噪声干扰下的生物基因调控网络滤波器的设计.pdf

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1、自动化技术与应用》2016年第35卷第4期通信与信息处理CommunicationandInformationProcessing噪声干扰下的生物基因调控网络滤波器的设计孙春霞(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590)摘要：通过基因调控网络的设计，设计Kalman滤波器和Hoo滤波器对受到内部噪声和外部噪声干扰的线性基因调控网络进行滤波处理，并通过仿真分析比较这两种滤波器对生物基因调控网络的滤波能力。在实际问题中，很多情况下需要考虑有色噪声干扰，本文针对在有色噪声干扰的情况下进行滤波仿真比较。关键词：内部噪声；外部

2、噪声；Kalman滤波器；Hoo滤波器；有色噪声中图分类号：TN7N763．1文献标识码：A文章编号：1003—7241(2016)04—0036—04DesignofFilterinBiologicalGeneRegulatoryNetworkundertheNoiseSUNChun．xia(CollegeofElectricalandAutomationEngineering，ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590China)Abstract：Agoodge

3、neregulatorynetwork，shouldhastheabilitytoresisttheefectsonthecellfunctionwhichincludstheexternalenvironmentchangeandinternalgenemutation，etc．ThispaperisbasedonKalmanfilteringtheoryandH—infinityfilteringtheorytodesigncontrollertofiltertreatthegenenetworksontheinternala

4、ndextemalnoisedisturbance．Takesapracticalexampleofsimulation，toanalyseandcomparethesetwokindsoffilters．Intheactualgenenetworks，inmanycasestoconsidercolorednoise，SOinthispaper,designscontrollertomakeittofilterforgenenetworksonthecolorednoisedisturbanceandsimulate，analy

5、seandcomparethesetwokindsoffilters．Keywords：interiornoise；externalnoise；Kalmanfilter；H-infinityfilter；colorednoise1引言为白噪声时，Kalman滤波器和Hco滤波器滤波效果基人工基因电路在近些年被广泛应用于微生物的细胞本一致；当噪声为有色噪声，Kalman滤波器的滤波效中，这些基本的电路由振荡器⋯、计时器、开关器件[3-51、果波动起伏较大，而Hoo滤波器的滤波效果更稳定的，半加器等基本元件组合而成。从这些基本的基因电

6、路滤波效果更好。元件组成一个复杂的系统是基因电路设计和合成生物学的一个重大进步。基因的表达是最基本的分子生物学行2受到外部噪声和内部噪声干扰下线为，基因表达包含非常复杂的生物化学反应，由于参加性生物基因调控网络的KaIman滤波反应的分子数量的限制，因此，这些生物基因电路具有器和Hoo滤波器的设计明显的随机性。随机性的来源包括内部噪声和外部噪声。2．1系统模型本文用Kalman滤波器和H滤波器对外部噪声在择数学模型中，化学方程式是描述生物化学反和内部噪声进行滤波处理，经仿真举例研究发现当噪声应的最本质和准确的数学模型，但是因为维数

7、困难，一般很难精确求解，并目．在建模过程中，需要知道所有基收稿日期：2O15—06—01通信与信息处理自动化技术与应用》2016年第35卷第4期CommunicationandInformationProcessing本反应的细节，对这复杂的反应系统是不可能的l而化式中，M表示外部噪声对系统的影响。AN，AN厂●●_1『●●L学速率方程n¨是常微分方程模型，建模过程比较简单，表示系统内部噪声。03(t砌)表确示外部噪声，被假设成高分析和数值求解也相对容易，因此在建模时通常会采用斯白噪声。假设N是稳定矩∽阵，∞(3)式中AN和AN：

8、表化学速率方程的形式。以一个有四种物质相互转化的基因调控网络为例，示对象参数的不确定性。假设其中lHIFE。其当此生物基因调控网络未受到扰动时的系统模型如图中H。，H和E为已知矩阵，它们反应不确定参数所处的1所示：位置和变化幅度。F为未知实矩阵，它