本发明专利技术涉及一种通过调节部分植物光周期调控密闭人工生态系统中CO2和O2气体平衡的方法，主要针对密闭人工生态系统中的CO2和O2浓度平衡稳定的调控。大豆、油莎豆、花生等作物均可作为本方法的调节对象。建立光周期与部分植物光合速率之间精确的传递函数模型，在该模型基础上，建立基于光周期的植物生长控制闭环控制器模型，将该闭环控制器算法嵌入到单片机中，通过单片机与继电器连接作为实际控制器，来控制LED光源光周期，从而影响作物净光合速率，进而影响密闭人工生态系统中CO2和O2的浓度，实现调控密闭人工生态系统中CO2和O2气体平衡的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种通过调节部分植物光周期调控密闭人工生态系统中〇)2和O 2气体 平衡的方法，主要针对长期、远程的永久空间站、月球、火星等基地密闭生态系统中气体平 衡的问题。
技术介绍
"生物再生生命保障系统（Bioregenerative Life Support System，BLSS) " 是基 于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合，构建由植物、动物、微生物组成的人 工生态系统。当人进入这个人工生态系统，成为生态系统的消费者链环同时发挥控制者的 作用，构成了闭合人工生态系统。能够保障这个系统内〇) 2和0 2的平衡，是该系统的关键技 术，也是保障BLSS安全性和可靠性的重要保证。 植物在BLSS中可为人类提供新鲜空气、洁净的饮用水、富含营养的食物和必须的 精神慰藉，是长期载人空间飞行任务中不可少的组成部分。在BLSS中，〇) 2和02浓度稳定 地维持在标称水平对系统维持生保功能是至关重要的，为了在BLSS中同时控制0) 2和02的 浓度，必须寻求一种能调节两种气体浓度的方式。植物作为既能进行光合作用，又能进行呼 吸作用的单元，有着其他方式无可比拟的优势。在调节过程中可以通过光合作用和呼吸作 用同时调节两种气体的浓度。因而能利用植物调控BLSS中0) 2和O2的浓度是一项实用而 又没有外源物质输入的"绿色"方式。 对植物而言，一般光照时间越长，光合作用时间越长，产生的O2越多，吸收的CO 2也 越多。由此可知，理论上通过光照时间的调节，可以在一定程度上达到控制BLSS中032和 O 2的浓度的目的。密闭人工生态系统中，植物培养单元分为两部分：长日照植物和有光周期 植物。其中，长日照植物所在的大植物间实行24小时光照制度，有光周期植物所在的小植 物间实行模拟昼夜交替制度。为了尽量减少改变光照时间对植物正常生长及产量的影响， 调控〇) 2和02的浓度时，可以在保证提供足够食物的条件下，重点选择对光照时间响应不明 显的作物，例如大豆、花生、油莎豆等。 以大豆、花生、油莎豆等植物为调控主体，利用光周期的调控，来实现改变0)2和O 2 的浓度。利用这些植物在一定范围内接受不同时长光照，达到了调控密闭人工生态系统中 〇)2和O2的浓度的效果。而光周期控制器影响植物生长和CO 2释放02再生的关键装置。通 过该控制器的作用，可以调节LED灯的亮灭，影响植物的光合速率，从而调节密闭生态系统 中0) 2和0 2浓度，更好地维持BLSS内的气体的平衡。 因此，发展一种可以自动调节部分植物光周期的控制器的方法，对维持BLSS内大 气的平衡具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过调节部分植物光周期调控密闭人工生态系统中CO2 和〇2气体平衡的方法，能够自动调节密闭人工生态系统中CO 2和O 2气体平衡。 为实现这样的目的，本专利技术采用以下技术方案： -种通过调节密闭人工生态系统中的部分植物光周期来调节植物的光合速率，调 控密闭人工生态系统中〇) 2和02气体平衡，包括如下步骤： 步骤1:确定光周期与部分植物光合速率间的传递函数模型 利用Li-6400光合仪测定不同光周期下部分植物的光合速率，通过系统辨识方 法，建立光周期与部分植物光合速率之间精确的传递函数模型，并对传递函数模型进行有 效性检验。 步骤2 :基于光周期的部分植物生长控制闭环控制系统的设计 在时域和频域内进行基于光周期的部分植物生长控制闭环控制器的设计，利用快 速原型设计技术，将该闭环控制器模型嵌入到单片机中。 步骤3 :通过调节部分植物光周期调控0)2和0 2气体平衡 利用0)2浓度传感器监测密闭人工生态系统中CO2浓度，信号传入单片机的控制器 算法中，该算法将该值与预先设定的〇) 2浓度参考值相减，计算出单片机输出高低电平的时 间，通过三极管放大电流来驱动控制继电器的开闭，来控制LED光源的光周期，从而影响部 分植物的净光合速率，进而影响密闭人工生态系统中〇) 2和O2浓度，直到密闭人工生态系统 中CO2浓度与预先设定的CO 2浓度参考值一致为止，达到调节密闭人工生态系统中气体平衡 的目的。 优选地，对于步骤1，测定的气体信号G(S)与光周期信号P(S)之间关系，采用的模 型形式，其中s为Laplace算子，K为模型的静态增益，TjPT p为与 系统零点和极点有关的时间常数，Td为大豆光合速率对光周期变化的响应延迟时间。 优选地，对于步骤1，系统辨识的方法是在MatLab/System Identification平台 上，利用Levenberg-Marquardt优化算法，确定传递函数模型中的参数。 优选地，对于步骤1，对传递函数模型进行有效性检验采用BF(Best Fit)指标来 衡量，即：其中y是实验观测值，yp为模型预测值，y "为y的均值。 优选地，对于步骤2,在时域内采用根轨迹（root locus)的方法，在频域采用波特 (Bode)图法，进行基于光周期的部分植物生长控制闭环控制器的设计。 优选地，对于步骤2,利用快速原型设计技术，将基于光周期的部分植物生长控制 闭环控制器算法转化为C代码，嵌入到单片机中。 优选地，LED光源的光周期可以通过单片机的输出控制继电器的开合来调节，从而 影响植物的净光合速率。 优选地，将CO2传感器与单片机相连，单片机与继电器相连，构成硬件系统，作为调 节密闭人工生态系统中〇) 2和0 2平衡的实际鲁棒控制器。【附图说明】 图1为本专利技术通过调节部分植物光周期调控密闭人工生态系统中气体平衡的方 法流程图； 图2为本专利技术建立的密闭人工生态系统中CO2浓度传感器的闭环控制系统的计算 机仿真当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种通过调节部分植物光周期调控密闭人工生态系统中CO2和O2气体平衡的方法，该方法通过调节密闭人工生态系统中的部分植物光周期来调节植物的光合速率，调控密闭人工生态系统中CO2和O2气体平衡，包括如下步骤：步骤1：确定光周期与部分植物光合速率之间的传递函数模型利用Li‑6400光合仪测定不同光周期下部分植物的光合速率，通过系统辨识方法，建立光周期与部分植物光合速率之间精确的传递函数模型，并对传递函数模型进行有效性检验。步骤2：基于光周期的部分植物生长控制闭环控制系统的设计在时域和频域内进行基于光周期的部分植物生长控制闭环控制器的设计，利用快速原型设计技术，将该闭环控制器模型嵌入到单片机中。步骤3：通过调节部分植物光周期调控CO2和O2气体平衡利用CO2浓度传感器监测密闭人工生态系统中CO2浓度，信号传入单片机的控制器算法中，该算法将该值与预先设定的CO2浓度参考值相减，计算出单片机输出高低电平的时间，通过三极管放大电流来驱动控制继电器的开闭，来控制LED光源的光周期，从而影响部分植物的净光合速率，进而影响密闭人工生态系统中CO2和O2浓度，直到密闭人工生态系统中CO2浓度与预先设定的CO2浓度参考值一致为止。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘红，杜小杰，胡大伟，付玉明，刘光辉，
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
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