Performance Verification of Smith Predictor Control Using IMC Scheme via Chemical Reaction Networks and DNA Strand Displacement Reaction

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作者
Jingwang Yao,Hui Lv,Yijun Xiao
标识
DOI:10.1109/swc57546.2023.10449223
摘要

Biochemical process control is often achieved through feedback control strategies for theoretical analysis and optimization of biochemical reaction processes. Here, the design improves the robustness of the biochemical process by taking advantage of the Smith prediction structure and internal mode control within the chemical reaction network theory framework to intervene against the time delays and perturbations present in the biochemical process. First, an IMC representation of Smith prediction is constructed using the presence of parameter rectification of the control method, and then an IMC-MSP control scheme is proposed. A first-order time-lag controlled object is established in the construction of the IMC-MSP control scheme. Besides, CRNs and kinetic representations are established based on the control structure to facilitate the evaluation of the control system performance. In this paper, CRNs representations of parabolic functions as signal inputs are defined for the first time and optimized for stepping signals to facilitate the design and study of biomolecular circuits. Notably, for the CRNs-based IMC-MSP control scheme, on the one hand, numerical simulation experiments are designed to verify the effectiveness of the whole scheme from multiple perspectives of time delays, external perturbations, and filter tuning parameters; on the other hand, using DNA strand displacement is reflected to verify the feasibility of the whole scheme.
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