عنوان پایان‌نامه
مدلسازی بخش حرارتی سیستم PCR طراحی و شبیه سازی و پیاده سازی کنترل کننده خطی آن
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-الکترونیک-مدار وسیستم
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: E 2747;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69587
- تاریخ دفاع
- ۰۱ شهریور ۱۳۹۳
- دانشجو
- مجتبی محمدی عبده وند
- استاد راهنما
- امید شعاعی
- چکیده
- در این گزارش مدل سازی کاملی از سیستم سایکلر حرارتی، شامل ماژول ترموالکتریک، بلاک آلومینیومی به عنوان جسم هدف و هیت سینک ارائه شده است. مراحل طراحی، شبیه سازی و پیاده سازی کنترل کننده دمای بلاک آلومینیومی با استفاده از مدل بدست آمده ارائه شده است. سایکلر حرارتی سیستمی است که برای تکثیر نمونه ی DNA به میزان میلیاردها برابر از آن استفاده می شود. فرایند تکثیر تکنیکی است معروف به واکنش زنجیره پلیمرایز که در دهه 1980 میلادی ابداع شد. از نمونه های تکثیر یافته برای جلوگیری، تشخیص و درمان انواع مختلفی از بیماری ها استفاده می شود. فرایند تکثیر با اعمال یک پروفایل دمایی شامل سه سطح دمایی انجام می شود. در پیاده سازی نمونه آزمایشگاهی سایکلر حرارتی از یک ماژول ترموالکتریک یک طبقه استفاده شده است که نرخ تغییر دمایی بلاک آلومینیومی را تا 3.5 درجه بر ثانیه می رساند. در سیستم سایکلر حرارتی برای کنترل دقیق دما، کنترل کننده ای مورد نیاز است که علاوه بر عملکرد خوب پیاده سازی ساده ای نیز داشته باشد. به منظور طراحی کنترل کننده بهینه ابتدا مدل غیرخطی سیستم بدست آمد، سپس با خطی کردن مدل بدست آمده و استفاده از تکنیک شناسایی سیستم، تابع تبدیل خطی سیگنال کوچک حول سطوح دمایی سیکل PCR تعیین گردید. سپس با استفاده از روش مکان ریشه، کنترل کننده تناسبی انتگرالی برای معیار زمان نشست 15 ثانیه و دقت و پایداری 0.1± درجه دما، طراحی، شبیه سازی و پیاده سازی شده است. برای ارزیابی عملکرد سیستم پیاده سازی شده، واکنش زنجیره پلیمرایز بر روی سیستم اجرا شد که نتیجه آن تکثیر موفقیت آمیز نمونه DNA بود.
- Abstract
- In this report, a complete system modeling of a thermal cycler including thermoelectric module, aluminum plate as a thermal mass and heatsink is proposed. Design, simulation and implementation process for controlling the temperature of the aluminum plate is presented making use of the proposed model. Thermal cyclers are used to amplify DNAs up to several billions. The application of amplifying DNAs is to detect and diagnose different kinds of diseases. 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 with a rate of up to 3.5°C/s. In the peltier-based thermal cyclers, a high performance, easy-to-implement controller is required to precisely control the temperature of thermoelectric modules. To design an efficient controller, a nonlinear model of the system is first presented. The small-signal transfer function around the three operating points is then extracted using linearization of the model and system identification technique. Using root-locus approach, a PI controller is designed, simulated and implemented to reach the desired settling time with the bound of ±0.1°C. The identified model and designed controller are verified by experimental results. To validate the full thermal cycler system, the PCR process is performed on a sample DNA. The results of the performed laboratory electrophoresis tests on the amplified DNAs affirm the correct amplification of DNAs.
