一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统及工作
方法
(一)技术领域：
[0001] 本
发明属于高
精度高鲁棒性的
温度控制技术领域，尤其是一种基于LADRC(Linear Active Disturbance Rejection Control——线性自抗扰控制)的全自动酶免分析仪孵育温控系统及工作方法。(二)背景技术：
[0002] 近年来，酶联
免疫吸附实验检测已成为医学检测中对人体血液和体液检测的重要方式，酶免分析仪的全自动化也逐渐代替手工操作来提高检测效率。其中，酶免实验中孵育反应阶段是很重要的环节，而这个阶段主要的控制因素就是
温度控制。首先，孵育板中需要经过一定的升温时间到达反应温度，在设定一定的时间内，如果升温时间的延长必然会导致反应时间的缩短，造成实验反应不完全，易出现假阴性的结果；同时，因为温度反应是一个不确定的滞后系统，很容易因为控制不当出现超调现象，此时便会影响到反应酶的活性问题，温度过高的话可能会使酶失活；最重要的，因为温度采集控制装置的
散热与保温效果的影响以及实验过程中
环境温度的变化，对酶免实验是一种不确定的干扰，加上实验控制中的内部因素，这些不确定的内外扰动会影响到实验控制的精确性以及实验过程的不
稳定性，所以也会成为实验反应不成功的因素之一，所以对全自动酶免分析仪孵育温控系统的精度和鲁棒性的控制是必要的环节。
[0003] 目前，国内外也有许多厂家致
力于酶免分析仪更全面的技术应用上，在温度
数据采集上也逐渐由16位精度向24位或更高发展，同时，在温度控制
算法上也应用多种控制算法的结合来提高控制精度和稳定性能，但这些算法还是存在对仪器运行中各个环节的扰动没有合理的分析解决方案。所以在解决温度控制精度和控制内外扰动两个问题上需要更多的研究。(三)发明内容：
[0004] 本发明的目的在于提供
一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统及工作方法，它可以弥补
现有技术的不足，是一种结构简单，操作方便，控制精度高，鲁棒性强的系统和方法。
[0005] 本发明的技术方案：一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统，其特征在于它包括上位机、传动板处理器、温度板处理器、
电机传动单元和温度采集控制单元构成；其中，所述传动板处理器的输入端分别采集上位机的控制
信号和电机传动单元的
输出信号，其输出端与电机传动单元的输入端连接；所述温度板处理器的输入端分别采集上位机的
控制信号和温度采集控制单元的输出信号，其输出端与温度采集控制单元的输入端连接。
[0006] 所述上位机与传动板处理器和温度板处理器之间依CAN总线连接；所述CAN总线是由CAN
控制器和CAN接收器构成；上位机分别通过CAN总线控制传动板和温度板的处理器，传动板处理器控制电机驱动来控制步进电机带动负载运行，并通过
位置传感器来反馈位置信息；温度板处理器通过驱动
电流对加热装置加热
试剂，并通过温度采集装置以及温度转换装置来实时反馈温度值，并通过线性自抗扰算法进行温度反应控制，达到控温的效果。
[0007] 所述CAN控制器采用带有CAN控制功能的MK10DN512VLL100芯片，所述的CAN接收器采用TJA1050T芯片；所述MK10DN512VLL100芯片和TJA1050T芯片上均有有CANH引脚和CANL引脚；所述CANH引脚和CANL引脚并联一个
电阻R1，进行线路阻抗匹配的作用；所述TJA1050T芯片还有TXD端和RXD端；所述TXD端和RXD端分别与传动板处理器和温度板处理器的引脚相连接，S端直接接地。
[0008] 所述CANH引脚和CANL引脚并联的电阻R1的阻值为120欧姆。
[0009] 所述传动板处理器和温度板处理器均采用飞思卡尔MK10DN512VLL100芯片；同时采用CAN总线进行通信控制；先由上位机选取传动板处理器来发送控制指令，通过设定的S型加减速程序来控制电机平稳启动运行，通过
光电传感器实时获取位置信息，控制脉冲数使得步进电机运动到
指定位置，此时对温度板处理器发出控制信号，通过PT100来采集初始温度以及实时温度值传给处理器，通过
修改线性自抗扰程序初始值和参数值来进行升温和恒温操作，保证实验的稳定进行，达到反应时间后，再由传动板处理器控制将反应物送到指定检测位置进行检测，完成孵育实验过程。
[0010] 所述的电机传动单元由步进电机、电机驱动装置、
位置传感器和负载组成；所述电机驱动装置的输入端接收传动板处理器的输出信号，其输出端与步进电机的输入端连接以控制负载的动作；所述位置传感器的输入端采集负载的位置信息，其输出端与传动板处理器的输入端连接。
[0011] 所述步进电机是格威特的42型两相步进电机17HS3001；所述电机驱动装置采用DRV8825芯片。
[0012] 所述温度采集控制单元是由加热装置、试剂、温度采集装置、温度转换装置和LADRC控制器组成；其中，所述温度采集装置的输入端采集试剂的温度，其输出端与温度转换装置的输入端连接；所述温度转换装置的输出端连接温度板处理器的输入端；所述加热装置的输入端接收温度板处理器的输出信号，为试剂加热；所述温度板处理器与LADRC控制器呈双向连接。
[0013] 所述加热装置是由电阻R17、光
电隔离单元U10、电阻R13、电阻R16、电阻R15、MOS管驱动
电路及加热棒P4构成；其中，所述光电隔离单元U10的输入端一端接3.3V电源，另一端
串联一个电阻R17接温度板处理器控制的PWM温度控制端口W2，其输出端一端分别串联电阻R13、电阻R15、电阻R16，另一端直接接地；所述电阻R13的另一端，即输出端接24V电源，所述所述电阻R16的另一端接地；所述电阻R15的输出端与MOS管的输入端连接；所述MOS管的输出端接加热棒P4的一个输入端；所述加热棒P4的另一个输入端接24V电源。
[0014] 所述电阻R17阻值为120欧姆，所述电阻R13和电阻R16阻值都为10K欧姆，所述电阻R15阻值为1K欧姆。
[0015] 所述加热棒采用两根75W加热棒串联连接的结构；所述光电隔离单元U10选用PC817隔离芯片；所述MOS管是IRLB8743MOS管；通过温度驱动加热电路进行加热，选用PC817隔离芯片主要进行处理器弱电和温度加热强电的信号隔离，控制信号通过IRLB8743MOS管进行电流放大，来驱动加热装置进行反应。
[0016] 所述温度采集装置是四线制PT100温度检测
探头；所述温度转换装置采用ADI芯片AD7124-8；温度转换装置由ADI芯片AD7124-8进行
模数转换；采用线性自抗扰结构对实时温度进行控制处理，处理器通过对比被控对象的实时温度和设定温度，调整参数LADRC控制器的参数Kp，ω0，b0，控制输出量对系统进行加热反应，期间会有不确定的系统外界干扰，而结构中线性扩张状态观测器LESO不仅
跟踪输出控制量及其微分量，同时估计出对象的总扰动补偿给被控对象，使得输出控制量不受外界扰动的影响，达到恒温反应的目的。
[0017] 一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
[0018] ①由上位机发送步进电机运行指令，通过CAN总线发送给传动板处理器；
[0019] ②传动板处理器根据设定的步进电机S型加减速曲线流程来控制步进电机的
加速启动、匀速行驶和减速停止的运行；
[0020] ③用位置传感器实时检测负载的位置信息，使得步进电机带动负载运行到指
定位置；
[0021] ④上位机发送控温指令，通过CAN总线发送给温度处理器；
[0022] ⑤由温度采集装置实时采集温度加热过程的温度，由于温度是一个模拟控制量，由温度转换装置对其进行模数转换，将转换后的
数字量温度值通过SPI通信方式传递给温度板处理器；
[0023] ⑥将实际温度与设定值做比较，得到差值，作为LADRC控制器的输入量，而输出则是经LADRC控制器算法调节后的新的温度设定值，完成孵育反应；
[0024] ⑦当孵育反应结束，由上位机再向传动板处理器发送运行指令，将反应物送到指定检测位置进行检测，完成孵育阶段的操作。
[0025] 所述步骤②中S型加减速曲线程序是在中断中处理控制脉冲数，在加速部分，由台阶步数的计数递减再到台阶数的计数递减达到加速脉冲数的计数完成，从而完成加速过程；在匀速部分，通过递减匀速脉冲数来完成匀速过程；在减速阶段，同样进行台阶步数的计数递减再到台阶数的计数递减达到减速脉冲数的计数完成，从而完成一个指令的运行过程。
[0026] 所述步骤⑥中LADRC控制器的设计包括以下步骤：
[0027] (1)建立全自动酶免分析仪孵育温控仪的数学模型：
[0028] 假设试管和试液的系统总
热容为C，则根据
传热学方程可得：
[0029]
[0030] 其中，Tc为样品
块温度，假设样品块温度与
半导体制冷片表面温度相等，Qc为样品块与周围发生热交换的热量，Q为加热或制冷时半导体制冷片流向样品块的热量；
[0031] 由半导体制冷片的
热电效应的热量产生公式可知，在恒电流I作用下,半导体制冷片的纯制热量为：
[0032]
[0033] 纯制冷量为：
[0034]
[0035] 其中，αab是
塞贝克系数，和材料有关，R是半导体制冷片电阻，K是半导体制冷片的总电导；由式(2)或式(3)可知，Q与I是非线性的关系，如果I产生增量ΔI，相应的Q产生增量ΔQ，又因为系统是
迟滞系统，所以可以认为Tc不变；
[0036] 将式(2)和式(3)在I处用泰勒级数展开，可得：
[0037] ΔQ＝f′(I)ΔI+f″(I)ΔI2+… (4)
[0038] 式中，f是Q与I之间的方程，当ΔI非常小时，可以忽略式(4)中2次方及2次方以上的项，则式(4)可简化为：
[0039] ΔQ＝f′(I)ΔI＝K0ΔI (5)
[0040] 由传热学原理可知，假设样品块的热阻为Θ，则样品块的
热损失为：
[0041]
[0042] 当半导体制冷片在单位时间内加热或制冷的过渡过程中有增量：
[0043]
[0044] 将式(5)、式(6)、式(7)代入式(1)中可得微分方程为：
[0045]
[0046] 在两边做拉普拉斯变化即可得到系统的传递函数为：
[0047]
[0048] 其中，K＝K0Θ，T＝CΘ；
[0049] 考虑到样品块与试管、试管与试液之间传热导致的温度滞后，式(9)中加入一个延迟时间τ，则全自动酶免分析仪孵育温控仪变温系统的传递函数为：
[0050]
[0051] (2)设计LADRC控制器：
[0052] 因为系统模型为一阶滞后系统，所以设计了一阶线性自抗扰控制器，省去了跟踪微分器，而ESO和NLSEF都采用了线性的函数，构成了简化的自抗扰控制器，LESO的
状态空间方程如下：
[0053]
[0054] 其中，z＝[z1 z1]T为状态观测量向量，y为系统输出，u为系统输入，矩阵A、B、C、D表达式分别为
[0055]
[0056] 本发明的优越性在于：①步进电机运动多种技术相结合，包括细分驱动技术﹑加减速启停控制技术和闭环反馈来进行位置的准确定位，保证仪器运行的稳定可靠；②采用ADI公司生产的24位高精度A/D转换芯片AD7124-8，可实现高
分辨率﹑低非线性误差和低噪声性能，同时利用四线制PT100采集温度，减少引线电阻的影响，提高了温度采集的精度；③采用CAN通信作为信号传递方式，具有实时性强﹑传输距离远﹑抗
电磁干扰能力强和成本低的优点；④采用线性自抗扰算法进行温度控制，利用其对不确定外界干扰的补偿处理，保证恒温过程的鲁棒性能，同时保证实验检测的转却可靠。(四)
附图说明：
[0057] 图1为本发明所涉一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统的总体结构示意图。
[0058] 图2为本发明所涉一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统中的CAN总线接收电路图。
[0059] 图3为本发明所涉一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统中的温度驱动加热电路图。
[0060] 图4为本发明所涉一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统中的线性自抗扰结构图。
[0061] 图5为本发明所涉一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统的工作方法中步进电机S型加减速
流程图。(五)具体实施方式：
[0062]
实施例：一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统(见图1)，其特征在于它包括上位机、传动板处理器、温度板处理器、电机传动单元和温度采集控制单元构成；其中，所述传动板处理器的输入端分别采集上位机的控制信号和电机传动单元的输出信号，其输出端与电机传动单元的输入端连接；所述温度板处理器的输入端分别采集上位机的控制信号和温度采集控制单元的输出信号，其输出端与温度采集控制单元的输入端连接。
[0063] 所述上位机与之间依CAN总线连接；所述CAN总线是由CAN控制器和CAN接收器构成。
[0064] 所述CAN控制器(见图2)采用带有CAN控制功能的MK10DN512VLL100芯片，所述的CAN接收器采用TJA1050T芯片；所述MK10DN512VLL100芯片和TJA1050T芯片上均有有CANH引脚和CANL引脚；所述CANH引脚和CANL引脚并联一个电阻R1，进行线路阻抗匹配的作用；所述TJA1050T芯片还有TXD端和RXD端；所述TXD端和RXD端分别与传动板处理器和温度板处理器的引脚相连接，S端直接接地。
[0065] 所述CANH引脚和CANL引脚并联的电阻R1的阻值为120欧姆。
[0066] 所述传动板处理器和温度板处理器均采用飞思卡尔MK10DN512VLL100芯片。
[0067] 所述的电机传动单元(见图1)由步进电机、电机驱动装置、位置传感器和负载组成；所述电机驱动装置的输入端接收传动板处理器的输出信号，其输出端与步进电机的输入端连接以控制负载的动作；所述位置传感器的输入端采集负载的位置信息，其输出端与传动板处理器的输入端连接。
[0068] 所述步进电机是格威特的42型两相步进电机17HS3001；所述电机驱动装置采用DRV8825芯片。
[0069] 所述温度采集控制单元(见图1)是由加热装置、试剂、温度采集装置、温度转换装置和LADRC控制器组成；其中，所述温度采集装置的输入端采集试剂的温度，其输出端与温度转换装置的输入端连接；所述温度转换装置的输出端连接温度板处理器的输入端；所述加热装置的输入端接收温度板处理器的输出信号，为试剂加热；所述温度板处理器与LADRC控制器呈双向连接。
[0070] 所述加热装置(见图3)是由电阻R17、光电隔离单元U10、电阻R13、电阻R16、电阻R15、MOS管驱动电路及加热棒P4构成；其中，所述光电隔离单元U10的输入端一端接3.3V电源，另一端串联一个电阻R17接温度板处理器控制的PWM温度控制端口W2，其输出端一端分别串联电阻R13、电阻R15、电阻R16，另一端直接接地；所述电阻R15的另一端，即输出端接24V电源所述所述电阻R16的另一端接地；所述电阻R15的输出端与MOS管的输入端连接；所述MOS管的输出端接加热棒P4的一个输入端；所述加热棒P4的另一个输入端接24V电源。
[0071] 所述电阻R17阻值为120欧姆，所述电阻R13和电阻R16阻值都为10K欧姆，所述电阻R15阻值为1K欧姆。
[0072] 所述加热棒采用两根75W加热棒串联连接的结构；所述光电隔离单元U10选用PC817隔离芯片；所述MOS管是IRLB8743MOS管。
[0073] 所述温度采集装置是四线制PT100温度检测探头；所述温度转换装置采用ADI芯片AD7124-8。
[0074] 一种基于LADRC的全自动酶免分析仪孵育温控系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
[0075] ①由上位机发送步进电机运行指令，通过CAN总线发送给传动板处理器；
[0076] ②传动板处理器根据设定的步进电机S型加减速曲线流程(见图5)来控制步进电机的加速启动、匀速行驶和减速停止的运行；
[0077] ③用位置传感器实时检测负载的位置信息，使得步进电机带动负载运行到指定位置；
[0078] ④上位机发送控温指令，通过CAN总线发送给温度处理器；
[0079] ⑤由温度采集装置实时采集温度加热过程的温度，由于温度是一个模拟控制量，由温度转换装置对其进行模数转换，将转换后的数字量温度值通过SPI通信方式传递给温度板处理器；
[0080] ⑥将实际温度与设定值做比较，得到差值，作为LADRC控制器的输入量，而输出则是经LADRC控制器算法调节后的新的温度设定值，完成孵育反应；
[0081] ⑦当孵育反应结束，由上位机再向传动板处理器发送运行指令，将反应物送到指定检测位置进行检测，完成孵育阶段的操作。
[0082] 所述步骤②中S型加减速曲线程序是在中断中处理控制脉冲数，在加速部分，由台阶步数的计数递减再到台阶数的计数递减达到加速脉冲数的计数完成，从而完成加速过程；在匀速部分，通过递减匀速脉冲数来完成匀速过程；在减速阶段，同样进行台阶步数的计数递减再到台阶数的计数递减达到减速脉冲数的计数完成，从而完成一个指令的运行过程(见图5)。
[0083] 所述步骤⑥中LADRC控制器的设计包括以下步骤：
[0084] (1)建立全自动酶免分析仪孵育温控仪的数学模型：
[0085] 假设试管和试液的系统总热容为C，则根据传热学方程可得：
[0086]
[0087] 其中，Tc为样品块温度,假设样品块温度与半导体制冷片表面温度相等,Qc为样品块与周围发生热交换的热量,Q为加热或制冷时半导体制冷片流向样品块的热量；
[0088] 由半导体制冷片的热电效应的热量产生公式可知，在恒电流I作用下,半导体制冷片的纯制热量为：
[0089]
[0090] 纯制冷量为：
[0091]
[0092] 其中，αab是塞贝克系数，和材料有关，R是半导体制冷片电阻，K是半导体制冷片的总电导；由式(2)或式(3)可知，Q与I是非线性的关系，如果I产生增量ΔI，相应的Q产生增量ΔQ，又因为系统是迟滞系统，所以可以认为Tc不变；
[0093] 将式(2)和式(3)在I处用泰勒级数展开，可得：
[0094] ΔQ＝f′(I)ΔI+f″(I)ΔI2+… (4)
[0095] 式中，f是Q与I之间的方程，当ΔI非常小时，可以忽略式(4)中2次方及2次方以上的项，则式(4)可简化为：
[0096] ΔQ＝f′(I)ΔI＝K0ΔI (5)
[0097] 由传热学原理可知，假设样品块的热阻为Θ，则样品块的热损失为：
[0098]
[0099] 当半导体制冷片在单位时间内加热或制冷的过渡过程中有增量：
[0100]
[0101] 将式(5)、式(6)、式(7)代入式(1)中可得微分方程为：
[0102]
[0103] 在两边做拉普拉斯变化即可得到系统的传递函数为：
[0104]
[0105] 其中，K＝K0Θ，T＝CΘ；
[0106] 考虑到样品块与试管、试管与试液之间传热导致的温度滞后，式(9)中加入一个延迟时间τ，则全自动酶免分析仪孵育温控仪变温系统的传递函数为：
[0107]
[0108] (2)设计LADRC控制器(见图4)：
[0109] 因为系统模型为一阶滞后系统，所以设计了一阶线性自抗扰控制器，省去了跟踪微分器，而ESO和NLSEF都采用了线性的函数，构成了简化的自抗扰控制器，LESO的状态空间方程如下：
[0110]
[0111] 其中，z＝[z1z1]T为状态观测量向量，y为系统输出，u为系统输入，矩阵A、B、C、D表达式分别为
[0112]
[0113] 上位机分别通过CAN总线控制传动板和温度板的处理器，传动板处理器控制电机驱动来控制步进电机带动负载运行，并通过位置传感器来反馈位置信息；温度板处理器通过驱动电流对加热装置加热试剂，并通过温度采集装置以及温度转换装置来实时反馈温度值，并通过LADRC控制器进行温度反应控制，达到控温的效果。
[0114] 传动板和温度板处理器都采用飞思卡尔K系列处理器芯片来控制，同时采用CAN总线进行通信控制。先由上位机选取传动板处理器来发送控制指令，通过设定的S型加减速程序来控制电机平稳启动运行，通过光电传感器实时获取位置信息，控制脉冲数使得步进电机运动到指定位置，此时对温度板处理器发出控制信号，通过PT100来采集初始温度以及实时温度值传给处理器，通过修改线性自抗扰程序初始值和参数值来进行升温和恒温操作，保证实验的稳定进行，达到反应时间后，再由传动板处理器控制将反应物送到指定检测位置进行检测，完成孵育实验过程。
[0115] 加热棒采用两根75W加热棒串联连接的结构，并通过温度驱动加热电路(见图3)进行加热，选用PC817隔离芯片主要进行处理器弱电和温度加热强电的信号隔离，控制信号通过IRLB8743MOS管进行电流放大，来驱动加热装置进行反应；试剂是被加热的装置；温度采集装置由四线制PT100进行温度检测；温度转换装置由ADI芯片AD7124-8进行模数转换；采用线性自抗扰结构(见图4)对实时温度进行控制处理，处理器通过对比被控对象的实时温度和设定温度，调整参数Kp，ω0，b0，控制输出量对系统进行加热反应。在孵育反应过程中,由于热传导问题的复杂性以及保温散热的不确定性,其加热设备都具有非线性和大滞后的特点，采用LADRC控制算法，在保证控制精度要求和响应速度的同时，可以实时地估计内外不确定扰动总和，来消除扰动对输出的影响，提高了酶免实验检测的准确性，也提高了仪器的整体性能，控制效果优于传统PID算法，更具工程应用的价值。
[0116] 程序通过C语言来实现，并在Keil5集成开发平台下完成。
