عنوان پایان‌نامه
مدلسازی دستگاه سیکل حرارتی PCR و طراحی شبیه سازی و پیاده سازی کنترل کننده غیر خطی برروی آن
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2754;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69660
- تاریخ دفاع
- ۲۸ مرداد ۱۳۹۳
- دانشجو
- روح اله شیرافکن
- استاد راهنما
- امید شعاعی
- چکیده
- واکنش زنجیره پلیمراز موسوم به پی.سی.آر، فرآیندی در بیولوژی می باشد که به موجب آن می توان دی.ان.ای ها را به میزان میلیارد برابر تکثیر نمود. از دی.ان.ای های تکثیرشده میتوان در تشخیص و شناسایی انواع بیماری ها استفاده نمود. به منظور انجام فرآیند پی.سی.آر از دستگاه های سیکل حرارتی استفاده میشود. اساس کار این دستگاه ها بر پایه پدیده های ماژول ترموالکتریک میباشد. ماژول های ترموالکتریک، پمپ های حرارتی می باشند که متناسب با اندازه و جهت ولتاژ اعمالی به آن، حرارت را از یک صفحه خود به صفحه دیگر انتقال میدهند. در این پایان نامه، روشهای مختلف پیاده سازی سخت افزاری دستگاه سیکل حرارتی پی.سی.آر مورد بررسی قرار گرفت. برای طراحی کنترل کننده، مدلی برای بخش حرارتی سیستم ارائه شد. این مدل شامل ماژول ترموالکتریک، بلاک آلومینیومی، صفحه گرافیتی، هیت سینک و فن میباشد. بر پایه مدل ارائه شده، معادلات حالت سیستم استخراج شد. با استفاده از معادلات حالت استخراج شده، یک کنترل کننده ی غیرخطی از نوع لغزشی طراحی، شبیه سازی و پیاده سازی شد. در طراحی کنترل کننده ی لغزشی از آنالیز لیاپانوف برای بررسی پایداری آن استفاده شد. از مهمترین مزایای کنترل کننده لغزشی مقاوم بودن آنها در برابر عدم قطعیت پارامترهای مدل می باشد. برخلاف کنترل کننده های خطی، نیاز به طراحی در هر یک از نقاط کاری سیکل پی.سی.آر نبوده و همچنین با تغییری کوچک در سیستم نیازی به طراحی دوباره کنترل کننده نمیباشد. با استفاده از کنترل کننده ی پیاده سازی شده، پایداری حالت دائم ±0.1°C با سرعت تغییر دمایی 3.5°C/s حاصل شد. به منظور ارزیابی کامل نمونه مهندسی ساخته شده همراه با کنترل کننده ی پیاده سازی شده، تکثیر موفقیت آمیز دی.ان.ای بر روی آن انجام شد. نتایج الکتروفورز این تکثیر را تایید می کنند. واژه‌های کلیدی: واکنش زنجیره پلیمراز، ماژول ترموالکتریک، مدولاسیون عرض پالس، کنترل کننده ی لغزشی، عدم قطعیت پارامترها
- Abstract
- Polymerase Chain Reaction (PCR) is a process in biology to amplify DNAs up to several billions. The amplified DNAs are mostly used to diagnose, detect and identify different kinds of diseases. Thermal cyclers are used to amplify DNAs up to several billions. The amplifying process is performed by applying a temperature profile including three levels of temperature that repeats several cycles. An industrial single-stage thermoelectric module has been used in the implemented system which heats/colds the target aluminum block. In this thesis, different approaches of implementing of PCR thermal cyclers have been investigated. A theoretical modeling of PCR thermal cycler is developed. The model includes a custom-made aluminum plate to put the micro-tubes in it, an industrial single-stage thermoelectric module, a thermal pad, a heatsink and a fan. Based on the proposed model, a robust sliding mode controller is designed, simulated and implemented. Lyapunov analysis has been utilized to develop the algorithm for the sliding mode controller. Parameter sensitivity analysis has been also performed to verify the robustness of the controller against parameters uncertainties. Steady state temperature stability of ±0.1°C bound has been satisfied with the temperature rate of up to 3.5°C/s. To validate the entire implemented system, a successful DNA amplification has been performed. Keywords: Polymerase Chain Reaction(PCR), Sliding mode, Thermistor, Nonlinear
