圖2和3所示，包括：隔熱板1、鋁質(zhì)加熱域2、控制電路板4、96孔板固定片6、96孔板7、提手8、彈力固定夾9、耐熱聚丙烯管套10、磁力棒11。

加熱片固定在加熱域2和隔熱板中1的凹槽處，溫度檢測(cè)器固定在在加熱槽的小孔內(nèi)3，96孔板7通過固定片6固定在加熱域上。在96孔板7中加入提取試劑提取病菌核酸。提手8下端安裝固定板，固定板下端安裝用于固定耐熱聚丙烯管套10的彈力固定架9，磁力棒11通過螺紋固定在安裝板上。上訴的核酸提取磁力架探入96孔板內(nèi)，利用磁力吸附小磁珠的方法提取核酸。

上述技術(shù)方案的有益效果為：通過便攜致病菌核酸提取裝置的結(jié)構(gòu)有效的進(jìn)行加熱、設(shè)置、核酸提取；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，攜帶方便。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：隔熱板1的設(shè)計(jì)

所述隔熱板1中有小槽，可固定加熱片，加熱片上可安裝加熱域2。一方面隔熱板1能防止使用者安裝96孔板7時(shí)燙傷，使加熱域的溫度保持恒定。另一方面，隔熱板1將控制電路板4與加熱域2隔離，減少了控制電路板4的干擾。

上述技術(shù)方案的有益效果為：使得恒溫單元和控制電路板更加的穩(wěn)定安全。

所述的便攜式致病菌核酸提取裝置，優(yōu)選的，還包括：磁力架的設(shè)計(jì)

本發(fā)明設(shè)計(jì)的磁力架是手持型磁力架，包括提手8以及固定聚丙烯管套10的彈力固定夾9，使得用戶能利用磁力架進(jìn)行提取核酸提取，不需要儀器離心操作，適用于戶外的核酸提取裝置。

所述人機(jī)交互單元包括：

①按鍵模塊

按鍵模塊實(shí)現(xiàn)核酸提取裝置的操作輸入。其有兩種電路連接方式：非矩陣鍵盤和矩陣鍵盤。其中占用系統(tǒng)的i/o接口少的是矩陣鍵盤的連接方式；而非矩陣鍵盤占用的i/o接口資源多；但矩陣鍵盤編程復(fù)雜，適用于按鍵數(shù)多、i/o接口又比較緊缺的系統(tǒng)。核酸提取裝置所需按鍵4個(gè)，采用矩陣按鍵方式需2個(gè)i/o借口，而非矩陣鍵盤方式需4個(gè)i/o接口，接口數(shù)相差不大，故選擇編程相對(duì)簡(jiǎn)單的非矩陣鍵盤方式。其電路設(shè)計(jì)圖，如圖6a-6b所示。

②數(shù)碼管顯示模塊

本發(fā)明采用共陰極數(shù)碼管，由于共陰極數(shù)碼管的公共端接地，所以選擇npn型三極管來放大電流。數(shù)碼管與控制芯片引腳連接有兩種連接方式：靜態(tài)連接方式和動(dòng)態(tài)連接方式。靜態(tài)連接的情況下需要數(shù)碼管具有8個(gè)i/o接口，系統(tǒng)需要4個(gè)數(shù)碼管來顯示時(shí)間和溫度值，故需要32個(gè)i/o接口，i/o接口開銷較大。同樣的4個(gè)數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)連接的方式下只需要12個(gè)i/o接口，大幅降低了i/o接口的開銷，因此本數(shù)碼管連接的設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)連接的方式。其電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

采用動(dòng)態(tài)連接的方式，則要求其軟件利用余暉效應(yīng)采用循環(huán)點(diǎn)亮的方式來控制數(shù)碼管的顯示。

所述供電單元包括：

供電單元包括充電模塊、電池電量檢測(cè)模塊、切換電路、主電路三個(gè)部分。

①充電模塊

電池的充電模塊是裝置中一個(gè)很重要的模塊。在實(shí)際設(shè)計(jì)中首先考慮選擇什么樣的充電管理芯片更為安全可靠：電池的充電不是簡(jiǎn)單的恒壓充電，根據(jù)電池的特性，充電最好分為三個(gè)模式，深度放電狀態(tài)下的涓流充電，該模式下的充電電流一般為恒流充電模式下的15％，防止對(duì)電池沖擊過大；接著為恒流充電，該模式下的充電電流一般可人為設(shè)置；最后階段為恒壓充電，此時(shí)的充電電流也較小，減小對(duì)電池的沖擊。磷酸鐵鋰電池在工作的過程中溫度可能會(huì)升高，而溫度過高的電池潛在危險(xiǎn)較大，因此需要設(shè)置一個(gè)溫度閾值，當(dāng)電池溫度超過此閾值后，停止充電。論文選用一個(gè)緊貼電池的熱敏電阻，當(dāng)溫度超過閾值，充電暫停，待電池溫度恢復(fù)到工作溫度內(nèi)時(shí)，充電繼續(xù)。其電路設(shè)計(jì)圖如圖7所示。

②電量檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

電池電壓的大小不僅與電池所處的狀態(tài)相關(guān)且與電池所剩電量相關(guān)。電池處于放電狀態(tài)時(shí)，隨著電池電量的消耗，電池電壓隨之減小。相關(guān)文獻(xiàn)表明，電池電壓與電池電量呈一定的正比關(guān)系。可以運(yùn)用電池電壓預(yù)測(cè)剩余電量，將電池充滿后放電，記錄放電過程中剩余電量和電壓的關(guān)系，將數(shù)據(jù)曲線放入程序中，則通過測(cè)量電池電壓的變化來表征剩余電量的變化。硬件可設(shè)計(jì)一個(gè)電池電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)電池電壓的變化，論文采用差分放大電路的方法來檢測(cè)電池的實(shí)時(shí)電壓，通過讀取查分放大電路的檢測(cè)電壓，來計(jì)算電池的用電情況。軟件則將測(cè)得的電壓與電量關(guān)系表放入控制器的rom中，通過查表的方式獲得電量情況。

③切換模塊

將提取裝置按流經(jīng)電流大小分為兩個(gè)部分，大電流模塊和小電流模塊。大電流模塊為恒溫單元，小電流模塊為人機(jī)交互單元和主控芯片以及適配器檢測(cè)電路。電池直接給小電流模塊供電，由小電流模塊中的適配器檢測(cè)電路檢測(cè)是否有適配器接入，若有適配器接入則直接由適配器給大電流模塊供電；若檢測(cè)到?jīng)]有適配器接入，主控芯片控制mosfet打開，由電池通過mosfet給大電流模塊供電。其中，大電流模塊為恒溫模塊，其余為小電流模塊。適配器接入的情況下會(huì)自動(dòng)通過充電電路給電池充電。供電示意圖如圖8所示。

④主電路

切換模塊所述的小電流模塊由電池直接供電。其中，主控芯片、數(shù)碼管、按鍵的工作電壓為3.3v，隔離驅(qū)動(dòng)電路的工作電壓為12v。所以需要將電池電壓轉(zhuǎn)為3.3v和12v。其電路原理如圖10所示。

dc-dc1是wrb0505yd-6w隔離電源，可將4.5-9v電壓轉(zhuǎn)換為5v，其電流可達(dá)1.2a滿足主控芯片和數(shù)碼管的電流要求。并且隔離電源將小電流模塊與大電流模塊隔離，減少大電流模塊對(duì)小電流模塊的干擾。再通過ams1117-3.3將輸入的5v電壓轉(zhuǎn)為3.3v，給主控芯片以及數(shù)碼管和按鍵供電。5v電壓通過d1209nxs芯片，轉(zhuǎn)為12v給隔離驅(qū)動(dòng)芯片供電。

所述恒溫單元包括：

恒溫單元的本質(zhì)是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，將溫度差e作為系統(tǒng)的輸入量，通過一定的控制算法計(jì)算出控制量u。恒溫單元的工作原理如圖8所示。

溫度傳感器檢測(cè)到實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)t，傳給微控制器，微控制器將采集到的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)溫度值t0進(jìn)行比較，得到溫度誤差e，經(jīng)過一定的控制算法，控制器給出控制信號(hào)u，控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)加熱器加熱或者停止加熱。通過不斷地檢測(cè)實(shí)時(shí)溫度，不斷的調(diào)整控制信號(hào)，使得溫度差盡量的趨于零，進(jìn)而達(dá)到控制精度較高的恒溫效果。

恒溫控制算法

恒溫單元是本發(fā)明中尤其重要的一個(gè)單元，核酸提取裝置的病菌水解、洗脫所需的恒高溫環(huán)境與該單元緊密相關(guān)。因此溫控算法的選擇十分重要。

1恒溫系統(tǒng)的模型建立

論文采用的是陶瓷加熱片作為恒溫系統(tǒng)的加熱器，將加熱片嵌在金屬加熱域中，通過嵌在加熱域中的溫度傳感器檢測(cè)到實(shí)時(shí)溫度，再通過控制器的控制信號(hào)u來控制溫度。根據(jù)熱力學(xué)和傳熱學(xué)的原理，建立加熱域的數(shù)學(xué)模型。

其中，c為加熱域的比熱容、m為加熱域的質(zhì)量、i為加熱電流、r為陶瓷加熱片的電阻、a為傳熱系數(shù)、t0為加熱域所處的環(huán)境溫度。為加熱域所增加的熱量、i²r為加熱片產(chǎn)生的熱流量、αa(t-t0)為加熱域傳到環(huán)境中的熱量。

由于核酸提取裝置是密閉的加熱空間，因此不能將環(huán)境溫度視為理想的不變溫度。在密閉加熱空間中，環(huán)境溫度會(huì)隨著加熱域溫度上升而升高，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，得到環(huán)境溫度和加熱域溫度的關(guān)系如下表所示。

表1環(huán)境溫度和加熱域溫度

為了得到環(huán)境溫度t0與加熱域溫度t的數(shù)學(xué)關(guān)系，我們可根據(jù)表3.1所示數(shù)據(jù)，在matlab環(huán)境下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

由于檢測(cè)系統(tǒng)恒溫單元的溫度范圍集中在45℃到-100℃之間，在這一區(qū)間，數(shù)據(jù)線性關(guān)系較為明顯，而且直線擬合會(huì)極大方便控制器的設(shè)計(jì)，因此論文選用直線擬合的方式對(duì)t0-t擬合。其擬合曲線如圖9所示。

圖9所示，在45℃到100℃之間，溫度較為規(guī)律的分布在擬合曲線兩側(cè)。得出的擬合方程為：

t0＝kt±b

其中k＝0.5885；b＝-1.1346。

因此加熱域的數(shù)學(xué)模型為：

對(duì)公式3.3求導(dǎo)得：

恒溫單元的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的二階線性系統(tǒng)。

2滑模變結(jié)構(gòu)控制算法

溫度控制系統(tǒng)中比較常見的算法有專家、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、pid等，這類算法不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型并且是非線性的控制算法，然而卻需要大量的工程經(jīng)驗(yàn)才能設(shè)計(jì)好控制器。其中最為簡(jiǎn)單和常見的算法為pid和模糊自整定pid控制算法，該算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但溫度超調(diào)難以避免，尤其需求的溫控范圍較寬的情況下，則更難得實(shí)現(xiàn)超調(diào)的控制。在便攜式致病菌核酸提取裝置中，由于酶的活性容易在高溫下失活，過大的超調(diào)可能或?qū)е聦?shí)驗(yàn)的失敗，基于超調(diào)的難以控制和自身經(jīng)驗(yàn)的不足，選用超調(diào)小的，基于建模的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法。

該算法本質(zhì)上是一種控制結(jié)構(gòu)可變的控制算法，其控制結(jié)構(gòu)可切換，并且當(dāng)系統(tǒng)在滑動(dòng)模態(tài)上運(yùn)動(dòng)時(shí)，是非常穩(wěn)定的。其次，此算法超調(diào)小、系統(tǒng)響應(yīng)快、調(diào)節(jié)時(shí)間短、魯棒性好、即使在不同的工作點(diǎn)系統(tǒng)的相應(yīng)性能也相似，且對(duì)被控對(duì)象模型誤差以及外部干擾有極好的不敏感等優(yōu)點(diǎn)，很適合食源性致病菌現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)恒溫單元的溫控要求。因此本發(fā)明選用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法作為恒溫單元的控制算法。

滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本原理。在系統(tǒng)的控制過程中，控制結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的系統(tǒng)叫做變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，比如，專家系統(tǒng)、模糊pid控制系統(tǒng)等?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制算法也是一種結(jié)構(gòu)可變的控制算法，在控制過程中，根據(jù)被控系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，有目的地變換控制結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定的“滑動(dòng)模態(tài)”軌跡運(yùn)動(dòng)。由于滑模動(dòng)態(tài)可自行設(shè)計(jì)且與被控對(duì)象參數(shù)及外界擾動(dòng)無關(guān)，因此控制算法具有響應(yīng)快速、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。在算法的設(shè)計(jì)中，首先需找到一個(gè)穩(wěn)定的切換面，讓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到該切換面上，再使得系統(tǒng)沿著滑動(dòng)面趨向原點(diǎn)。由于設(shè)計(jì)的切換面本身就穩(wěn)定，因此不需要分析其穩(wěn)定性。

由上所述，滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的設(shè)計(jì)。主要包括切換函數(shù)的選擇和控制器的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

①切換函數(shù)的選擇，

在單輸入系統(tǒng)中，切換函數(shù)只有一個(gè)。將切換控制在s＝c1x1+x2函數(shù)上，其滑動(dòng)模態(tài)方程為

在多輸入系統(tǒng)中，存在多個(gè)切換函數(shù)，由于恒溫單元是單輸入單輸出系統(tǒng)，則此小節(jié)只討論單輸入單輸出的情況。

②控制器的求取

在確定切換函數(shù)的基礎(chǔ)上，可求得其控制

其中ui^-(x)≠ui⁺(x)，使得以下的設(shè)計(jì)目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)：

1切換面存在滑動(dòng)模態(tài)區(qū)；

2所有的相軌跡將在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面；

3滑模運(yùn)動(dòng)漸近穩(wěn)定并具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

滑模運(yùn)動(dòng)包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過程：趨近運(yùn)動(dòng)和滑模運(yùn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)從初始狀態(tài)逐漸趨向切換面，即為s→0的過程，此為趨近過程。在控制器設(shè)計(jì)中，可采用趨近律的方法來改善趨近運(yùn)動(dòng)的品質(zhì)。對(duì)于趨近律，可取加速度型趨近律、常值型趨近律和比例型趨近律。

滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)。a優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)被控系統(tǒng)到達(dá)切換面后，就會(huì)自動(dòng)沿著切換面運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)與系統(tǒng)的本身參數(shù)無關(guān)；可較好的跟蹤連續(xù)變化的輸入信號(hào)；魯棒性強(qiáng)。b缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)控制算法，需要取得系統(tǒng)的全部狀態(tài)變量，這是比較困難的，當(dāng)控制對(duì)象為高階系統(tǒng)時(shí)，尤其的困難，因此算法難以運(yùn)用于高階系統(tǒng)，只能簡(jiǎn)化系統(tǒng)階數(shù)；切換的過程中切換開關(guān)不理想，極易產(chǎn)生抖動(dòng)，消除困難。

3滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)

由3.5.1的建模分析可知該系統(tǒng)是一個(gè)單輸入單輸出的二階線性系統(tǒng)，因此其滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的切換函數(shù)為：

其中s為滑模量，t0為溫度的預(yù)設(shè)值，e是溫度誤差，為溫度誤差的導(dǎo)數(shù)。

則系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑模動(dòng)態(tài)應(yīng)滿足：

以保證系統(tǒng)可沿著滑模面運(yùn)行到原點(diǎn)。微分方程的解為：

顯然，只有當(dāng)c1為正時(shí)，變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定。

為了改善系統(tǒng)趨近運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，論文選用指數(shù)趨近律來設(shè)計(jì)控制器：

ζ＞0，k1＞0

其中ζ和k1都是可任意取值的正數(shù)，為了保證快速趨近的同時(shí)消除抖振，在仿真時(shí)，應(yīng)該在增大k1的時(shí)候，減小ζ。

這樣便確定了控制器函數(shù)：

其中c為加熱域的比熱容，其值為880j/kg；m為加熱域的質(zhì)量，其值為0.055kg；i為加熱電流，其值為25a；r為陶瓷加熱片的電阻，其值為1ω；a為加熱域的傳熱系數(shù)，其值為237w/(m².k)；a為加熱域的傳熱面積，經(jīng)測(cè)量其值為0.004408m²；c1，k1，ζ為可自行取值的正數(shù)。將參數(shù)帶入控制器，得到的恒溫控制器為：

4算法仿真

得出了恒溫單元的數(shù)學(xué)模型和控制器模型，則可進(jìn)行matlab/simulink仿真。各參數(shù)為，k1＝30，c1＝5；ζ＝30。運(yùn)用simulink中的s_function模塊進(jìn)行仿真，其結(jié)果圖放大如圖11所示。

從圖可知，一方面，滑模變結(jié)構(gòu)控制算法能很好的控制加熱域溫度，且可將溫控精度控制在±0.2℃；另一方面，控制系統(tǒng)沒有溫度超調(diào)，這對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)尤其重要，過大的超調(diào)可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)酶失活。從仿真圖可以明顯看出恒溫單元的響應(yīng)快、誤差小、酶超調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，但從放大的圖形中可見，溫度有高頻率的輕微抖動(dòng)，這是滑模變結(jié)構(gòu)控制算法的一個(gè)固有特點(diǎn)。

便攜式核酸提取裝置的軟件結(jié)構(gòu)

便攜式致病菌核酸提取裝置的主流程圖如圖12所示，核酸提取裝置開機(jī)之后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化環(huán)節(jié)，在該環(huán)節(jié)中對(duì)寄存器，各個(gè)參數(shù)量以及計(jì)數(shù)器等初始化；初始化完成后，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置環(huán)節(jié)，設(shè)置加熱溫度、加熱時(shí)間及加熱通道；再點(diǎn)擊開始，進(jìn)入加熱環(huán)節(jié)，并實(shí)時(shí)顯示加熱溫度和加熱時(shí)間；加熱結(jié)束之后可結(jié)束系統(tǒng)。

本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。