利用人工植物群落调控空间密闭舱室中氧气和二氧化碳浓度平衡的方法及工艺与流程

文档序号:11234270阅读:1413来源:国知局
利用人工植物群落调控空间密闭舱室中氧气和二氧化碳浓度平衡的方法及工艺与流程

本技术发明专利涉及一种能够在空间密闭舱室中,将人工植物群落作为敏感部件,与物理化学再生式生命保障(以下简称物化生保)反馈联接,对空间密闭舱室中的气体(o2和co2)浓度平衡进行调控。该方法及工艺可广泛应用于永久空间站、月球、火星、极地、深海、荒漠等基地密闭环境中对气体的鲁棒平衡控制。



背景技术:

当前我国空间站主要采用的是物化生保技术,处理密闭舱室内乘员产生的co2和尿液等废物,co2进入萨巴蒂尔反应器,尿液处理后获得水,水再进入水电解装置产生o2和h2,h2再进入萨巴蒂尔反应器,与co2进行反应又生成水。因此乘员产生的废物经物理化学式循环,再生为乘员必需的o2和水。物化生保系统的关键技术之一就是保持舱室内气体(主要是co2和o2)的平衡,因为在气体失衡的情况下,会严重威胁乘员的健康乃至生命安全。因此使气体能够始终稳健地维持在标称水平上,是保证物化生保系统安全与可靠性的基本设计指标。而在物化生保系统运行的过程中经常受到内部变化(如乘员换班)和外部扰动(如物流输入变化)的影响,气体浓度常常会偏离设定的标称水平,而目前物化生保系统往往采用冗余设计的方法,即建立多套相关装置进行同一处理过程,通过物理化学手段对气体平衡进行调节,它的缺点在于操作复杂、能耗较高,调控性能易受过程扰动的影响。

高等植物具有对环境因子响应速度快、新陈代谢可塑性高、能耗低、易于控制且鲁棒性强等特点,能够快速吸收co2,释放o2,迅速调节周围环境的气相构成,因此它们可能作为敏感单元与物化生保系统相结合,成为对系统舱室内的气体浓度平衡进行控制的强有力工具。目前世界各航天大国(如俄罗斯、美国等)都对物化生保系统中嵌入高等植物单元进行了初步尝试,除了在物化过程的基础上,增加新的生物再生物流循环通路外,高等植物还能够为乘员提供新鲜的蔬菜、水果和心理上的慰籍。但目前还没有将高等植物单元用于物化生保系统气体鲁棒平衡控制方面研究的报道。

在嵌入人工植物群落的物化生保系统中,影响植物生长发育的生态因子主要是光强和co2浓度,它们为光合作用提供能量和原料。根据生态学原理,植物光合作用速率与光强和co2浓度均呈现s型变化规律,即在光补偿点与光饱和点,co2补偿点与co2饱和点之间,植物光合作用速率与二者变化之间基本呈线性关系。根据控制论原理,据此可以将人工植物群落与物化生保系统反馈联接,构成闭环控制系统,当系统内o2和co2偏离标称水平时,通过植物的自组织作用与光强反馈调节,改变人工植物群落的群体光合作用速率,使系统内的气体浓度重新恢复到标称水平,并具有良好的动态响应性能——理想的延迟时间、波动次数、最大超调量、稳定时间和稳态误差等。由于人工植物群落自身具有强大的自组织稳定性,又与控制对象形成闭环控制系统结构,因此能够有效地消除因内部变化和外部扰动对舱室内气体浓度平衡的不利影响,使气体浓度稳健地平衡在标称水平上,在大大增强物化生保系统运行安全与可靠性、避免冗余设计节能降耗的同时,为乘员提供新鲜蔬果和精神慰籍,提高了乘员的身心健康水平。



技术实现要素:

在物化生保系统的运行过程中,由于受内部变化与外部扰动的影响,舱室内的气体浓度会经常偏离标称水平。根据被控对象的物化特性及对控制性能的要求,发明利用人工植物群落调控空间密闭舱室中o2和co2浓度平衡的方法及工艺,内容包括:

1.基于生物多样性的人工植物群落构建方法

生物多样性对维持生物群落和生态系统的功能具有十分重大的意义。在此基础上,根据前期人工生态系统构建的经验和运行实验,建立适用于物化生保系统气体浓度平衡调节的人工植物群落构建方法,选择那些对光照和co2竞争性比较弱的叶菜和水果品种构建群落,使群落中的各物种尽可能充分地占据光照和co2组成的生态位,优势种之间没有太多的生态位重叠,它们的生态位分化、扩展与迁移能力也比较强。例如,当光强增大时,某些物种达到光饱和点,不能再进一步调节气体浓度时,而另一些物种却可以继续承担调节的作用;当光强较弱,某些物种光合作用下降时,另一些物种却可以采用co2代偿光强的不足,维持较高的光合速率。具有生物多样性的人工植物群落具有强大的自组织功能,能够极大地减弱来自系统内部变化和外部扰动对气体平衡所造成的不利影响。从而使人工植物群落替代物化生保系统的冗余设计,成为气体平衡核心控制单元。

2.基于liebig最小因子定律的光强调节方法

在嵌入了人工植物群落的物化生保系统中,光强和co2都是植物的最小限制因子。因此植物的净光合作用速率可以表示为:

式(1)中,p为植物的净光合速率,pm为植物的最大光合速率,e为光强,[]表示浓度,ke和kc分别表示光合作用对光强和co2依赖的半饱和常数,min表示取最小值。因此每种植物对舱内气体变化速率影响可以表示为以下常微分方程组:

式(2)中,α和r分别表示此种植物的产o2系数和同化商。整个舱内气体浓度变化的速率等于人工植物群落中植物净光合作用导致的气体变化速率与物化生保系统内各反应器中物化反应导致的气体变化速率之和。利用liebig最小因子定律调节光强可以最大限度地利用植物的自组织作用——在co2浓度较高时,采用较低的光强,从而节约能源,获得最佳的控制效果。

3.基于线性二次高斯(lqg)法的状态反馈控制工艺

在物化生保系统与人工植物群落气体浓度动态数学模型的基础上,采用现代控制理论中的lqg法设计闭环控制器,根据o2和co2的实时在线浓度,反馈调节光强,使o2和co2的浓度稳健地维持在标称水平上。在气体传感器的采样过程中会产生一些高频噪音,lqg闭环控制器可以有效地消除这些噪音对控制作用和系统运行的不利影响,其中的数字积分器可以有效地消除稳态误差,使舱内o2和co2浓度保持在与标称值一致的水平上。

当舱内有些状态变量不可测时,lqg法可以根据系统的状态方程设计一个kalman滤波器来预测系统的状态,它与最佳增益共同构成伺服控制器跟踪参考输入(气体的标称浓度),在o2和co2浓度偏离了标称值且有输入扰动和采样噪音的情况下,能够由lqg控制器调节光强,使气体浓度经历较短的时间和较小的波动重新返回到标称水平状态。

4、基于matlab/simulink的实时仿真工艺

运用matlab/simulink实时仿真工具real-timeworkshop(rtw)完成物化生保系统与人工植物群落气体闭环控制系统的实时仿真工艺,即硬件在回路的实际系统原型的构建。其中:控制器采用高性能的工控机/单片机;执行机构采用脉宽调制(pulse-widthmodulate,pwm)的红蓝发光二极管(light-emittingdiode,led)电源;外围电路包括:数据采集板(nipci6221),o2和co2传感器,放大电路等;被控对象是物化生保系统中的气体浓度。在实时仿真系统中工控机/单片机运行由matlab/simulink构建的控制器仿真模型,它接收由传感器得到的舱内实时在线o2和co2浓度数据,经数值计算,决定输出光强大小,控制执行器led的电压,改变光强。

附图说明

图1:物化生保系统与人工植物群落反馈联接构成的气体闭环控制系统示意框图;

图2:lqg反馈控制器组成的示意框图;

具体实施方式

首先在前期人工生态系统实验的基础上,筛选合适的植物品种,除了关注光合特性外,还兼顾其营养及品质特征,将它们组成具有生物多样性的人工植物群落,以光强作为可调节的环境因子,将人工植物群落视为气体敏感单元,与物化生保系统反馈联接,构成气体闭环控制系统。

然后在相关机理和实验数据的基础上,运用系统动力学和化学计量学原理,建立物化系统各个单元与人工植物群落的产/耗气动力学方程,经过高维的耦合构成整个气体闭环控制系统的动力学模型。除了连续过程外,模型还对系统中已知的或可能存在的不连续环节(如死区、粘滞、回环、饱和和时变等)做细致的模拟,尽可能地保证模型与原型在结构和功能上的一致性。

最后在物化生保系统与人工植物群落反馈联接构成的气体闭环控制系统数学模型的基础上,运用matlab/simulink,matlab/rtw为开发平台,进行控制系统数值仿真与实时仿真的开发与应用。控制过程如下:

当舱内co2和o2浓度偏离标称水平时,气体传感器通过实时测量监控,并把信息反馈到数据采集板的模数转换器(a/d),进入lqg控制器的仿真模型,lqg控制器中的kalman滤波器预测那些不能在线测量的状态值,状态预测值与积分器联合确定最佳lq控制增益,并计算出需要输出的光强值,经采集板的数模转换器(d/a),由放大电路转化为实际电压控制信号,控制led的光照强度,从而改变人工植物群落的群体光合速率,导致舱内o2与co2的浓度发生动态响应——与它们标称浓度保持一致,并具有良好的动态响应性能:瞬态性能与稳态性能。

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