細胞擴增生物反應器控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、目的：近年來，隨著科學技術的發(fā)展，動物細胞培養(yǎng)技術被廣泛應用于生物醫(yī)藥產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)中，如蛋白質藥物研發(fā)、干細胞移植、疫苗生產(chǎn)、人造組織器官等領域。例如造血干細胞移植可長期重建造血和免疫，它適用于治療造血干、祖細胞或相關基因有缺陷的疾病，如白血病、重度免疫缺損、自身免疫病等，是一種重要的生物治療或細胞治療方法。但往往人體本身可提供的造血干細胞不足，這就迫切需要在體外對這些干細胞進行大規(guī)模擴增。生物反應器的提出就為造血干細胞的體外擴增提供

2、了一種非常有效的方法。細胞的培養(yǎng)擴增過程是極其復雜的生物化學反應過程，其代謝必須在適宜的周圍環(huán)境中才能有效進行。國外已經(jīng)有比較成熟的生物反應器，但國內還沒有商品化的動物細胞生物反應器。本文對波浪式生物反應器的控制系統(tǒng)進行研究，旨在完成一套基于波浪式生物反應器的細胞培養(yǎng)條件的控制系統(tǒng)，使其能更好的應用在細胞的擴增培養(yǎng)上，進而推動我國生物反應器行業(yè)向前發(fā)展。
　　方法：通過對當前生物反應器培養(yǎng)條件的控制方法和控制系統(tǒng)進行分析和討論，提

3、出適合波浪式生物反應器培養(yǎng)系統(tǒng)的控制方法?？刂葡到y(tǒng)的設計主要可以分為三部分：培養(yǎng)條件控制方法的設計、控制系統(tǒng)軟/硬件部分設計、仿真及實際實驗驗證部分。關于控制方法的設計，根據(jù)溫度控制要求及溫度控制大滯后的特點，設計出Fuzzy-PID控制算法；根據(jù)PH控制要求及PH過程強烈非線性的特性，對分段式變增益 PID進行改進，設計出四區(qū)段變增益 PID控制算法；根據(jù)溶解氧濃度非定值控制的特點，設計出TP-PID的控制算法。關于控制系統(tǒng)軟/硬件部

4、分的設計，采用單片機為主控芯片，結合MPLAB、MATLAB等實現(xiàn)上、下位機的連接與配合。實驗部分，在仿真實驗的基礎上進一步通過實際實驗驗證控制算法的效果以及控制系統(tǒng)的性能。
　　內容：本文研究工作主要包括以下幾個方面：
　　①生物反應器控制系統(tǒng)分類及參數(shù)控制方法調研、控制系統(tǒng)控制方案設計。通過大量查閱文獻并與相關行業(yè)人士接觸，調研生物反應器細胞培養(yǎng)的最新進展情況。分析各類控制方法和控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，從而為文章控制系統(tǒng)的選擇

5、和控制方法的提出提供研發(fā)的現(xiàn)實意義與應用前景。設計系統(tǒng)整體控制方案，通過比較硬件元器件的性能以及滿足應用的情況，選出最佳的系統(tǒng)方案。
　?、诳刂葡到y(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)。系統(tǒng)硬件設計主要包括下位機執(zhí)行部件的選擇、上位機主控部件的選擇以及上、下位機之間的集成。下位機硬件部分由主控芯片、檢測器件、執(zhí)行器件、傳輸線等幾部分組成。主控芯片選擇dspic30f6014a單片機為控制系統(tǒng)下位機的核心，該芯片將核心處理層及整個外圍電路層如輸入/輸出端

6、口、內存、定時器、計數(shù)器等全部都集成在一塊芯片上，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的一整套的接收、計算、存儲、發(fā)送功能；檢測器件根據(jù)需要控制的T、PH、DO三個培養(yǎng)條件分別選擇Pt100、在線PH儀、在線溶解氧儀；執(zhí)行器件根據(jù)控制原理選擇電熱毯、蠕動泵、電磁閥等。上位機主控部件根據(jù)需要選擇集顯示、控制、存儲等功能于一體的 DGUS屏，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的整體監(jiān)控。上、下位機集成主要由它們之間的通訊線連接及統(tǒng)一的通訊協(xié)議實現(xiàn)。
　　③控制系統(tǒng)控制算法設計

7、與實現(xiàn)。本文主要設計完成了三個控制算法，即針對溫度控制的Fuzzy-PID控制算法、針對PH控制的四區(qū)段變增益PID控制算法和針對溶解氧濃度控制的 TP-PID控制算法。其中，F(xiàn)uzzy-PID控制算法并非采用傳統(tǒng)的并聯(lián)使用的模式，而是將兩種方法整合到一起，以檢測信號作為模糊控制的輸入，以模糊控制的輸出作為 PID控制的輸入，最后以 PID控制的輸出作為系統(tǒng)控制信號的輸出；四區(qū)段變增益 PID控制是在分段式變增益 PID的基礎上根據(jù)生物

8、反應器的實際情況進行改進得到的，充分考慮了PH控制的強烈的非線性特性；溶解氧濃度控制算法的設計考慮只需將其控制在某一范圍內即可，主要是參考傳統(tǒng)控制的模式。
　?、苋藱C交互界面設計及觸控配置完成。上位機人機交互界面選用 D G US屏，型號為DWT80600T080_06WT，使用Microsoft Visio Premium2010進行圖片制作，需要顯示的圖片主要包括系統(tǒng)初始化部分、主界面部分、數(shù)據(jù)輸入界面部分等。觸控配置使用 D

9、GUS配置工具 V49，將制作好的圖片導入配置工具，按照顯示屏操作要求在相應區(qū)域位置添加文本顯示、按鍵返回、RTC顯示等配置操作，并設置好相應配置的變量地址、文本長度、按鍵值、案件效果等。將配置好觸控功能的顯示圖片導入到DGUS屏里就完成了人機交互界面的設計。
　　⑤仿真實驗加實際實驗驗證算法可靠性及控制系統(tǒng)性能。為驗證控制算法的可靠性，首先使用MATLAB軟件中的Simulink軟件包設計Fuzzy-PID的溫度控制仿真實驗和分

10、段式變增益PID的PH控制仿真實驗，兩個仿真實驗均以控制時間和控制精度作為控制算法性能可靠的判斷依據(jù)。仿真實驗驗證算法可靠性之后設計實際實驗進行驗證。使用MPLAB軟件按照算法設計編寫三種控制算法的程序并將其導入單片機進行實際實驗，驗證標準依然是控制的時間和穩(wěn)定后的控制精度。
　　結果：本文根據(jù)細胞培養(yǎng)的要求，完成了波浪式生物反應器控制系統(tǒng)中T、PH、DO三個培養(yǎng)條件控制算法的設計，完成了控制系統(tǒng)硬件選擇，完成了控制系統(tǒng)電路設計，

11、完成了上、下位機通訊設計，完成了人機交互界面的選擇和設計，完成了單片機對應程序的編寫，最后在仿真實驗基礎上設計實際實驗完成了算法可靠性的驗證工作。發(fā)表了兩篇論文。
　　結論：本文介紹了各類生物反應器控制系統(tǒng)及控制方法，具體分析了各控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點，提出采用單片機作為主控芯片對波浪式生物反應器控制系統(tǒng)進行研究，并根據(jù)要調節(jié)的培養(yǎng)條件的特性設計出不同的控制方法。在實際實驗進行控制時，溫度控制精度可達到±0.1℃，PH控制精度可達到±0

12、.05，溶解氧濃度精度可達到±6％。表明本文所研制的控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的運行且控制效果良好，說明控制系統(tǒng)能很好地維持細胞生長需要的適宜的環(huán)境，滿足細胞培養(yǎng)過程的控制要求。
　　本文的創(chuàng)新點在于根據(jù)不同被控條件設計出相應的控制方法，如針對溫度控設計了模糊 PID控制、針對 PH控制設計了四區(qū)段變增益 PID控制；使用dsPIC30f6014a型號單片機作為主控芯片，不僅降低了研發(fā)成本，還提高了系統(tǒng)靈活性，縮短了開發(fā)周期；使用 DG