CN106769812B - 一种流式细胞仪层流控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种流式细胞仪层流控制方法，所述控制方法包括：a)在第一控制输入端输入设定参数，由所述设定参数控制第一气压比例阀对样品池加压；b)第一压力传感器采集样品液压力，由第一信号处理器转换为第一反馈参数；c)第一反馈参数分为调节参数和控制参数两路，所述调节参数与设定参数通过第一模糊PID控制器调整为第一精确控制量；d)控制参数输入由计算比例模块输入到第二控制输入端，由控制参数控制第二气压比例阀对鞘液池加压；e)第二压力传感器采集鞘液压力，由第二信号处理器转换为第二反馈参数；f)第二反馈参数与控制参数通过第二模糊PID控制器调整为第二精确控制量，本发明能够实现调节和压力稳定输出。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种流式细胞仪层流控制***及控制方法。
背景技术
流式细胞仪是一种基于流式细胞术原理对单细胞及微粒进行定量定性分析及分选的全自动医疗仪器。液流***作为流式细胞仪的基础***，将含有被荧光染色的细胞或微颗粒的样本液与作为缓冲液的鞘液按照一定压力比注入流动室，利用液流聚焦原理使细胞或微颗粒在层流状态下依次通过流动室检测区域。控制样本液与鞘液的入口压力稳定比是微型流动室内形成层流的前提和后续信号检测的保障，也是整个仪器核心技术之一。
目前，流式细胞仪液流***主要采用传统PID控制算法通过控制阀体对外置空气压力及真空供压等动力源进行控制，功能实现建立在有效的、相对精确的***模型的基础，解决了供压的安全性和快速性问题。但是液流***却是一个时变的、滞后的、非线性的***，而且气压源高速供压对液流***存在随机干扰，反馈调节参数获取滞后，需要长时间达到稳定，建立一个精确的、动态的数学模型困难。目前的解决方案主要集中于研究与开发高性能的电气比例阀，研究各物理参数对气动阀性能的影响，实现性能的最大化，但相关理论国内研究不足，处于研发阶段且费用高。传统流式细胞仪液流***中，样品液与鞘液两条主液路独立进行控制，形成层流的宽度固定，但样品液入口压力和鞘液入口压力相关性及同步性低，无法在样品液中颗粒直径大小变化时改变入口压力得到合适的层流宽度。
因此，需要一种在控制***中引入反馈，建立压力闭环和主从结构，进行实时调节、实现压力稳定输出的流式细胞仪层流控制***及控制方法。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种流式细胞仪层流控制***，所述控制***包括第一控制输入端、第二信号控制输入端和流动室，其中
所述第一控制输入端包括第一模糊PID控制器、第一气压比例阀、第一压力传感器、第一信号处理器和样品液池；所述第二控制输入端包括第二模糊PID控制器、第二气压比例阀、第二压力传感器、第二信号处理器和鞘液池；
所述样品液池与所述流动室连通，使所述第一气压比例阀控制样品液流入所述流动室的样品液压力，所述第一压力传感器将所述样品液压力反馈给所述第一模糊PID控制器；
所述鞘液池与所述流动室连通，使所述第二气压比例阀控制鞘液流入所述流动室的鞘液压力，所述第二压力传感器将所述鞘液压力反馈给所述第二模糊PID控制器；
在所述第一控制输入端与所述第二控制输入端之间设有计算比例模块，用于通过所述第一信号处理器将所述样品液压力传递至所述第二模糊PID控制器。
优选地，所述第一模糊PID控制器与所述第一气压比例阀之间通过第一A/D转换器与第一放大器连接。
优选地，所述第二模糊PID控制器与所述第二气压比例阀之间通过第二A/D转换器与第二放大器连接。
优选地，所述第一气压比例阀连接第一气泵，所述第二气压比例阀连接第二气泵。
本发明的另一个发明在于提供一种流式细胞仪层流控制方法，所述控制方法包括：
a)在第一控制输入端输入设定参数，由所述设定参数控制第一气压比例阀对样品池加压；
b)第一压力传感器采集样品液压力，由第一信号处理器转换为第一反馈参数；
c)所述第一反馈参数分为调节参数和控制参数两路，所述调节参数与所述设定参数通过第一模糊PID控制器调整为第一精确控制量；
d)所述控制参数由计算比例模块输入到第二控制输入端，由所述控制参数控制第二气压比例阀对鞘液池加压；
e)第二压力传感器采集鞘液压力，由第二信号处理器转换为第二反馈参数；
f)所述第二反馈参数与所述控制参数通过第二模糊PID控制器调整为第二精确控制量。
优选地，所述步骤c)中第一模糊PID控制器的控制方法包括：
c1)所述调节参数与所述设定参数通过离散比较得到偏差e和偏差变化率ec；
c2)将所述偏差e和偏差变化率ec转化为模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi；
c3)对所述模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi进行去模糊化，并整定为精确控制量Kp、Kd、Ki。
优选地，所述步骤f)中第二模糊PID控制器的控制方法包括：
f1)所述第二反馈参数与所述控制参数通过离散比较得到偏差e’和偏差变化率ec’；
f2)将所述偏差e’和偏差变化率ec’转化为模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’；
f3)对所述模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’进行去模糊化，并整定为精确控制量Kp’、Kd’、Ki’。
优选地，所述偏差e和偏差变化率ec转化为模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi，选定模糊子集为[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB]，对应的语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。
优选地，所述偏差e’和偏差变化率ec’转化为模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’，选定模糊子集为[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB]，对应的语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。
优选地，所述步骤a)中设定参数通过第一A/D转换成电压并由第一放大器将电压放大后控制所述第一气压比例阀对样品池加压；所述步骤d)中控制参数通过第二A/D转换成电压并由第二放大器将电压放大后控制所述第二气压比例阀对鞘液池加压。
本发明提供的流式细胞仪层流控制***及控制方法，模糊PID控制与样品液、鞘液的主从控制结构相结合进行参数自整定，弱化算法对控制***精确数学模型的依赖性，增强液路输出的同步性，实现实时调节和压力稳定输出。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明流式细胞仪控制***的结构图；
图2示出了本发明第一模糊PID控制器的控制模型示意图；
图3a示出了传统PID控制方法压力输出示意图；
图3b示出了本发明控制方法压力输出示意图；
图4a示出了传统PID控制方法响应速度示意图；
图4b示出了本发明控制方法响应速度示意图；
图5示出了本发明与传统PID控制方法相比同步误差对比图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。
下面结合具体的实施例对本发明的内容进行详细的阐释，在实施例中涉及到的相关术语应当是本领域技术人员所能理解的，除非在实施例中给出了具体的定义。为了是本发明的内容能够得以清晰的说明，首先对本发明所提供的一种流式细胞仪层流控制***进行说明。如图1所示本发明流式细胞仪控制***的结构图，一种流式细胞仪层流控制***，包括第一控制输入端、第二信号控制输入端和流动室118，其中第一控制输入端包括第一模糊PID控制器101、第一气压比例阀104、第一压力传感器108、第一信号处理器107和样品液池105。第二控制输入端包括第二模糊PID控制器110、第二气压比例阀113、第二压力传感器117、第二信号处理器116和鞘液池114。
样品液池105与流动室118连通，使第一气压比例阀104控制样品液流入所述流动室118的样品液压力，第一压力传感器108将样品液压力反馈给所述第一模糊PID控制器101。
鞘液池114与流动室118连通，使第二气压比例阀113控制鞘液流入所述流动室118的鞘液压力，第二压力传感器117将鞘液压力反馈给所述第二模糊PID控制器110。
在第一控制输入端与所述第二控制输入端之间设有计算比例模块109，用于通过第一信号处理器107将样品液压力传递至第二模糊PID控制器110。
根据本发明，本实施例为了使本发明的内容能够更加清楚的说明，将分为两路的第一反馈参数F称为调节参数T和控制参数K。在第一模糊PID控制器101与第一气压比例阀104之间通过第一A/D转换器102与第一放大器103连接。用于控制压力的设定参数S和调节参数T，进入到第一模糊PID控制器得到控制量，由第一A/D转换器102转换成电压U1，再经过第一放大器将电压U1放大为放大电压U2，从而控制第一气压比例阀104的气压对样品液池105的样品液压力P进行调节。
根据本发明，本实施在第二模糊PID控制器110与第二气压比例阀113之间通过第二A/D转换器111与第二放大器连接112。用于控制压力的控制参数K和第二反馈参数F’，进入到第二模糊PID控制器110得到控制量，由第二A/D转换器111转换成电压U1’，再经过第二放大器112将电压U1’放大为放大电压U2’，从而控制第二气压比例阀113的气压对鞘液池114的鞘液压力P’进行调节。
根据本发明，本实施例中，第一压力传感器108采集样品液池105的样品液压力P，将采集到的样品液压力经过第一信号处理器107处理后获得第一反馈参数F；第二压力传感器117采集鞘液池114的鞘液压力P’，将采集到的鞘液压力经过第二信号处理器116处理后获得第二反馈参数F’。
优选地，在一些实施例中，第一气压比例阀104还连接第一气泵106，用于为第一气压比例阀104补充压力；第二气压比例阀115还连接第二气泵，用于为第二气压比例阀115补充压力。
下面通过本实施例对本发明的流式细胞仪层流控制方法进行详细的说明，通过本发明提供的流式细胞仪层流控制***进行的层流控制方法包括：
步骤1：在第一控制输入端输入设定参数S，由设定参数S控制第一气压比例阀104对样品池加压。具体地，设定参数S通过第一模糊PID控制器101传递至第一A/D转换器102转换成电压U1，再经过第一放大器将电压U1放大为放大电压U2，控制第一气压比例阀104的气压对样品液池105的压力进行调节控制第一气压比例阀104对样品池加压。
步骤2：第一压力传感器108采集样品液压力，由第一信号处理器107转换为第一反馈参数F。
步骤3：第一反馈参数F分为调节参数T和控制参数K两路，其中调节参数T与设定参数S通过第一模糊PID控制器101调整为第一精确控制量，对样品池压力P进行修正。
步骤4：控制参数由计算比例模块输入到第二控制输入端，由控制参数控制第二气压比例阀113对鞘液池加压。具体地，控制参数通过第二模糊PID控制器110传递至第二A/D转换器111转换成电压U1’，再经过第二放大器112将电压U1’放大为放大电压U2’，控制第二气压比例阀113的气压对鞘液池114的鞘液压力进行调节。
步骤5：第二压力传感器117采集鞘液压力，由第二信号处理器116转换为第二反馈参数。
步骤6：第二反馈参数F’与控制参数K通过第二模糊PID控制器110调整为第二精确控制量，对鞘液压力P’进行修正。
根据本发明，步骤3中对样品池压力P的修正通过模糊控制的方法进行控制，图2示出了本发明第一模糊PID控制器的控制模型示意图，第一模糊PID控制器的控制方法包括：
调节参数T与设定参数S通过离散比较计算得到偏差e和偏差变化率ec，本实施例中为了得到压力精度的要求，定义偏差e和偏差变化率ec的论域为[-5，5]与[-0.5，0.5]，单位为mV(采样周期20ms)。
将偏差e和偏差变化率ec转化为模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi，本实施例中，选定模糊子集为[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB]，对应的语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，将偏差e和偏差变化率ec转化为模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi。本实施例中对上述偏差e和偏差变化率ec采用模糊推理规则转化为模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi。
根据本发明，对模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi进行去模糊化，并整定为精确控制量Kp、Kd、Ki。本实施例中采用加权平均法对模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi进行去模糊化，调整模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi。
通过上述控制方法调整参数得到精确控制量Kp、Kd、Ki，选取精确控制量Kp、Kd、Ki作为PID控制的初始值输出，转换为电压U，进而由第一气压比例阀转换为样品池压力P。
第二模糊控制器的控制方法与第一模糊PID控制器的控制方法相同，具体地说，第二模糊控制器的控制方法包括：
控制参数K与第二反馈参数F’通过离散比较计算得到偏差e’和偏差变化率ec’，本实施例中为了得到压力精度的要求，定义偏差e’和偏差变化率ec’的论域为[-5，5]与[-0.5，0.5]，单位为mV(采样周期20ms)。
将偏差e’和偏差变化率ec’转化为模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’，本实施例中，选定模糊子集为[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB]，对应的语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，对上述偏差e’和偏差变化率ec’采用模糊推理规则转化为模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’。
根据本发明，对模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’进行去模糊化，并整定为精确控制量Kp’、Kd’、Ki’。本实施例中采用加权平均法对模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’进行去模糊化，调整模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’。
通过上述控制方法调整参数得到精确控制量Kp’、Kd’、Ki’，选取精确控制量Kp’、Kd’、Ki’作为PID控制的初始值输出，转换为电压U’，进而由第二气压比例阀转换为鞘液压力P’。
如图3a所示了传统PID控制方法压力输出示意图；图3b所示本发明控制方法压力输出示意图。实施例中根据实施例中根据图3a与图3b进行对比，本发明提供的流式细胞仪层流控制***及控制方法，对于压力输出P/psi，样品液压力响应Y与鞘液压力响应Q更加稳定，均具有很好的控制效果。
如图4a所示传统PID控制方法响应速度示意图；图4b所示本发明控制方法响应速度示意图。实施例中根据图4a与图4b进行对比，本发明提供的流式细胞仪层流控制***及控制方法，对于速度响应P/psi，样品液速度响应Y与鞘液速度响应Q更加稳定，均具有很好的控制效果。
如图5所示本发明与传统PID控制方法相比同步误差对比图。实施例中，对于输出同步误差e/psi，根据本发明提供的流式细胞仪层流控制***及控制方法的同步误差B，相比较传统PID控制方法的同步误差C更小，具有很好的控制效果。
本发明提供的流式细胞仪层流控制***及控制方法，模糊PID控制与样品液、鞘液的主从控制结构相结合进行参数自整定，弱化算法对控制***精确数学模型的依赖性，增强液路输出的同步性，实现实时调节和压力稳定输出。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (10)
1.一种流式细胞仪层流控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
a)在第一控制输入端输入设定参数，由所述设定参数控制第一气压比例阀对样品池加压；
b)第一压力传感器采集样品液压力，由第一信号处理器转换为第一反馈参数；
c)所述第一反馈参数分为调节参数和控制参数两路，所述调节参数与所述设定参数通过第一模糊PID控制器调整为第一精确控制量；
d)所述控制参数由计算比例模块输入到第二控制输入端，由所述控制参数控制第二气压比例阀对鞘液池加压；
e)第二压力传感器采集鞘液压力，由第二信号处理器转换为第二反馈参数；
f)所述第二反馈参数与所述控制参数通过第二模糊PID控制器调整为第二精确控制量。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤c)中第一模糊PID控制器的控制方法包括：
c1)所述调节参数与所述设定参数通过离散比较得到偏差e和偏差变化率ec；
c2)将所述偏差e和偏差变化率ec转化为模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi；
c3)对所述模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi进行去模糊化，并整定为精确控制量Kp、Kd、Ki。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤f)中第二模糊PID控制器的控制方法包括：
f1)所述第二反馈参数与所述控制参数通过离散比较得到偏差e’和偏差变化率ec’；
f2)将所述偏差e’和偏差变化率ec’转化为模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’；
f3)对所述模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’进行去模糊化，并整定为精确控制量Kp’、Kd’、Ki’。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述偏差e和偏差变化率ec转化为模糊PID控制量ΔKp、ΔKd、ΔKi，选定模糊子集为[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB]，对应的语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述偏差e’和偏差变化率ec’转化为模糊PID控制量ΔKp’、ΔKd’、ΔKi’，选定模糊子集为[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB]，对应的语言变量为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，步骤a)中设定参数通过第一A/D转换成电压并由第一放大器将电压放大后控制所述第一气压比例阀对样品池加压；步骤d)中控制参数通过第二A/D转换成电压并由第二放大器将电压放大后控制所述第二气压比例阀对鞘液池加压。
7.一种流式细胞仪层流控制***，其特征在于，所述控制***包括第一控制输入端、第二控制输入端和流动室，其中
所述第一控制输入端包括第一模糊PID控制器、第一气压比例阀、第一压力传感器、第一信号处理器和样品液池；所述第二控制输入端包括第二模糊PID控制器、第二气压比例阀、第二压力传感器、第二信号处理器和鞘液池；
所述样品液池与所述流动室连通，使所述第一气压比例阀控制样品液流入所述流动室的样品液压力，所述第一压力传感器将所述样品液压力反馈给所述第一模糊PID控制器；
所述鞘液池与所述流动室连通，使所述第二气压比例阀控制鞘液流入所述流动室的鞘液压力，所述第二压力传感器将所述鞘液压力反馈给所述第二模糊PID控制器；
在所述第一控制输入端与所述第二控制输入端之间设有计算比例模块，用于通过所述第一信号处理器将所述样品液压力传递至所述第二模糊PID控制器。
8.根据权利要求7所述的控制***，其特征在于，所述第一模糊PID控制器与所述第一气压比例阀之间通过第一A/D转换器与第一放大器连接。
9.根据权利要求7所述的控制***，其特征在于，所述第二模糊PID控制器与所述第二气压比例阀之间通过第二A/D转换器与第二放大器连接。
10.根据权利要求7所述的控制***，其特征在于，所述第一气压比例阀连接第一气泵，所述第二气压比例阀连接第二气泵。
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