一种聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法技术方案

本发明专利技术涉及一种聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法，所述方法利用控制系统的控制切换集合所包含的控制节点以温控段为时间区间进行调度，同时，在运行过程中自动修正了控制节点算法的控制节点，从而使得控制子系统进行重新确定和计算，以适应不断修正的时间序列。本发明专利技术能按照控制节点进行自我调度，计算的控制节点实用性强，数据控制精度高，满足对DNA扩增过程的系统控制需求。

A handover scheduling method for PCR process control system

The invention relates to a control switching scheduling method for a polymerase chain reaction process control system. The method utilizes the control nodes included in the control switching set of the control system to schedule in the time interval of the temperature control section, and at the same time automatically corrects the control nodes of the control node algorithm during operation so as to make the control possible. The subsystem is redefined and calculated to accommodate the modified time series. The invention can self-schedule according to the control node, the calculated control node has strong practicability, high data control precision, and meets the system control requirements of DNA amplification process.

【技术实现步骤摘要】
一种聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法
本专利技术属于生物工程
，具体涉及一种聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法。
技术介绍
在利用聚合酶链反应(PCR)过程控制系统技术研究生命科学规律过程中，DNA反应液的热流及状态随着扩增阶段和循环次数的不同而变化，PCR控制程序在扩增过程局部细节的控制时机与DNA扩增过程存在时差，在这个过程中任何极微小的变化，在后续循环的DNA扩增过程中都会被指数级放大，可能对结果产生极大影响。因此，要求控制系统稳步到达稳态值，得到较好的控制效果，但同时要求避免超调现象发生，避免聚合酶因高温失活，这就需要分析和研究PCR控制系统的切换调度问题。对于控制系统的切换点，存在一个平滑过渡问题，也是一个非常难以控制的问题，怎样才能让各个子系统之间平滑衔接和调度，目前这方面的文献还不多。
技术实现思路
为了克服现有技术不足，提出了聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法，所述方法按照系统控制模型的控制节点进行调度，在运行过程中自动修正了控制节点算法的控制节点，从而使得控制子系统进行重新确定和计算，以适应不断修正的时间序列。按照控制切换规则对各个子系统进行调度和控制，满足对DNA扩增过程的系统控制需求。在DNA扩增过程中，t0表示系统的初始时刻，系统在这个时刻的表达式为简记为x(t0)或x0，向量σ的分量为控制节点，g(x(t),u(t),t)为切换规则函数，用表示在第i温控段第j个控制节点的生物量从系统控制开始时刻ts到终止时刻tE的状态变化向量值函数,简记为f(x,u,t)或f。本专利技术的技术方案为：一种聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法，所述方法利用PCR酶促反应系统控制模型以温控段为时间区间进行调度和控制，系统生物量状态在控制向量u作用下，满足如下所述系统控制模型P：其中，i＝1,2,…,6为温控段指标，j∈{1,2,...,mi}，mi表示温控段Ci内的控制节点的个数，mi为正整数。设是Ci内第j个控制节点，系统控制模型P的时间切换序列σ的分量按从小到大的顺序排列并满足：对每个温控段Ci，控制系统按照时间切换序列σ进行切换控制，调度这个温控段内的控制子系统。对于PCR扩增反应系统，用表示第i个温控段内基于控制节点的第j个控制，把每个循环系统状态函数从初始点到终止点的控制切换集合用Y0M表示，则有：其中，集合Y0M中的控制节点按递增顺序排列，不同的控制节点会存在相同控制策略。控制切换集合Y0M是控制切换方法的基础，通过迭代算法对控制节点求解，获取Y0M集合的元素对，算法以每个循环的6个温控段为基础，利用优化模型和优化算法进行计算，控制节点算法如下：算法输入：(i)温控段Ci的初始起点和初始值。(ii)如果存在温控段Ci的终端点和终端值，把这些量作为输入，否则，算法将计算这些值。算法输出：控制节点tk和控制量(或控制参数)，并把这些量输出到集合Y0M中；算法如下：第1步，i＝1；第2步，对温控段Ci，确定初始条件和终端条件，建立系统控制模型；第3步，按照控制模型和优化求解方法，求出Ci的控制量u和控制节点tk；第4步，控制节点tk加入到集合σ中；第5步，把控制量u和控制节点tk加入集合Y0M中；第6步，按照控制量和控制节点，建立控制子模型，按照控制节点求解控制参数，形成控制策略；第7步，判断Ci内控制策略计算是否结束，否，转第2步；第8步，判断是否i＝6，否，i＝i+1，转第2步；第9步，结束。针对控制节点算法算法，需要确定和计算每个循环的各个控制子模型，利用控制切换机制对控制子模型进行控制，控制子模型在时间区间[tS,tE]的子区间内按照控制节点进行顺序切换，每个子区间的两端点为控制节点。在控制量作用下，系统状态从最初始状态到平台期的最终状态。用控制节点算法求出集合Y0M后，控制调度系统利用控制切换规则对当前控制子系统进行监控，利用集合Y0M对执行过程进行调度和监控，对系统状态进行检测分析。设当前的循环次数为k，系统状态的浓度值为前次循环的浓度值为对给定的阈值ε＞0，有其中，为第k次循环的第6温控段的控制子策略，为第k次循环的第6温控段的DNA产物的浓度状态，如果检测到系统状态变化量超出给定阈值ε，集合σ中控制节点和控制子策略的初始和终端条件进行重新计算，否则，将沿用先前的控制节点和控制子策略顺序执行。基于上述理念形成第k次循环，形成了控制调度系统对所执行的控制策略的控制节点进行修正的算法思想；节点修正算法如下：第1步，设置系统初始条件、终止条件和参数修正阈值ε和终端时刻修正阈值ε1；第2步，对集合σ中控制节点和控制子策略，依据被执行的每个控制策略顺序，判断所执行的控制策略所属温控段Ci，对每个温控段，执行控制节点算法；第3步，判断执行的温控段是否为C6，否，转第11步，是，转第4步；第4步，检测C6温控段的DNA产物量的浓度状态，判断是，转第二步，否，转第5步；第5步，对当前温控段Ci，依据当前时刻和温度状态，重新确定初始条件和终端条件；第6步，选择控制模型，计算当前控制子系统的终端控制节点tk，若则tk替换原来的终端节点若i为2、4、或6，计算Ci的控制量(控制参数)u；第7步，控制节点tk加入到新集合σ中，更新集合σ中的数据；第8步，把控制量u和控制节点tk加入新集合Y0M中，更新集合Y0M中的数据；第9步，按照控制量和控制节点，建立控制子模型，按照控制节点求解控制参数，形成新的控制策略；第10步，判断温控段下标是否为i＝6，是，转第2步；第11步，i＝i+1，转第6步；第12步，结束。节点修正算法给出了集合σ中控制节点和控制子策略的顺序执行过程，这个过程循环执行，直到整个循环结束。在执行过程中，引入了集合σ和集合Y0M的数据更新和处理机制，在数据更新时，逐步废除原有数据，添加新的数据。对于PCR扩增切换系统，Y0M表明了每个循环内系统状态函数从初始阶段到终止阶段的控制策略集合，若把当前的系统状态记为(uk,xk)，下阶段的状态记为：(uk+1,xk+1)，于是有：(uk+1,xk+1)＝(Yu(uk,xk),Yx(uk,xk))上式为状态转移方程，依据这个方程，如果第k阶段的状态确定了，第k+1阶段的状态就能通过控制策略Y完全确定。用k表示循环次数，N表示总循环数，则对每组被控对象形成独立的控制调度切换算法：第1步，k＝1；第2步，选择第k个循环的温控段Ci(i＝1)的起始点(在时间切换序列σ分量内)的控制子系统；第3步，按照Ci(i∈I)的起始点，依次执行当前Ci内的控制子系统，在执行时依据状态转移方程，查找集合Y0M内Ci温控段的后续控制策略，调用节点修正算法，直至执行完毕Ci内的所有控制子系统；第4步，依据控制节点和状态转移方程，从一个温控段Ci的控制策略过渡到Y0M内另一个温控段Ci+1的控制策略，把Ci+1设为当前温控段，判断循环i是否为6，否，转第3步；第5步，判断循环k是否为N，否，k＝k+1，转第2步；第6步，结束。(iii)系统控制切换调度流程在节点修正算法执行过程中，如果控制切换调度模块监测发现理论和实际不匹配的情况，就依据控制节点算法对控制子系统进行重新确定和计算的过程，以适应不断修正的时间序列。重新计算参数时，对于1、3、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法，所述方法利用控制系统的控制切换集合Y0

【技术特征摘要】
1.一种聚合酶链反应过程控制系统控制切换调度方法，所述方法利用控制系统的控制切换集合Y0M所包含的控制节点以温控段为时间区间进行调度，用mi表示温控段Ci内的控制节点的个数，mi为正整数，i＝1,2,…,6为温控段指标，设是Ci内第j个控制节点，j∈{1,2,...,mi}，系统控制模型的时间切换序列σ的分量按从小到大的顺序排列并满足：对每个温控段Ci，控制系统按照时间切换序列σ进行切换控制，调度这个温控段内的控制子系统，用表示第i个温控段内基于控制节点的第j个控制，所述控制切换集合Y0M包含每个循环系统状态函数从初始点到终止点的控制切换，即：其中，集合Y0M中的控制节点按递增顺序排列，不同的控制节点会存在相同控制策略；所述控制切换集合Y0M是利用一个控制节点算法求出的，控制调度系统利用控制切换规则对当前控制子系统进行监控，利用集合Y0M对执行过程进行调度和监控，对系统状态进行检测分析，设当前的循环次数为k，系统状态的浓度值为前次循环的浓度值为对给定的阈值ε>0，有其中，为第k次循环的第6温控段的控制子策略，为第k次循环的第6温控段的DNA产物的浓度状态，如果检测到系统状态变化量超出给定阈值ε，集合σ中控制节点和控制子策略的初始和终端条件进行重新计算，否则，将沿用先前的控制节点和控制子策略顺序执行，基于上述理念形成控制调度的节点修正算法；对于PCR扩增切换系统，Y0M表明了每个循环内系统状态函数从初始阶段到终止阶段的控制策略集合，若把当前的系统状态记为(uk,xk)，下阶段的状态记为：(uk+1,xk+1)，于是有：(uk+1,xk+1)＝(Yu(uk,xk),Yx(uk,xk))上式为状态转移方程，依据这个方程，如果第k阶段的状态确定了，第k+1阶段的状态就能通过控制策略Y完全确定；用k表示循环次数，N表示总循环数，则对每组被控对象形成独立的控制调度切换算法：第1步，k＝1；第2步，i＝1，选择第k个循环的温控段Ci的起始点的控制子系统；第3步，按照Ci的起始点，依次执行当前Ci内的控制子系统，在执行时依据状态转移方程，查找集合Y0M内Ci温控段的后续控制策略，调用节点修正算法，直至执行完毕Ci内的所有控制子系统；第4步，依据控制节点和状态转移方程，从一个温控段Ci的控制策略过渡到Y0M内另一个温控段Ci+1的控制策略，把Ci+1设为当前温控段，判断循环i是否为6，否，转第3步；第5步，判断循环...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金鹤，孟凡云，庞丽萍，张楠，田玉铢，林孟达，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37