[发明专利]一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法

摘要

本发明涉及一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法，主要针对解决植物工厂和密闭生态系统中氧气和二氧化碳气体不平衡的问题。利用植物工厂中不同植物对光周期需求的差异性，交错设置不同植物的光周期，统计各种植物光合速率和呼吸速率，通过线性规划的方法，即可自动交错设置植物工厂内各种植物的光周期，使内部氧气和二氧化碳浓度在最短的时间内恢复均衡；能够根据不同光周期及不同植物生长期下的氧气和二氧化碳释放量保障植物工厂内二氧化碳和氧气的自平衡是该专利的关键核心技术，也是一项实用而又没有外源物质输入的“绿色安全”和廉价成本的方式，是保障植物工厂内部安全性和可靠性的重要保证。

主权项

一种基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的方法，该方法利用植物工厂中不同植物对光周期需求的差异性，交错设置不同植物的光周期时间，统计各种植物光合速率和呼吸速率，通过线性规划的方法，即可自动交错设置植物工厂内各种植物的光周期，使内部氧气和二氧化碳浓度在最短的时间内恢复均衡，包括如下步骤：步骤1：确定植物工厂内各种植物的光周期、种植面积、植物单位表面积、光合速率、呼吸速率等基本参数利用光合作用测定仪测定不同光周期下各种植物的光合速率Ai和呼吸速率Ri；利用叶面积仪测量不同植物不同时期的平均单位表面积Si；各植物光周期和种植面积可根据实际情况需要而定；通过气体平衡计算公式，建立不同植物在不同光周期与各种植物光合速率和呼吸速率之间精确数学方程；步骤2：通过交错设置各个植物光周期调控二氧化碳和氧气气体平衡当装置运行到某一时刻，由于某种内部变化或外部扰动使气体偏离了标称水平，通过二氧化碳传感器实时在线测量得到当前的二氧化碳浓度d，若二氧化碳的标称浓度为d0，那么：(1)当d>d0时，假设△d＝d–d0，植物工厂内部的体积为V，那么△d·V即为整个舱内净多出的二氧化碳量；由于已知各植物的光合速率是Ai(i＝1,2,3,……，n)，如果需要最快地吸收掉这些二氧化碳，那么每种植物需要分担的额外光照时间(ti,i＝1,2,3,……，n)，计算如下：目标函数：min T＝t1+t2+t3+……+tn约束条约:A1·t1+A2·t2+A3·t3+……+An·tn＝△d·V(2)当d<d0时，△d＝d–d0<0，那么△d·V为整个舱内净缺少的二氧化碳量；由于已知各植物的暗呼吸速率是Ri(i＝1,2,3,……，n)，如果需要最快地补偿这些二氧化碳的缺失，那么每种植物需要分担的额外黑暗时间(ti,i＝1,2,3,……，n)，计算如下：目标函数：min T＝t1+t2+t3+……+tn约束条约:R1·t1+R2·t2+R3·t3+……+Rn·tn＝△d·V0<ti<8(产量约束)步骤3：基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的控制系统设计进行基于植物光周期交错设置维持植物工厂中氧气和二氧化碳浓度稳定的自动控制系统设计，闭环控制器主要实现的是非负线性最小二乘算法，对步骤2中具有约束条件的线性规划目标函数进行求解，以得到各种植物所分担的额外光照与黑暗时间；利用控制器快速原型设计技术，将该闭环控制器模型编译为C代码，嵌入到单片机中，使之成为实际的物理控制器。