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聚合酶链式反应(PCR)仪,是一种通过模拟人体内DNA复制环境,体外搭建硬件平台,并结合相应智能控制算法实现体外DNA复制的一款医疗器械。因此研究如何进一步提高PCR仪的效率对快速诊断疾病具有重要意义。本文主要根据DNA复制要求,分析国内外现有PCR仪的性能,针对PCR仪升降温速率和恒温温度稳定性不兼顾问题,通过改进温度控制算法,以达到提高升降温速率,降低到达恒温阶段的超调量,增强恒温阶段控制精度的目的。主要研究内容包括以下几个方面:(1)完成了基于STM32F103ZET6微控制器的PCR仪硬件电路设计和软件编程。本文设计的改进温度检测模块使得温度检测精度达到0.1℃,而针对温控系统,摒弃传统的水浴加热和风扇制冷方式,选取半导体制冷片作为加热制冷源,通过选取半导体制冷片的参数,以确保能够满足PCR仪升降温的要求。(2)编写基于Microsoft Visual Basic的上位机程序,用于向PCR仪传送指令,并实时显示PCR仪的工作状态。上位机软件能够将采集的温度数据进行保存,并绘制图形。(3)建立PCR仪加热系统的数学模型,采用了阶跃响应法辨识PCR仪温度控制系统数学模型的参数,并且将实验曲线与辨识曲线进行对比,证明了 PCR仪温度控制系统数学模型辨识的正确性。(4)研究了经典温度控制算法PID(Proportional Integral Derivative),模糊自适应PID以及时间最优PID算法,发现以上三种控制算法对于PCR仪的温度控制效果不是很理想。因此,提出一种鲁棒PID的控制方法,采用多目标粒子群算法对其参数进行优化,通过仿真与实验表明,该方法在提升PCR仪升降温速率的同时,超调量和温度控制精度方面能够获得明显的改善。PCR仪的升温速率为4.5℃/s,降温速率为4.3℃/s,超调量为0.58%,恒温温度控制精度为±0.2℃。