【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于生物工程，具体涉及一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统。
技术介绍
1、细胞培养是生物工程、生物制药、生物资源可持续性利用和细胞医疗的基础，完善的细胞培养技术体系是保证科研、生产和医学应用的关键。机体内的细胞在生长及分化过程中所处的环境不同，其生物学特性也会随环境而改变；为确保在体外培养的细胞能充分反映机体特性，进而需要有适宜的生物环境，若要在体外培养出真实反映机体特性的细胞，就需有适宜的生物环境，就需要用到细胞培养箱。
2、例如现有技术中，专利号为：cn112410218a公开的一种细胞培养箱，属于培养箱
，所述的细胞培养箱包括箱体、灭菌空气发生装置和自动补水装置，所述的箱体包括内壁和外壁，内壁和外壁之间设置一层保温层，所述的灭菌空气发生装置位于内壁顶端，内壁和外壁之间，灭菌空气发生装置包括设有进风口和出风口的壳体，壳体内的灭菌室以及固定在壳体内的风机，所述的自动补水装置包括蓄水瓶、光电液位开关、控制电路、声光报警器和蒸汽发生器。现有技术在实际使用中，温度和湿度是密切相关的物理量，在控制这两个参数时存在相互作用和相互制约的现象；根据加湿图可以发现：当箱内温度上升时，水蒸气的饱和分压力随之降低，即使空气中的湿度保持不变，空气的相对湿度也会发生变化。因此，在调节温湿度系统时，一个操作参数的调整通常会导致其他变量的改变，例如：调节加湿器进行加湿会引起加湿降温的情况，调节加热装置加热则会导致出现加热降湿的情况。目前，将这种现象称为细胞培养箱温湿度的耦合效应，该效应的出现会影响细胞培养箱温湿度双回路的控
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，通过设置细胞培养箱温湿度解耦控制器；针对细胞培养箱温湿度系统间存在耦合性，提出采用对角矩阵解耦算法来进行耦合性削弱；对削弱后的温湿度回路设计自适应模糊pid控制器，形成对角矩阵fuzzy-pid解耦控制器；通过仿真实验，发现该解耦控制器不管在温湿度控制的快速性、准确性、稳定性和抗干扰性方面，都要优于常规pid控制器，其控制性能基本满足细胞培养箱温湿度的控制需求。
2、本专利技术采取的技术方案具体如下：
3、一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，包括培养箱装置以及用于控制所述培养箱装置的控制系统，所述控制系统用于控制所述培养箱装置完成模拟细胞培养所需要的温湿度环境；
4、所述控制系统包括采集模块、控制模块以及处理模块，所述采集模块包括设置在所述培养箱内部的温度传感器以及湿度传感器，所述控制模块包括设置在所述培养箱内部的温度调节机构以及湿度调节机构，所述处理模块包括处理芯片以及上位机，首先通过上位机输入细胞培养所需要的恒定温度以及湿度，所述上位机内部运行有解耦控制方法，所述上位机通过解耦控制方法完成控制所述温度调节机构以及所述湿度调节机构同时工作，完成模拟细胞培养环境。
5、优选地，所述采集模块还包括设置在所述培养箱装置内部的二氧化碳传感器、氮气传感器以及氧气传感器，所述控制模块还包括设置在所述培养箱装置中的二氧化碳调节机构、氮气调节机构以及氧气调节机构。
6、优选地，所述控制系统还包括电源模块，所述电源模块用于向所述采集模块、所述控制模块以及所述处理模块供电。
7、优选地，所述上位机中运行有基于labview的数据检测管理子系统，所述数据检测管理子系统包括用户登录单元、数据显示保存单元、通信单元、数据采集单元、数据查询打印单元、监测报警单元、远程监控单元和手机app监控单元。
8、优选地，所述上位机内部运行的解耦控制方法中，首先构建温湿度模型：
9、
10、在培养箱装置中，根据能量守恒原理的适用性，细胞派阳性内温度对象的模型描述为：
11、
12、式子中，cv是细胞培养箱内空气容积比热容{j/(m3·℃)}；cp.a是空气电压比热容{j/(kg·℃)}；v是细胞培养箱体积{m3}；qn是细胞培养箱内热源散热量{j/s}；τ是时间{s}；tn是细胞培养箱内的空气温度{℃}；ga是细胞培养箱内的通风量{m3}；ρa是空气密度{kg/m3}；ts是通风温度{℃}；t0是细胞培养箱外的空气温度{℃}；h0是细胞培养箱内电阻丝加温量{℃}；r是细胞培养箱的结构热阻{m2·k/w}。
13、优选地，对公式2整理可得：
14、
15、式中，是细胞培养箱温度的时间常数；是细胞培养箱的温度放大系数；是干扰量看作细胞培养箱内的温度变化量；对公式(3)进行拉普拉斯变化后，ts与tn间的传递函数关系为：
16、
17、同样的，根据质量守恒定律的成立，细胞培养箱内湿度对象的模型可描述为：
18、
19、式中，hn细胞培养箱内空气含湿量{g/kg}；k1n细胞培养箱内通风中的速率{kg/s}；hs细胞培养箱内通风中的含湿量{g/kg}；hn细胞培养箱内加湿器的加湿量{g/kg}；
20、对公式(5)整理可得：
21、
22、式子中，是细胞培养箱内湿度的时间常数；是干扰量看作细胞培养箱内送风湿度的变化量；对公式6进行拉普拉斯变化后，hs与hn间的传递函数关系为：
23、
24、优选地，对于细胞培养箱内温湿度之间的耦合效应，可以视为某些扰动变量对细胞培养箱内温湿度的影响；采用一阶模型来近似描述细胞培养箱温湿度间的相互耦合作用；因此，细胞培养箱温湿度耦合模型的传递函数表述为：
25、
26、最终细胞培养箱温湿度控制系统的模型为：
27、
28、优选地，所述上位机通过解耦控制方法完成控制所述温度调节机构以及所述湿度调节机构同时工作，具体的首先重新设置模糊控制器，然后将优化后的隶属度函数和模糊规则编入模糊控制器中，再与对角矩阵解耦算法结合，形成基于itsa算法优化的对角矩阵模糊pid解耦控制器，并采用simulink仿真工具箱来搭建该解耦控制器，最终完成控制细胞培养箱温湿度控制的初始化pid参数、初始温湿度值和目标温湿度值。
29、本专利技术取得的技术效果为：
30、本专利技术中，通过设置细胞培养箱温湿度解耦控制器；针对细胞培养箱温湿度系统间存在耦合性，提出采用对角矩阵解耦算法来进行耦合性削弱；对削弱后的温湿度回路设计自适应模糊pid控制器，形成对角矩阵fuzzy-pid解耦控制器；通过仿真实验，发现该解耦控制器不管在温湿度控制的快速性、准确性、稳定性和抗干扰性方面，都要优于常规pid控制器，其控制性能基本满足细胞培养箱温湿度的控制需求。
31、本专利技术中，能够降低细胞培养箱温湿度的耦合效应，提高影响细胞培养箱温湿度双回路的控制性能，提高细胞培养的存活率。
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1.一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：包括培养箱装置以及用于控制所述培养箱装置的控制系统，所述控制系统用于控制所述培养箱装置完成模拟细胞培养所需要的温湿度环境；
2.根据权利要求1所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：所述采集模块还包括设置在所述培养箱装置内部的二氧化碳传感器、氮气传感器以及氧气传感器，所述控制模块还包括设置在所述培养箱装置中的二氧化碳调节机构、氮气调节机构以及氧气调节机构。
3.根据权利要求2所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：所述控制系统还包括电源模块，所述电源模块用于向所述采集模块、所述控制模块以及所述处理模块供电。
4.根据权利要求3所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：所述上位机中运行有基于LabVIEW的数据检测管理子系统，所述数据检测管理子系统包括用户登录单元、数据显示保存单元、通信单元、数据采集单元、数据查询打印单元、监测报警单元、远程监控单元和手机APP监控单元。
5.根据权利要求4所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模
6.根据权利要求5所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：对公式2整理可得：
7.根据权利要求6所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：采用一阶模型来近似描述细胞培养箱温湿度间的相互耦合作用；因此，细胞培养箱温湿度耦合模型的传递函数表述为：
8.根据权利要求7所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：所述上位机通过解耦控制方法完成控制所述温度调节机构以及所述湿度调节机构同时工作，具体的首先重新设置模糊控制器，然后将优化后的隶属度函数和模糊规则编入模糊控制器中，再与对角矩阵解耦算法结合，形成基于ITSA算法优化的对角矩阵模糊PID解耦控制器，并采用Simulink仿真工具箱来搭建该解耦控制器，最终完成控制细胞培养箱温湿度控制的初始化PID参数、初始温湿度值和目标温湿度值。
...【技术特征摘要】
1.一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：包括培养箱装置以及用于控制所述培养箱装置的控制系统，所述控制系统用于控制所述培养箱装置完成模拟细胞培养所需要的温湿度环境；
2.根据权利要求1所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：所述采集模块还包括设置在所述培养箱装置内部的二氧化碳传感器、氮气传感器以及氧气传感器，所述控制模块还包括设置在所述培养箱装置中的二氧化碳调节机构、氮气调节机构以及氧气调节机构。
3.根据权利要求2所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：所述控制系统还包括电源模块，所述电源模块用于向所述采集模块、所述控制模块以及所述处理模块供电。
4.根据权利要求3所述的一种基于生物工程的细胞培养环境模拟系统，其特征在于：所述上位机中运行有基于labview的数据检测管理子系统，所述数据检测管理子系统包括用户登录单元、数据显示保存单元、通信单元、数据采集单元、数据查询打印单元、监测报警单元、远程监控单元和手机app监控单...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕丁丁，卢兵，刘福杰，万爱军，刘童，
申请(专利权)人：镇江市高等专科学校，
类型：发明
国别省市：
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