一种PCR扩增仪的温控方法、装置、系统、计算机设备及计算机可读存储介质与流程

一种pcr扩增仪的温控方法、装置、系统、计算机设备及计算机可读存储介质
技术领域
1.本发明属于自动控制技术领域，具体地涉及一种pcr扩增仪的温控方法、装置、系统、计算机设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.聚合酶链反应(polymerase chain reaction，pcr)是利用一段dna(deoxyribo nucleic acid，脱氧核糖核酸)为模板，在dna聚合酶和核苷酸底物共同参与下，将该段dna扩增至足够数量，以便进行结构和功能分析。pcr检测方法在临床上快速诊断细菌性传染病等方面具有极为重要的意义。
3.pcr扩增仪即是一种实现在体外快速扩增特异性dna片段的常用仪器，其进行pcr反应的基本过程分为如下三步：(1)dna变性(其工作温度为94℃)，即使双链dna模板在热作用下氢键断裂，形成单链dna；(2)退火(其工作温度为55℃)，即使系统温度降低，引物与dna模板结合，形成局部双链；(3)延伸聚合(其工作温度为72℃)，即在taq酶(一种从水生栖热菌thermus aquaticus中分离出的具有热稳定性的dna聚合酶)的作用下，以dntp(deoxy
‑
ribonucleoside triphosphate，脱氧核糖核苷三磷酸)为原料从引物的5端到3端延伸，合成与模板互补的dna链。pcr扩增仪就是通过控制样品达到不同工作温度，对被扩增的dna片段进行变性、退火和延伸聚合处理等，以达到将dna片段的量成倍扩增的目的。由此可见，在pcr扩增仪中，温度控制的精度，尤其是各个温度值的时间控制，直接影响dna片段扩增的效率。
4.但是现有pcr扩增仪的温度控制方法一般只采用一种模糊pid(proportion integral differential，即比例、积分及微分的英文缩写)控制方法对温度进行控制，使得在温度变化大的升降温区间控制时间较长，进而导致整个pcr扩增反应过程效率不高，有待进行优化。


技术实现要素：

5.为了解决现有pcr扩增仪的温度控制方法因存在升降温区间的控制时间较长，进而影响dna片段扩增效率的问题，本发明目的在于提供一种新的且应用于pcr扩增仪的温控方法、装置、系统、计算机设备及计算机可读存储介质，可在最大程度上使温控系统性能达到快升降温速度、超调量低、振荡小以及高精度的统一，提升dna片段的扩增效率，缩短反应所需时间，利于快速得到pcr检测结果，便于实际应用和推广。
6.第一方面，本发明提供了一种pcr扩增仪的温控方法，由所述pcr扩增仪中的控制器执行，包括：
7.获取由所述pcr扩增仪中的温度传感器在当前采样时间节点采集的实时温度值；
8.计算得到所述实时温度值与目标温度值的温度差值，其中，所述目标温度值与所述当前采样时间节点对应；
9.判断所述温度差值的绝对值是否大于预设温差阈值，其中，所述预设温差阈值介于2～3℃之间；
10.若是，则控制所述pcr扩增仪中的第一模糊控制器处于工作状态，以及控制所述pcr扩增仪中的第二模糊控制器和pid控制器处于非工作状态，同时将所述温度差值和温度差值变化量传送至所述第一模糊控制器，以便通过所述第一模糊控制器来控制所述pcr扩增仪中的电源向升降温调节器输出的驱动电流大小，其中，所述温度差值变化量等于所述温度差值与对应前一个采样时间节点的温度差值之差；
11.若否，则控制所述第一模糊控制器处于非工作状态，以及控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态，同时将所述温度差值和所述温度差值变化量传送至所述第二模糊控制器，以及将所述温度差值传送至所述pid控制器，以便通过所述第二模糊控制器调节所述pid控制器的控制参数，并最终通过所述pid控制器来控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小。
12.基于上述发明内容，提供了一种应用于pcr扩增仪的且采取多模态分段控制策略的温控方案，即通过将实时目标温差与预设温差阈值的比较结果作为在模糊控制模式与模糊pid控制模式之间进行切换的决策依据，可在目标温差较大时应用模糊控制模式，保证以最快速度进行升温/降温，而在目标温差较小时应用模糊pid控制模式，确保低稳态误差和低超调量，实现精准维持温度的目的，进而使得所述pcr扩增仪的温控系统具有多模态的温控模式，可在最大程度上使系统性能达到快升降温速度、超调量低、振荡小以及高精度的统一，提升dna片段的扩增效率，缩短反应所需时间，利于快速得到pcr检测结果，便于实际应用和推广。
13.在一个可能的设计中，在所述当前采样时间节点处于温度维持阶段的中期时，所述温控方法还包括：
14.在判定所述温度差值的绝对值小于或等于所述预设温差阈值时，控制所述pid控制器处于工作状态，以及控制所述第一模糊控制器和所述第二模糊控制器处于非工作状态，同时将所述温度差值传送至所述pid控制器，以便通过所述pid控制器来控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小。
15.在一个可能的设计中，获取由所述pcr扩增仪中的温度传感器在当前采样时间节点采集的实时温度值，包括：
16.获取由至少三个温度传感器在所述当前采样时间节点连续多次采集的温度值，其中，所述至少三个温度传感器分别布置在不同的采样点位置；
17.对在所述当前采样时间节点连续多次采集的所有温度值进行算术平均值滤波处理，得到所述实时温度值。
18.在一个可能的设计中，控制所述pcr扩增仪中的第一模糊控制器处于工作状态，以及控制所述pcr扩增仪中的第二模糊控制器和pid控制器处于非工作状态,包括：
19.向电连接在所述第一模糊控制器的输出端的第一开关发送接通指令，以及向电连接在所述pid控制器的输出端的第二开关发送断开指令，以便将所述pid控制器的输出数字信号置为零。
20.在一个可能的设计中，控制所述第一模糊控制器处于非工作状态，以及控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态,包括：
21.向电连接在所述第一模糊控制器的输出端的第一开关发送断开指令，以及向电连接在所述pid控制器的输出端的第二开关发送接通指令，以便将所述第一模糊控制器的输出数字信号置为零。
22.在一个可能的设计中，所述控制参数包含有所述pid控制器的比例增益、积分增益和微分增益；所述第二模糊控制器中的隶属度函数采用三角形隶属度函数；所述第二模糊控制器中的所有论域定义为[
‑
x,x],并通过与设定值为2对应的第一量化因子来精调所述温度差值的论域范围，通过与设定值为2.5对应的第二量化因子来精调所述温度差值变化量的论域范围，通过与设定值为10对应的第三量化因子来精调比例增益修正量的论域范围，通过与设定值为10对应的第四量化因子来精调积分增益修正量的论域范围，通过与设定值为1对应的第五量化因子来精调微分增益修正量的论域范围，其中，x表示等于6的正整数，所述设定值表示对应量化因子与正整数x的积。
[0023]
第二方面，本发明提供了一种pcr扩增仪的温控装置，布置在所述pcr扩增仪的控制器中，包括有温度获取单元、温差计算单元、比较判断单元、器件控制单元、第一传送单元和第二传送单元；
[0024]
所述温度获取单元，用于获取由所述pcr扩增仪中的温度传感器在当前采样时间节点采集的实时温度值；
[0025]
所述温差计算单元，通信连接所述温度获取单元，用于计算得到所述实时温度值与目标温度值的温度差值，其中，所述目标温度值与所述当前采样时间节点对应；
[0026]
所述比较判断单元，通信连接所述温差计算单元，用于判断所述温度差值的绝对值是否大于预设温差阈值，其中，所述预设温差阈值介于2～3℃之间；
[0027]
所述器件控制单元，通信连接所述比较判断单元，用于在判定所述绝对值大于所述预设温差阈值时，控制所述pcr扩增仪中的第一模糊控制器处于工作状态，以及控制所述pcr扩增仪中的第二模糊控制器和pid控制器处于非工作状态，而在判定所述绝对值小于或等于所述预设温差阈值时，控制所述第一模糊控制器处于非工作状态，以及控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态；
[0028]
所述第一传送单元，分别通信连接所述器件控制单元和所述温差计算单元，用于在控制所述第一模糊控制器处于工作状态时，将所述温度差值和温度差值变化量传送至所述第一模糊控制器，以便通过所述第一模糊控制器来控制所述pcr扩增仪中的电源向升降温调节器输出的驱动电流大小，其中，所述温度差值变化量等于所述温度差值与对应前一个采样时间节点的温度差值之差；
[0029]
所述第二传送单元，分别通信连接所述器件控制单元和所述温差计算单元，用于在控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态时，将所述温度差值和所述温度差值变化量传送至所述第二模糊控制器，以及将所述温度差值传送至所述pid控制器，以便通过所述第二模糊控制器调节所述pid控制器的控制参数，并最终通过所述pid控制器来控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小。
[0030]
第三方面，本发明提供了一种pcr扩增仪的温控系统，包括有控制器、温度传感器、第一模糊控制器、第二模糊控制器、pid控制器、电源、电流调节器和升降温调节器，其中，所述控制器用于执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法；
[0031]
所述控制器分别通信连接所述温度传感器、所述第一模糊控制器、所述第二模糊
控制器和所述pid控制器，其中，所述第一模糊控制器的输出端和所述pid控制器的输出端分别通信连接所述电流调节器的受控端，所述第二模糊控制器的输出端通信连接所述pid控制器；
[0032]
所述电源电连接所述电流调节器的电流输入端，所述电流调节器的电流输出端电连接所述升降温调节器。
[0033]
第四方面，本发明提供了一种计算机设备，包括有依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法。
[0034]
第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述温控方法。
[0035]
第六方面，本发明提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如上第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述温控方法。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1是本发明提供的pcr扩增仪的温控系统结构示意图。
[0038]
图2是本发明提供的pcr扩增仪的温控方法流程示意图。
[0039]
图3是本发明提供的pid控制算法的原理示意图。
[0040]
图4是本发明提供的在matlab软件中实现pid控制算法的仿真结构示例图。
[0041]
图5是本发明提供的在matlab软件中实现模糊pid控制算法的仿真结构示例图。
[0042]
图6是本发明提供的在matlab软件中实现所述温控方法的仿真结构示例图。
[0043]
图7是本发明提供的在matlab软件中采用所述温控方法后仿真所得的温度变化示例图。
[0044]
图8是本发明提供的在matlab软件中采用所述温控方法后仿真所得在升温至58℃附近的温度变化示例图。
[0045]
图9是本发明提供的在matlab软件中采用所述温控方法后仿真所得在升温至98℃附近的温度变化示例图。
[0046]
图10是本发明提供的在matlab软件中采用所述温控方法后仿真所得在降温至58℃附近的温度变化示例图。
[0047]
图11是本发明提供的pcr扩增仪的温控装置结构示意图。
[0048]
图12是本发明提供的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图及具体实施例来对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明示例的实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
[0050]
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种对象，但是这些对象不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个对象和另一个对象。例如可以将第一对象称作第二对象,并且类似地可以将第二对象称作第一对象，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
[0051]
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a、单独存在b或者同时存在a和b等三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a或者同时存在a和b等两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
[0052]
如图1～3所示，本实施例第一方面提供的所述pcr扩增仪的温控方法，由所述pcr扩增仪中的控制器执行，以便使所述pcr扩增仪的温控系统具有多模态的温控模式，即可以在模糊控制模式与模糊pid控制模式之间进行灵活切换，如此既能保证在目标温差较大时可以最快速度进行升温/降温，又可以保证在目标温差较小时实现精准维持温度的目的，进而可提升dna片段的扩增效率，缩短反应所需时间，利于快速得到pcr检测结果。
[0053]
如图1所示，所述pcr扩增仪的温控系统，包括但不限于有控制器、温度传感器、第一模糊控制器、第二模糊控制器、pid控制器、电源、电流调节器和升降温调节器，其中，所述控制器用于执行具体的温控方法；所述控制器分别通信连接所述温度传感器、所述第一模糊控制器、所述第二模糊控制器和所述pid控制器，其中，所述第一模糊控制器的输出端和所述pid控制器的输出端分别通信连接所述电流调节器的受控端，所述第二模糊控制器的输出端通信连接所述pid控制器；所述电源电连接所述电流调节器的电流输入端，所述电流调节器的电流输出端电连接所述升降温调节器。
[0054]
在所述温控系统的具体结构中，所述控制器为实现温控目的的核心部件，其可以但不限于采用基于stm32f103系列的微处理器芯片及其外围电路实现。所述温度传感器用于采集样品温度值，其数目可以有多个，以便实现在多个不同采样点位置进行同时测温的目的，并可以采用常规的温度传感器实现。所述第一模糊控制器和所述第二模糊控制器分别为实现模糊控制算法(即一种利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法)的常规算法模块，并分别可为具有独立对应功能的硬件模块或软件模块，其中，所述第一模糊控制器用于通过模糊控制算法向所述电流调节器输出能够产生控制作用的数字信号，以便控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小，实现升温或降温的调节目的；所述第二模糊控制器用于通过模糊控制算法对所述pid控制器的控制参数进行调节修正，以便通过所述pid控制器来控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小。所述pid控制器为实现pid控制算法(即一种结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，该控制算法出现于20世纪30至40年代，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合)的常规算法模块，也可为具有独立对应功能的
硬件模块或软件模块，其用于通过pid控制算法向所述电流调节器输出能够产生控制作用的数字信号，以便控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小，实现升温或降温的调节目的。所述电源用于通过所述电流调节器向所述升降温调节器提供电能支持，其优选为直流电源。所述电流调节器用于在所述第一模糊控制器或所述pid控制器的控制下实现对所经电流大小进行动态调节的目的，其可以但不限于采用数控可编程电阻器实现。所述升降温调节器用于实现对样品进行加热升温或散热降温的目的，其可以但不限于包括有电加热器(即用于加热升温)、风扇(即用于散热降温)和半导体制冷片(即通过改变电流方向，既可以用于加热升温，也可以同于散热降温)等。
[0055]
如图2所示，所述pcr扩增仪的温控方法可以但不限于包括有如下步骤s1～s5。
[0056]
s1.获取由所述pcr扩增仪中的温度传感器在当前采样时间节点采集的实时温度值。
[0057]
在所述步骤s1中，为提高温度采样的精度，需要在温度采样后对信号进行数字滤波处理。因此优选的，具体可以但不限于包括有如下步骤s11～s12：s11.获取由至少三个温度传感器在所述当前采样时间节点连续多次采集的温度值，其中，所述至少三个温度传感器分别布置在不同的采样点位置；s12.对在所述当前采样时间节点连续多次采集的所有温度值进行算术平均值滤波处理，得到所述实时温度值。在前述步骤s11中，若根据温控系统的要求，温度采样频率为100hz，则可以0.1秒为相邻两采样时间节点的时间间隔，在采样时间节点到达时应用m个温度传感器，基于所述温度采样频率(即每隔0.01秒采集一次)连续n次采集得到n个温度值，然后对m*n个温度值进行算术平均值滤波处理，得到最终的且已消除温度采样中随机干扰噪声的所述实时温度值，其中，m和n分别表示大于2且小于10的正整数,即有m个采样点。此外，所述算术平均值滤波处理的具体方式为现有数字滤波处理方式，指在某时刻(即采样时间节点)对信号进行连续多次采样，然后对采样值进行算术平均，作为该时刻的信号值，其中，连续采样的次数视具体情况而定。
[0058]
s2.计算得到所述实时温度值与目标温度值的温度差值，其中，所述目标温度值与所述当前采样时间节点对应。
[0059]
在所述步骤s2中，所述目标温度值需要根据所处时段而动态确定，在一个典型的pcr扩增反应循环中，主要分为58℃、78℃和98℃三个时段，即从室温升至58℃，保持30秒；从58℃升温至98℃，保持30秒；从98℃降至58℃，保持30秒；从58℃升温至78℃，保持30秒；从78℃升温至98℃，保持30秒；接下来按照98℃
‑
58℃
‑
78℃的顺序进行温度的依次循环。由此在所述pcr扩增仪中，所述目标温度值可以为升温过程时段的58℃、78℃或98℃，或者为降温过程时段的58℃，或者为温度维持时段的58℃、78℃或98℃等。
[0060]
s3.判断所述温度差值的绝对值是否大于预设温差阈值，其中，所述预设温差阈值介于2～3℃之间。
[0061]
在所述步骤s3中，所述预设温差阈值用于作为在模糊控制模式与模糊pid控制模式之间进行切换的决策依据，其具体值优选为2.5℃。
[0062]
s4.若是，则控制所述pcr扩增仪中的第一模糊控制器处于工作状态，以及控制所述pcr扩增仪中的第二模糊控制器和pid控制器处于非工作状态，同时将所述温度差值和温度差值变化量传送至所述第一模糊控制器，以便通过所述第一模糊控制器来控制所述pcr扩增仪中的电源向升降温调节器输出的驱动电流大小，其中，所述温度差值变化量等于所
述温度差值与对应前一个采样时间节点的温度差值之差。
[0063]
在所述步骤s4中，若判定所述温度差值的绝对值大于所述预设温差阈值，则表明在升/降温过程的初期，实际温度值离所述目标温度值还有一定距离，考虑此时温控系统对温度的静态性能并无特别要求，但需要尽量快的升/降温速度，因此在此时可通过所述第一模糊控制器使输出的数字信号尽量大，从而通过对所述电流调节器的调节控制，使所述电源向所述升降温调节器输出较大的驱动电流，提升加热/散热速度，实现应用模糊控制模式达成快速升/降温的目的。此外，所述温度差值和所述温度差值变化量等为在针对温度控制的模糊控制算法中所必需的输入参量，并在执行完所述步骤s4之后，将在下一个采样时间节点到达时返回执行步骤s1，以便持续性地进行温度控制。
[0064]
在所述步骤s4中，为了避免此时由所述pid控制器输出的不确定数字信号会对所述电流调节器造成控制干扰，优选的，控制所述pcr扩增仪中的第一模糊控制器处于工作状态，以及控制所述pcr扩增仪中的第二模糊控制器和pid控制器处于非工作状态,包括但不限于：向电连接在所述第一模糊控制器的输出端的第一开关发送接通指令，以及向电连接在所述pid控制器的输出端的第二开关发送断开指令，以便将所述pid控制器的输出数字信号置为零。所述第一开关和所述第二开关可以是实体的电控开关(例如继电器开关)，也可以是实现开关函数的虚拟开关，它们串联在对应控制器与所述电流调节器之间，且使受控端通信连接所述控制器，以便接收指令，并在导通时使由对应控制器输出的数字信号能够传送至所述电流调节器，产生对所述驱动电流大小进行动态调节的作用，而在断开时使对应控制器输出的数字信号截止，禁止传送给所述电流调节器，即相当于将对应控制器的输出数字信号置为零，不产生对所述驱动电流大小进行调节的动作。由此通过向所述第一开关发送接通指令，以及向所述第二开关发送断开指令，可以实现整个温控系统仅工作在模糊控制模式下的目的。
[0065]
s5.若否，则控制所述第一模糊控制器处于非工作状态，以及控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态，同时将所述温度差值和所述温度差值变化量传送至所述第二模糊控制器，以及将所述温度差值传送至所述pid控制器，以便通过所述第二模糊控制器调节所述pid控制器的控制参数，并最终通过所述pid控制器来控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小。
[0066]
在所述步骤s5中，若判定所述温度差值的绝对值小于或等于所述预设温差阈值，则表明在升/降温过程的末期或温度维持过程中，实际温度值已接近所述目标温度值，为了满足温控系统的静态性能要求，可利用所述第二模糊控制器来根据输入参量(即所述温度差值和所述温度差值变化量等)的变化，适当调节所述pid控制器的控制参数，既可弥补pid控制器在动态性能不佳的缺点，又能有效控制系统的超调量，实现应用模糊pid控制模式达成精准维持温度的目的。此外，所述温度差值和所述温度差值变化量等为在针对温度控制的模糊控制算法中所必需的输入参量，所述温度差值为在针对温度控制的pid控制算法中所必需的输入参量，并在执行完所述步骤s5之后，将在下一个采样时间节点到达时返回执行步骤s1，以便持续性地进行温度控制。
[0067]
在所述步骤s5中，所述pid控制器的工作原理如图3所示，其传递函数gc(s)可如下表达式：
[0068][0069]
式中，s表示变量，k
p
表示比例增益，k
i
表示积分增益，k
d
表示微分增益，即通过调整控制参数：比例增益k
p
、积分增益k
i
和微分增益k
d
，可使被控对象有更优良的动态响应和静态响应，进而满足控制系统要求。所述pid控制器的具体工作过程包括有比例环节、积分环节和微分环节，其中，所述比例环节用于根据偏差量成比例的调节系统控制量，以此产生控制作用，减少偏差，即所述比例增益的作用是增加系统响应的速度，比例增益越大，系统响应越快，但系统也容易产生超调，而比例增益过小，会影响系统调节的精度，系统响应时间变长，导致系统的动态响应变差；所述积分环节用于消除静差，提高系统的无差度，其积分时间常数(即积分增益)决定着积分环节作用的强度，但是积分作用过强的话会影响系统的稳定性；所述微分环节用于根据偏差量的变化趋势来调节系统控制量，在偏差信号发生较大变化之前，提早引入一个校正信号，起到加快系统动作速度，减少调节时间的作用，其调节微分参数(即微分增益)需要注意微分作用太强可能会引起系统振荡。本实施例为了在温控系统中调试方便，将所述pid控制器的控制参数：比例增益k
p
、积分增益k
i
和微分增益k
d
，分别定义为外部可调输入参数，即如图4所示的实现pid控制算法的仿真结构，其中，et代表与所述当前采样时间节点对应的温度差值；图标3
‑
kp1代表所述比例增益k
p
；图标4
‑
ki1代表所述积分增益k
i
；图标5
‑
kd1代表所述微分增益k
d
；图标fcn_2、fcn_3和fcn_4分别代表在pid控制算法求解后比例环节、积分环节和微分环节对输出贡献值的大小。
[0070]
在所述步骤s5中，所述第二模糊控制器的输出u(t)可用下式表示：
[0071][0072]
式中，t表示时间变量，k
p
表示所述pid控制器设定的初始比例增益，k
i
表示所述pid控制器设定的初始积分增益，k
d
表示所述pid控制器设定的初始微分增益。δk
p
、δk
i
和δk
d
分别为所述第二模糊控制器输出的且与所述pid控制器的三个控制参数一一对应的输出量，用于分别修正所述pid控制器的比例增益、积分增益和微分增益，e(t)表示与时间变量t对应的温度差值，de(t)表示与时间变量t对应的温度差值变化量，dt表示时间变量t的微分形式。所述第二模糊控制器的主要任务是找到所述pid控制器的三个控制参数的修正量与温度差值e(t)和温度差值变化量de(t)之间对应的模糊关系，进而自整定参数δk
p
、δk
i
和δk
d
，并在运行中通过不断检测温度差值e(t)和温度差值变化量de(t)，对所述pid控制器的三个控制参数进行在线修正，以满足在温度变化的不同阶段，对pid控制器参数的不同要求，从而使被控对象(即所述升降温调节器)有良好的动态和静态性能。
[0073]
具体的，所述温控系统输入的模糊化为温度差值和温度差值变化量的模糊化，在所述第二模糊控制器中，隶属度函数均采用三角型隶属度函数，即系统变量模糊化的隶属度按照三角形隶属度函数计算。由于在所述pid控制器中，所述比例增益k
p
与系统响应速度有关，k
p
越大，系统的响应速度越快，系统精度越高，但是过大的k
p
会使系统容易产生超调，甚至导致系统的不稳定；所述积分增益k
i
用于消除系统稳态误差，k
i
越大，系统的稳态温差越快消除，但是过大的k
i
会产生积分饱和现象，引起较大超调和过分振荡，因此需要通过在温控系统中不断运行和尝试，合理平衡比例增益k
p
、积分增益k
i
和微分增益k
d
的关系，才可以获得较好的控制效果。
[0074]
如图5所示的实现模糊pid控制算法的仿真结构，所述比例增益k
p
、积分增益k
i
和微分增益k
d
的模糊控制表分别放置于图标tip
‑
p2、tip
‑
i2和tip
‑
d2中，以方便程序快速的进行调用，e1表示所述温度差值，edt1表示所述温度差值变化量，这两个量均为输入量；为了调节方便，可将所述第二模糊控制器中的所有论域定义为[
‑
x,x],并通过与设定值为2对应的第一量化因子来精调所述温度差值的论域范围，通过与设定值为2.5对应的第二量化因子来精调所述温度差值变化量的论域范围，通过与设定值为10对应的第三量化因子来精调比例增益修正量的论域范围，通过与设定值为10对应的第四量化因子来精调积分增益修正量的论域范围，通过与设定值为1对应的第五量化因子来精调微分增益修正量的论域范围，其中，x表示等于6的正整数，所述设定值表示对应量化因子与正整数x的积；图标6
‑
kp2、7
‑
ki2和8
‑
kd2分别指代所述pid控制器中比例增益、积分增益和微分增益的初始值；系统函数mkp、mki和mkd分别表示在模糊控制算法求解后在比例环节、积分环节和微分环节对输出的贡献值大小。
[0075]
在所述步骤s5中，为了避免此时由所述第一模糊控制器输出的不确定数字信号会对所述电流调节器造成控制干扰，优选的，控制所述第一模糊控制器处于非工作状态，以及控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态,包括但不限于：向电连接在所述第一模糊控制器的输出端的第一开关发送断开指令，以及向电连接在所述pid控制器的输出端的第二开关发送接通指令，以便将所述第一模糊控制器的输出数字信号置为零。所述第一开关和所述第二开关的具体描述，可参见前述步骤s4，于此不再赘述。
[0076]
如图6至10所示，基于如图6所示的实现所述温控方法的仿真结构，可得到如图7～10所示的仿真所得温度变化曲线，由此可以看出，在从室温升至58℃、从58℃升温至98℃、从58℃升温至78℃和从78℃升温至98℃的升温过程中以及在从98℃降至58℃的降温过程中，可以实现快速的升温或降温，并在升温至58℃稳定后，可使稳态误差<0.1℃,超调量处于2℃以内，以及在升温至98℃稳定后，可使稳态误差<0.1℃,超调量处于2℃以内，以及在降温至58℃稳定后，可使稳态误差<0.1℃,且在多次循环后偶有误差介于0.1～0.15℃之间。综前所述，通过实验数据结果可知，本实施例提供的温控算法可实现升温稳态误差小于0.1℃，降温误差小于0.15℃精度的效果，进而可提升dna片段的扩增效率，缩短反应所需时间，利于快速得到pcr检测结果。
[0077]
由此基于前述步骤s1～s5所描述的温控方法，提供了一种应用于pcr扩增仪的且采取多模态分段控制策略的温控方案，即通过将实时目标温差与预设温差阈值的比较结果作为在模糊控制模式与模糊pid控制模式之间进行切换的决策依据，可在目标温差较大时应用模糊控制模式，保证以最快速度进行升温/降温，而在目标温差较小时应用模糊pid控制模式，确保低稳态误差和低超调量，实现精准维持温度的目的，进而使得所述pcr扩增仪的温控系统具有多模态的温控模式，可在最大程度上使系统性能达到快升降温速度、超调量低、振荡小以及高精度的统一，提升dna片段的扩增效率，缩短反应所需时间，利于快速得到pcr检测结果，便于实际应用和推广。
[0078]
本实施例在前述第一方面的技术方案基础上，还具体提供了一种在温度维持过程中进一步降低稳态误差和超调量的可能设计一，即在所述当前采样时间节点处于温度维持阶段的中期时，所述温控方法还包括但不限于有：在判定所述温度差值的绝对值小于或等于所述预设温差阈值时，控制所述pid控制器处于工作状态，以及控制所述第一模糊控制器
和所述第二模糊控制器处于非工作状态，同时将所述温度差值传送至所述pid控制器，以便通过所述pid控制器来控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小。由于在所述当前采样时间节点处于温度维持阶段的中期时，受在升温过程中所带来的余热量或在降温过程中所带来的余冷量而引起温度波动的范围已经很小，因此通过直接应用pid控制算法来进行温度控制，可以实现更小稳态误差和超调量的效果，进一步实现精准维持温度的目的。此外，所述中期可以举例为30秒中的第10秒～第20秒。
[0079]
由此基于前述所详细描述的可能设计一，可以在温度维持阶段的中期，实现更小稳态误差和超调量的效果，进一步实现精准维持温度的目的。
[0080]
如图11所示，本实施例第二方面提供了一种实现第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述温控方法的虚拟装置，其布置在所述pcr扩增仪的控制器中，包括有温度获取单元、温差计算单元、比较判断单元、器件控制单元、第一传送单元和第二传送单元；
[0081]
所述温度获取单元，用于获取由所述pcr扩增仪中的温度传感器在当前采样时间节点采集的实时温度值；
[0082]
所述温差计算单元，通信连接所述温度获取单元，用于计算得到所述实时温度值与目标温度值的温度差值，其中，所述目标温度值与所述当前采样时间节点对应；
[0083]
所述比较判断单元，通信连接所述温差计算单元，用于判断所述温度差值的绝对值是否大于预设温差阈值，其中，所述预设温差阈值介于2～3℃之间；
[0084]
所述器件控制单元，通信连接所述比较判断单元，用于在判定所述绝对值大于所述预设温差阈值时，控制所述pcr扩增仪中的第一模糊控制器处于工作状态，以及控制所述pcr扩增仪中的第二模糊控制器和pid控制器处于非工作状态，而在判定所述绝对值小于或等于所述预设温差阈值时，控制所述第一模糊控制器处于非工作状态，以及控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态；
[0085]
所述第一传送单元，分别通信连接所述器件控制单元和所述温差计算单元，用于在控制所述第一模糊控制器处于工作状态时，将所述温度差值和温度差值变化量传送至所述第一模糊控制器，以便通过所述第一模糊控制器来控制所述pcr扩增仪中的电源向升降温调节器输出的驱动电流大小，其中，所述温度差值变化量等于所述温度差值与对应前一个采样时间节点的温度差值之差；
[0086]
所述第二传送单元，分别通信连接所述器件控制单元和所述温差计算单元，用于在控制所述第二模糊控制器和所述pid控制器处于工作状态时，将所述温度差值和所述温度差值变化量传送至所述第二模糊控制器，以及将所述温度差值传送至所述pid控制器，以便通过所述第二模糊控制器调节所述pid控制器的控制参数，并最终通过所述pid控制器来控制所述电源向所述升降温调节器输出的驱动电流大小。
[0087]
本实施例第二方面提供的前述装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法，于此不再赘述。
[0088]
如图1所示，本实施例第三方面提供了一种采用第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述温控方法的温控系统，包括有控制器、温度传感器、第一模糊控制器、第二模糊控制器、pid控制器、电源、电流调节器和升降温调节器，其中，所述控制器用于执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法；
[0089]
所述控制器分别通信连接所述温度传感器、所述第一模糊控制器、所述第二模糊
控制器和所述pid控制器，其中，所述第一模糊控制器的输出端和所述pid控制器的输出端分别通信连接所述电流调节器的受控端，所述第二模糊控制器的输出端通信连接所述pid控制器；
[0090]
所述电源电连接所述电流调节器的电流输入端，所述电流调节器的电流输出端电连接所述升降温调节器。
[0091]
本实施例第三方面提供的前述系统的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法，于此不再赘述。
[0092]
如图12所示，本实施例第四方面提供了一种执行第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述温控方法的计算机设备，包括有依次通信连接的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法。具体举例的，所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器(random
‑
access memory，ram)、只读存储器(read
‑
only memory，rom)、闪存(flash memory)、先进先出存储器(first input first output，fifo)和/或先进后出存储器(first input last output，filo)等等；所述收发器可以但不限于为wifi(无线保真)无线收发器、蓝牙无线收发器、gprs(general packet radio service，通用分组无线服务技术)无线收发器和/或zigbee(紫蜂协议，基于ieee802.15.4标准的低功耗局域网协议)无线收发器等；所述处理器可以但不限于采用型号为stm32f105系列的微处理器。此外，所述计算机设备还可以但不限于包括有电源模块、显示屏和其它必要的部件。
[0093]
本实施例第四方面提供的前述计算机设备的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法，于此不再赘述。
[0094]
本实施例第五方面提供了一种存储包含第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述温控方法的指令的计算机可读存储介质，即所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法。其中，所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(memory stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
[0095]
本实施例第五方面提供的前述计算机可读存储介质的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法，于此不再赘述。
[0096]
本实施例第六方面提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面或第一方面中任意一种可能设计所述的温控方法。其中，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。
[0097]
最后应说明的是，本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。