模糊自适应PID的全自动核酸提取温度控制系统的设计
作者：王波 温英利 谢清华 朱立国
【摘要】目的：为了解决全自动核酸提取仪温控模块处于半开放环境中，因而系统惯性大，滞后现象严重的问题。方法：利用模糊自适应PID控制温度变化，可以同时兼顾系统稳定性和精度，达到系统要求，并确保实验的精度和准确度。结果：利用模糊自适应PID控制温度变化的方法得到了比较理想的控制结果。讨论：全自动核酸提取温控系统对运行环境的温度敏感，实验室应确保运行环境温度。
全自动核酸提取仪，可以全自动完成核酸提取实验，提供高效、快速、准确的全自动核酸提取解决方案[1]。温度控制是其中一个非常重要的环节，直接影响到细胞裂解、核酸的洗脱，最终影响核酸的得率。由于全自动核酸提取仪的温控模块处于半开放环境中，参数变化大，并且温控面积大，导致系统惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型。传统PID控制以不能完全满足实验要求。模糊自适应PID控制运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件，操作用模糊集表示，并把这些信息作为知识输入到系统中，然后根据控制系统的实际相应情况，运用模糊推理，自动实现PID参数的最佳调整，避免了传统PID参数固定的缺点。本文设计的温度控制模块，利用模糊自适应算法对系统进行PID控制，既可缩短调节时间，控制超调现象，又可以兼顾系统稳定性和精度。
一、温控系统设计
全自动核酸提取仪时要求温度变化为室温到120℃可调，且温度变化精度为±0.2℃。根据要求设计了温育模块，其系统框图如图1所示，由上位机发送温度控制命令，通过串口通信，将命令送达微处理器，PWM波经过电路放大后，控制加热板给微孔板加热，从而完成温育功能。
图1. 全自动核酸提取温控模块系统框图
二、模糊自适应PID设计
模糊自适应PID控制的任务是找出PID的三个参数与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中不断检测e和ec，根据确定的模糊控制规则来对三个参数进行在线调整,满足不同e和ec时对三个参数的不同要求。模糊自适应PID控制器的结构如图2所示。
图2. 模糊自适应PID控制器结构图
根据结构图，下面进行模糊自适应PID算法设计，主要包括以下4个步骤。
1. 选择语言变量：输入语言变量选择偏差e和偏差变化ec，输出语言选择积分、比例、微分系数kl，kP，kD的修正量Δkl，ΔkP，ΔkD。
2. 定义输入输出模糊：因为全自动核酸提取仪的温控系统要求温度可从室温到120℃可调，即加热板的温度变化范围为25℃到120℃。而实验中常用深孔板温度为90℃。因此偏差e的变化范围为-65℃到 30℃。微孔板温度仅受加热板加热功率和自然温度传导两个因素影响，即温度变化率较小，因而可假设ec的变化范围为-5到5。e，ec，kl，kP，kD的控制规则如表所示。语言变量均选取7个语言值：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，在表中分别用NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB表示[2]。
3. 定义输入输出隶属函数：由上述内容可选定语言变量的论域，e和ec的论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，kl ={-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}，kP ={-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，kD ={-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}。取其隶属函数均为三角形，即满足
，则其隶属函数如图3所示。
图3. 采用的三角形隶属函数
4. 输出变量模糊控制规则：综合考虑参数的作用如下：kl可以消除系统的稳态误差，kP可以加快系统的响应速度，kD可以抑制偏差的变化。因而根据实际控制经验，为确保系统具有良好的稳态性能，并且避免出现较大的超调量，模糊自适应PID的三个参数kl，kP，kD在不同偏差e和偏差变化ec下的自动调整时，应满足如下3条规律：当e的绝对值较小时，kl，kP应较大，kD应适中；当e的绝对值适中时，kP应较小，kl，kD应适中；当e的绝对值较大时，kP应较大，kl为0，kD应较小[3]。因此，可运用MIN-MAX-重心法进行反模糊化模糊判决，根据上述规律与实际经验列出Δkl，ΔkP，ΔkD控制规则表（表1，表2，表3）。
表1. Δkl 控制规则表
表2. ΔkP 控制规则表
表3. ΔkD 控制规则表
三、系统仿真
在matlab中的simulink环境下创建如图4所示的仿真模型[4]。通过仿真模型来验证基于模糊自适应算法的温度控制效果，验证结果如图5所示。由图5可看出，与传统PID控制相比，基于模糊自适应算法的PID控制方法系统稳定性更好，且在加入干扰后，系统稳定性更好，几乎没有超调现象，抗干扰能力更强。由此可以验证，基于模糊自适应算法的PID温度控制，可以同时兼顾系统稳定性和精度，满足核酸提取的温育要求，并确保实验的精度和准确度。
图5. simulink仿真结果图
四、结语
本文研究了模糊自适应PID控制算法在全自动核酸提取仪中的温度控制系统中的应用。这种控制方法针对全自动核酸提取仪的温控模块处于半开放环境中的现状，克服了其参数变化大，温控面积大，系统惯性大，滞后现象严重的问题，对传统PID控制方法进行了改进，既可缩短调节时间，控制超调现象，又可以兼顾系统稳定性和精度。通过系统仿真验证，该方法得到了比较理想的控制结果。
参考文献
康淼; 基于磁分离的全自动核酸提取系统设计与实现[D]. 东南大学 2015 年
李国勇. 一种改进的自适应PID控制器[J]. 太原理工大学学报, 2015, 34(1):51-52.
张燕红. 模糊自适应PID参数自整定控制器的研究[J]. 工业控制计算机, 2012, 第8期(8):58-59.
张国良. 模糊控制及其MATLAB应用[M]. 西安交通大学出版社, 2002.
