In its simplest form, a chemostat consists of microorganisms or cells that grow continually in a specific phase of growth while competing for a single limiting nutrient. Under certain conditions of the cell growth rate, substrate concentration, and dilution rate, the theory predicts and numerical experiments confirm that a periodically operated chemostat exhibits an "overyielding" state in which the performance becomes higher than that at steady-state operation. In this paper, we show that an optimal periodic control policy for maximizing chemostat performance can be accurately and efficiently derived numerically using a novel class of integral pseudospectral (IPS) methods and adaptive h-IPS methods composed through a predictor-corrector algorithm. New formulas for the construction of Fourier pseudospectral (PS) integration matrices and barycentric-shifted Gegenbauer (SG) quadratures are derived. A rigorous study of the errors and convergence rates of SG quadratures, as well as the truncated Fourier series, interpolation operators, and integration operators for nonsmooth and generally T-periodic functions, is presented. We also introduce a novel adaptive scheme for detecting jump discontinuities and reconstructing a piecewise analytic function from PS data. An extensive set of numerical simulations is presented to support the derived theoretical foundations.


翻译:在其最简单的形式中,化学恒温器由细胞或微生物组成,它们在特定的生长阶段不断生长,同时竞争一个限制性养料。在细胞生长速率、底物浓度和稀释率的某些条件下,理论预示和数值实验证实,定期操作的化学恒温器表现出一个“超保值”状态,其中其性能高于稳态操作。在本文中,我们展示了一个最大化化学恒温器性能的新的优化定期控制策略可以通过一种新颖的积分伪谱法(IPS)和预测校正算法构建的自适应h-IPS方法来准确高效地进行数值推导。我们推导了Fourier伪谱(PS)积分矩阵和重心移位Gegenbauer(SG)积分的新公式。我们还对SG积分,截断的Fourier级数,插值算子和一般T周期函数的插值算子和积分算子的错误和收敛速率进行了严格的研究。我们还介绍了一种新的自适应方案,用于检测跳跃不连续性并从PS数据重构一个分段解析函数。我们展示了广泛的数值模拟,以支撑所推导的理论基础。

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