利用微藻与好氧发酵调控人工闭合生态系统气体平衡的控制器技术方案

本发明专利技术涉及一种自动调控人工闭合生态系统内气体稳健平衡的控制器，主要针对我国空间受控生态生命保障系统中重要的过程控制问题。本发明专利技术在实验数据和系统辨识的基础上，建立微藻光生物反应器和耗O2微生物发酵反应器的正系统与逆系统模型。根据实际需要补偿的气体量，建立产生O2或CO2速度的响应曲线。在MatLab/Simulink平台上建立逆系统模型和产气速度响应曲线算法的仿真模型，运用MatLab/Real-timeWorkshop将该仿真模型快速原型设计为实际控制器。在应急状态时，通过对系统内气体浓度的在线监测，确定产生O2和CO2速度响应曲线，运用逆系统模型得到光藻反应器和发酵反应器的实时控制律，使系统内气体浓度稳健地平衡在标称水平上，从而实现增强人工闭合生态系统安全与可靠性的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种人工闭合生态系统中气体(O2和CO2)浓度平衡的自动控制器，主要针对空间受控生态生命保障系统稳定运行的过程控制与调节。 
技术介绍
当前空间科技的发展已经解决了将人类送入太空的问题，但是怎样支持人在空间或外星基地数月甚至数年的长期生存，成为当前空间科技领域迫切需要解决的关键问题。该问题最终的解决方案是将地面上的生态系统移植到外太空，使之成为受控的人工闭合生态系统，通过有效地调控物质循环、能量流动和信息传递为乘员提供长期可持续的生命支持与保障。在通常情况下，人工闭合生态系统运行过程中气体(O2和CO2)平衡主要是依靠高等植物的光合作用和动物(包括人)的呼吸作用来维持的，然而由于内部变化和外部扰动的影响，如植物单元设备故障、病虫害和动植物阶段性生长差异等原因，气体往往会偏离标称水平。如果气体失衡状态持续时间过久，对人和其他生物会造成很大伤害，可能会导致系统的永久性不可逆损伤，甚至崩溃。因此在气体失衡时，如何快速调控人工闭合生态系统中气体的浓度，使它们能够快速恢复到原来的标称状态，同时具有良好的动态响应性能，成为目前人工闭合生态系统研究中亟待解决的关键问题。 微藻具有生长速度快和可控性强等特点，能够快速吸收CO2再生O2，而用于植物不可食生物量及其他废物处理的耗O2微生物发酵反应器能够在控制作用下，快速消耗O2产生CO2。在空间应用中，当人工闭合生态系统处于气体失衡状态时，它们可以作为系统气体调控的冗余敏感单元快速补偿相应气体浓度的缺失，从而增强人工闭合生态系统的安全与可靠性，对我国空间受控生态生命保障系统建立具有重要意义。 
技术实现思路
本专利技术的目的是研制能够调控人工闭合生态系统O2和CO2浓度平衡的控制器，使系统内的气体浓度达到稳健的平衡。为达到此目的，采取的技术方案是：在人工闭合生态系统中建立2个敏感的冗余单元-培养微藻的光生物反应器和耗O2微生物发酵反应器。前者最有效的控制因子是光强和曝气速度，后者是温度和曝气速度。为了实现对它们的有效控制，在实验数据的基础上，运用系统辨识的方法分别建立①光生物反应器：光强-产O2速率的传递函数模型和②发酵反应器：温度-产CO2速率的传递函数模型。通过求解这2个传递函数模型的逆模型，得到①光生物反应器：产O2速率-光强的传递函数模型和②发酵反应器：产CO2速率-温度的传递函数模型，并根据O2和CO2的补偿量建立气体最佳速度响应曲线逆向预测光强与温度的最佳控制律。将以上逆系统模型和算法生成可执行C代码，完成控制器的快速原型设计。 附图说明图1为本专利技术人工闭合生态系统气体控制方法流程图； 图2为本专利技术建立的气体平衡控制器结构图。 具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的描述。 1.基于系统辨识的光生物反应器和发酵反应器正逆系统模型建立 在MatLab/System Identification平台上，根据输入-输出时间序列，对光生物反应器和发酵反应器进行系统辨识，得到它们的正系统模型，它们分别是①光生物反应器：光强-产O2速率的传递函数模型和②发酵反应器：温度-产CO2速率的传递函数模型。模型中的延迟环节采用Pade方法近似为传递函数。在光生物反应器和发酵反应器正系统模型的基础上，求解它们的逆系统模型，同样是传递函数。 2.基于气体浓度补偿的O2和CO2最优速度响应曲线设计 根据在应急情况下实际需要补偿的O2和CO2数量，通过求样条导数和样条积分的方法，预先建立理想的O2和CO2速率变化曲线，该曲线可以使被补偿的O2和CO2浓度具有可实现的、良好的动态响应特征，如理想的延迟时间、上升时间、峰值时间、最大超调量和稳定时间等，它们对控制时间的积分等于气体失衡时需要补偿的O2和CO2数量。将该曲线作为输入，通过光生物反应器和发酵反应器的逆系统模型确定最佳的光强和温度控制曲线。由于两个反应器采用的底物是固定的，因此光生物反应器的同化商和发酵反应器的呼吸商可视为是常数。因为具有确定的定量关系，所以对光生物反应器和发酵反应器来说，O2和CO2的最优速度响应曲线确定后，需要通入CO2和O2的曝气速率也相应确定。 运用MatLab/Simulink平台建立光生物反应器和发酵反应器的逆系统模型，以及O2和CO2最优速度响应曲线设计算法的仿真模型。并在工控机上运行该仿真模型作为实际控制器，使之与实际人工闭合生态系统反馈联接构成硬件在回路(HIL)结构用于实时半实物仿真。在MatLab/Real-Time Workshop平台上执行实时仿真对气体平衡控制器的控制效果进一步校核和确证，以及控制器的快速原型设计。除了一个运行控制器仿真模型和人机交互界面的工控机外，HIL还包括其他的外围设备，如O2和CO2传感器、数字放大器、数据采集板(NI PCI-622137-pin)和物理执行器：脉宽调节(PWM)的LED光源、温控设备和气压电磁阀等。 实时半实物仿真的基本流程如下：在人工闭合生态系统运行时，在某一时刻发生了内部变化与外部扰动，使气体的浓度偏离了正常范围。经过一段时间稳定后，如果情况仍然没有得到好转，这时气体平衡控制器开始运行，气体传感器实时测量O2和CO2当前浓度，并经数据采集板把它们传递到气体平衡控制器模型中，后者根据在线气体浓度、标称气体浓度及系统的体积计算出需要补充的O2或CO2数量，并自动设计出O2或CO2速率理想响应曲线，把它作为输入通过光生物反应器或发酵反应器的逆系统模型获得光强或温度的实时控制曲线。对光生物反应器或发酵反应器的曝气曲线可根据气体速率理想响应曲线，通过同化商或呼吸商进行校正得到。然后将光强或温度的控制曲线和曝气速率曲线作为实际光生物反应器或发酵反应器原型的控制律，调节它们的产O2或CO2速率，可以使人工闭合生态系统内的气体浓度在最短的时间和最小的波动下重新恢复到原来的标称水平。最后将气体平衡控制器仿真模型通过MatLab/Real-Time Workshop生成优化的C代码，嵌入到单片机中使之成为人工闭合生态系统的实际控制器原型。 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于人工闭合生态系统内调节气体平衡的控制器，其特征在于： 在应急状态下，利用微藻光生物反应器快速再生O2，吸收CO2，利用耗O2微生物发酵反应器快速生产CO2，消耗O2，所以无论什么原因导致的人工闭合生态系统中的气体平衡失调，都可以通过联合控制光生物反应器和发酵反应器，使系统内的气体稳健地平衡在标称范围内。

【技术特征摘要】
1.一种用于人工闭合生态系统内调节气体平衡的控制器，其特征在于： 
在应急状态下，利用微藻光生物反应器快速再生O2，吸收CO2，利用耗O2微生物发酵反应器快速生产CO2，消耗O2，所以无论什么原因导致的人工闭合生态系统中的气体平衡失调，都可以通过联合控制光生物反应器和发酵反应器，使系统内的气体稳健地平衡在标称范围内。 
2.如权利要求1所述方法，其特征在于：根据实验数据辨识得到的光生物反应器和发酵反应器的正系统模型和逆系统模型。 
3.如权利要求1所述方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红，胡大伟，谢倍珍，付玉明，李乐园，张厚凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11