面向细胞注射的力/位混合控制系统的研究与开发

论文摘要

细胞显微注射是一种在显微镜视野内,机器人末端执行器的微注射针通过机械方式刺破细胞膜,进入指定注射位置,将基因等物质注入到细胞的技术,是生产转基因动物的重要手段。被注射细胞变形程度、基因注射位置分别与微注射针进针操作的刺膜力、进给精度和可控性等特征密切相关,这些决定了细胞显微注射实验成功率和转基因动物生产效率,成为基因工程的研究的热点问题。首先本文进行了细胞注射过程中的力/位混合控制介绍,由于显微环境下刚体的位置控制已经比较成熟所以本文没有进行大篇幅研究而是使用简单的PID控制方法,本文的研究重点在于细胞注射中的力控制,介绍了三种控制方案,分别为：普通PID控制,自适应阻抗控制和模糊PID控制,并在MATLAB Simulink环境下进行了仿真分析,比较了它们各自的特点,最终选择了模糊PID控制方案,并应用Simulink与Adams的联合仿真验证了这种控制方法的可靠性。其次,设计了PVDF静态微力传感器,对PVDF压电薄膜及其探针结构进行了力学建模,设计了带有可调增益的电荷放大电路,推导了PVDF压电薄膜及其电路物理结构的传递函数,并利用这个传递函数构建了其逆模型控制器,进行了MATLAB仿真,最终在LABVIEW系统下实现,制成了PVDF静态微力传感器,进行了静态试验,并进行了传感器的标定及相关参数的计算。然后,构建了整个细胞注射实验系统,应用了一个XYZ三坐标电动平移台作为运动执行部件,应用了一个PIC单片机制成的控制卡作为电动平移台运动的控制部件,并设计了一个PD控制程序以及相应的通讯程序,设计了一个VC++上位机控制程序,其可以实现电动平移台的手动进退针运动、力控制下的自动细胞注射运动,以及一些数据传输及接受功能。本文还在LABVIEW环境下设计了模糊PID控制器。最后,利用单片机及LABVIEW系统实现了模拟刺细胞过程的微力跟随实验,做了多组比较测试,得到了实验结果并做出相应分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微操作系统的特点
• 1.3 论文课题背景、意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 本文组织结构
• 第2章 力位置混合控制系统的仿真
• 2.1 常见的力位置混合控制系统简介
• 2.2. ADAMS与SIMULINK联合仿真
• 2.2.1 机械系统Adams建模及控制量设置
• 2.2.2 力位置混合PID控制系统的Adams-Simulink环境实现
• 2.3 自适应阻抗控制系统仿真
• 2.3.1 阻抗控制方法
• 2.3.2 非线性系统反馈线性化方法
• 2.3.3 带有遗忘算子的最小二乘辨识方法
• 2.3.4 自适应阻抗控制与普通PID控制在微力控制系统中的比较
• 2.4 模糊PID控制方法仿真
• 2.4.1 模糊控制介绍
• 2.4.2 模糊PID控制器设计
• 2.4.3 模糊PID控制与普通PID控制在微力控制系统中的比较
• 2.5 微力跟踪系统控制方案的选择及其理由
• 第3章 静态PVDF微力传感器的设计
• 3.1 PVDF压电薄膜介绍
• 3.1.1 PVDF压电薄膜的内部结构及特点
• 3.1.2 PVDF传感器的研究现状
• 3.2 PVDF基本工作原理介绍
• 3.3 静态PVDF微力传感器设计
• 3.4 PVDF物理系统逆模型控制器设计
• 3.4.1 PVDF传感器逆控制器的实现
• 3.4.2 PVDF传感器的实验过程
• 3.5 PVDF静态微力传感器标定
• 第4章 控制系统实验平台的搭建
• 4.1 系统重要硬件设备介绍
• 4.1.1 三坐标电动平移台
• 4.1.2 PIC单片机控制卡
• 4.1.3 LABVIEW硬件系统
• 4.2 系统软件介绍及设计
• 4.2.1 VC简介及上位机控制系统设计
• 4.2.2 MAPLAB介绍及其控制算法设计
• 4.2.3 PROTEUS介绍及通信仿真
• 4.2.4 LABVIEW控制系统设计
• 第5章 实验装置及其结果
• 5.1 总体实验方案
• 5.1.1 实验方案介绍
• 5.1.2 实验方案一
• 5.1.3 实验方案二
• 5.2 实验过程
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 方案一控制结果及分析
• 5.3.2 方案二控制结果
• 5.3.3 鲫鱼卵细胞注射结果
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 作者简介