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基于甘油跨膜运输混杂动力系统的鲁棒性与辨识

作　者: 晏海花
导　师: 张旭
学　校: 大连理工大学
专　业: 运筹学与控制论
关键词: 混杂非线性动力系统鲁棒性分析系统辨识连续发酵跨膜运输方式
分类号: TQ223.162
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

微生物歧化甘油生产1,3-丙二醇(1,3-PD)是一个复杂的生化过程,本论文针对反应过程中,胞内物质浓度难于测试及底物与产物跨膜运输机理不清等问题,建立混杂非线性动力系统模型用以描述甘油连续发酵生产1,3-PD胞内还原路径上的代谢机理.目的在于对胞外甘油跨膜运输机理进行分析和推断.本课题受国家自然科学基金、“973计划”和“863计划”等项目的资助.本文的主要工作可概括如下：1)假设胞内1,3-PD跨膜运输方式为主被动结合,基于甘油三种不同的跨膜运输方式(主动运输、被动运输、主被动结合),建立具有状态切换与连续参量的混杂动力系统模型,用以描述甘油连续发酵生产1,3-PD胞内还原路径上的代谢机理,其中该系统考虑了三羟基丙醛(3-HPA)对两种关键酶(甘油脱水酶(GDHt)和1,3-丙二醇氧化还原酶(PDOR))活性和微生物增长的抑制.并在一定条件下,证明了动力系统速度矢函数的Lipschitz连续及线性增长性,以确保系统解的存在惟一性，并研究了系统解关于参数的连续依赖性等性质.2)提出生物鲁棒性分析方法,建立系统辨识模型.由于缺乏胞内物质浓度的实测数据,把胞内状态变量关于动力参量的平均相对偏差定义为系统的参量鲁棒性,以这种新的定量定义和胞外实验值和计算值之间的相对误差为性能指标,建立了带有两类参量的系统辨识模型,以进一步推断甘油的跨膜运输.3)针对带有离散和连续两类辨识参量的原辨识问题,基于其难辨识性,我们利用两类参量的互不依赖,相互独立,将其分解为分别关于连续变量的子辨识模型和离散变量的子辨识模型.构造优化算法,利用C++编程,根据数值结果,推断出甘油最可能的跨膜运输方式为被动运输,确定了最合理的动力系统,并借助Origin 8画图软件进行了数值模拟.本文的研究不仅可以丰富混杂非线性动力系统的理论,而且为实现1,3-PD的产业化生产提供了理论指导,是微生物发酵生产1,3-PD过程数值模拟及最优控制的必不可少的基础.

全文目录

摘要 4-5Abstract 5-91 绪论 9-15 1.1 非线性混杂系统研究概况 9-10 1.2 微生物发酵生产1,3-PD研究概况 10-12 1.2.1 微生物发酵生产1,3-PD的研究现状 10-11 1.2.2 微生物发酵过程简介 11-12 1.3 微生物发酵的动力学建模及方法 12-13 1.4 生物鲁棒性研究现状 13 1.5 系统辨识问题简介 13-14 1.6 本文的主要工作 14-152 预备知识 15-21 2.1 常微分方程定性理论 15-16 2.2 细胞反应过程常用的几类生化反应速度函数 16-17 2.3 甘油发酵过程胞内主要动力学 17-213 基于甘油跨膜运输混杂动力系统的鲁棒性与系统辨识模型 21-33 3.1 引言 21 3.2 混杂动力系统 21-25 3.3 混杂动力系统的性质 25-28 3.4 生物鲁棒性的定量定义及系统辨识 28-31 3.4.1 鲁棒性的数学定义 30-31 3.4.2 系统辨识 31 3.5 小结 31-334 混杂动力系统辨识问题的算法构造及数值模拟 33-39 4.1 系统辨识问题的可分解性 33-34 4.2 优化算法及结果 34-35 4.3 数值模拟 35-38 4.4 小结 38-39结论与展望 39-41参考文献 41-45攻读硕士学位期间发表学术论文情况 45-47致谢 47-49

基于甘油跨膜运输混杂动力系统的鲁棒性与辨识

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