1.一种分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制方法,其特征在于,包括以下步骤:建立无控分数阶环状基因调控网络模型;
计算得到所述无控分数阶环状基因调控网络模型的正平衡点;
对所述无控分数阶环状基因调控网络模型施加状态反馈控制器,得到受控分数阶环状基因调控网络模型;
将所述受控分数阶环状基因调控网络模型在所述正平衡点进行线性化,得到线性化后的受控模型;
选取总时滞τ作为分岔条件,对所述线性化后的受控模型进行稳定性分析,得到受控模型的临界分岔时滞τ0′和稳定性分析结果;
根据所述受控模型的稳定性分析结果确定所述状态反馈控制器的参数值,以实现对分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制。
2.根据权利要求1所述的分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制方法,其特征在于,在所述对无控分数阶环状基因调控网络模型施加状态反馈控制器,得到受控分数阶环状基因调控网络模型的步骤之前,还包括:将所述无控分数阶环状基因调控网络模型在所述正平衡点进行线性化,得到线性化后的无控模型;
选取总时滞τ作为分岔条件,对所述线性化后的无控模型进行稳定性分析,得到无控模型的临界分岔时滞τ0和稳定性分析结果;
所述无控模型的临界分岔时滞τ0和稳定性分析结果,用于验证所述状态反馈控制器的控制效果。
3.根据权利要求1所述的分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制方法,其特征在于,所述无控分数阶环状基因调控网络模型的表达式为:其中,i=1,2,3,mi(t)和pi(t)分别表示三个基因所对应的mRNA和蛋白质的实时浓度,ci>0和bi>0分别表示mRNA和蛋白质的降解速率,ai>0表示经过核糖体中的mRNA生产蛋白质的速率,τmi>0表示细胞质内mRNA的转录时间,τpi>0表示一个完整功能的蛋白质分子的形成时间;g(pi(t‑τm))是具有Hill函数的形式,表示mRNA基因生成的速率,其表达式为g(p)H
=u/(1+(p/p0)),H是希尔系数,它与分子的结合机制有关,u≥0是有界常数,它表示基因的无量纲转录率,p0>0是正常数,表示抑制阈值;α∈(0,1],表示Caputo分数阶导数的阶数;
令所述无控分数阶环状基因调控网络模型等式的右边等于零,即:* * * * * *
得到正平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,p3)。
4.根据权利要求1所述的分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制方法,其特征在于,所述受控分数阶环状基因调控网络模型为:其中,其中f1,f2,f3分别是状态反馈控制器的控制系数。
5.根据权利要求1所述的分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制方法,其特征在于,所述将受控分数阶环状基因调控网络模型在所述正平衡点进行线性化,得到线性化后的受控模型的步骤,包括:
令vi(t)=mi(t‑τpi)‑mi*、vi+3(t)=pi(t)‑pi*(i=1,2,3),τi=τmi+τpi(i=1,2,3),将正* * * * * *
平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,p3)移动到原点,得到线性化后的受控模型为:
6.根据权利要求2所述的分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制方法,其特征在于,所述无控模型的稳定性分析结果为:若Aj>0(j=1,2,...,11),A12<0且Δj>0(j=1,2...,6),则下面结论成立:* * * * *
1)当0≤τ<τ0时,无控分数阶环状基因调控网络模型在正平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,*
p3)处渐进稳定;
* * * * * *
2)当τ=τ0时,无控分数阶环状基因调控网络模型在正平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,p3)处产生Hopf分岔;
* * * * * *
3)当τ>τ0时,无控分数阶环状基因调控网络模型在正平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,p3)处产生极限环,平衡点失稳;
其中,
A1=2l1cos(απ/2)2
A2=l1+2l2cos(απ)A3=2l3cos(3απ/2)+2l1l2cos(απ/2)2
A4=l2+2l4cos(2απ)+2l1l3cos(απ)A5=2l5cos(5απ/2)+2l1l4cos(3απ/2)+2l2l3cos(απ/2)2
A6=l3+2l6cos(3απ)+2l1l5cos(2απ)+2l2l4cos(απ)A7=2l1l6cos(5απ/2)+2l2l5cos(3απ/2)+2l3l4cos(απ/2)2
A8=l4+2l2l6cos(2απ)+2l3l5cos(απ)A9=2l3l6cos(3απ/2)+2l4l5cos(απ/2)2
A10=l5+2l4l6cos(απ)A11=2l5l6cos(απ/2)
2 2
A12=l6‑l7
l1=c1+c2+c3+b1+b2+b3l2=c1(c2+c3+b1+b2+b3)+c2(c3+b1+b2+b3)+c3(b1+b2+b3)+b1(b2+b3)+b2b3l3=(c1+c2+c3)(b1b2+b1b3+b2b3)+(b1+b2+b3)(c1c2+c1c3+c2c3)+c1c2c3+b1b2b3l4=c1c2c3(b1+b2+b3)+b1b2b3(c1+c2+c3)+(c1c2+c1c3+c2c3)(b1b2+b1b3+b2b3)l5=c1c2c3(b1b2+b1b3+b2b3)+b1b2b3(c1c2+c1c3+c2c3)l6=c1c2c3b1b2b3* * *
l7=‑a1a2a3g'(p1)g'(p2)g'(p3)τ=τ1+τ2+τ3。
7.根据权利要求1所述的分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制方法,其特征在于,所述受控模型的稳定性分析结果为:若Aj>0(j=1,2,...,11),A12<0且Δj>0(j=1,2...,6),则下面结论成立:* * * * *
1)当0≤τ<τ0′,受控分数阶环状基因调控网络模型在正平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,*
p3)处渐进稳定;
* * * * * *
2)当τ=τ0′时,受控分数阶环状基因调控网络模型在正平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,p3)处产生Hopf分岔;
* * * * * *
3)当τ>τ0′时,受控分数阶环状基因调控网络模型在正平衡点(m1 ,m2 ,m3 ,p1 ,p2 ,p3)处不稳定,产生极限环;
其中:
8.一种分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制装置,其特征在于,包括以下单元:模型建立单元,建立无控分数阶环状基因调控网络模型;
平衡点计算单元,用于计算得到所述无控分数阶环状基因调控网络模型的正平衡点;
状态反馈控制单元,用于对所述无控分数阶环状基因调控网络模型施加状态反馈控制器,得到受控分数阶环状基因调控网络模型;
线性化单元,用于将所述受控分数阶环状基因调控网络模型在所述正平衡点进行线性化,得到线性化后的受控模型;
稳定性分析单元,用于选取总时滞τ作为分岔条件,对所述线性化后的受控模型进行稳定性分析,得到受控模型的临界分岔时滞τ0′和稳定性分析结果;
控制参数确定单元,用于根据所述受控模型的稳定性分析结果确定所述状态反馈控制器的参数值,以实现对分数阶环状基因调控网络的状态反馈控制。