專利名稱：一種自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO₂和O₂平衡的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡的方法，主要針對長時間、遠距離的空間載人基地(如月球永久基地、火星基地等)生物再生生命保障系統(tǒng) (Bioregenerative Life Support System, BLSS)內(nèi) CO2和 O2 的平衡問題。
背景技術(shù)：
生物再生生命保障系統(tǒng)(BioregenerativeLife Support System, BLSS)是載人 航天的關(guān)鍵技術(shù)，它是利用高等植物和微生物等生物來生產(chǎn)食物、處理廢物，同時再生空氣 和水，為航天員生命活動提供物質(zhì)保障的獨立、完整、復(fù)雜的系統(tǒng)。其中，維持系統(tǒng)內(nèi)氣體 (主要是CO2和O2)的平衡是BLSS安全性和可靠性的重要保證。高等植物是BLSS的核心部件，為乘員提供食物，水的再生和O2的再生。但研究 表明在BLSS中可能突然出現(xiàn)高等植物欠收的情況，這將引起一系列的問題，包括破壞系統(tǒng) 的氣體平衡。在這種情況下，可以選擇改變乘員的食譜來進行調(diào)節(jié)，其缺點是需要比較長 的反應(yīng)時間(10天左右)，也可以通過改變高等植物的種類來恢復(fù)，這同樣需要很長的時間 (30 60天)，這么長的恢復(fù)時間對BLSS這樣的人工小型生態(tài)環(huán)境來說是致命的，因此，發(fā) 展一種可以快速調(diào)節(jié)BLSS中CO2和O2平衡的方法勢在必行。與高等植物相比，微藻作為一類結(jié)構(gòu)相對簡單的光合營養(yǎng)有機體，具有體積小、生 長速度快、光能利用率高、放氧速度快等特點，能夠快速吸收CO2，釋放O2，因此可以用于調(diào) 控BLSS中CO2和O2的平衡。而光生物反應(yīng)器作為微藻的培養(yǎng)裝置是影響微藻生長和O2再 生的關(guān)鍵設(shè)備，通過對其進行有效的調(diào)節(jié)，可以控制微藻的生長，快速產(chǎn)氧，能夠作為BLSS 的應(yīng)急技術(shù)單元，當(dāng)植物單元運行不穩(wěn)定時，通過控制光生物反應(yīng)器的運行條件使微藻的 光合作用加快或減弱，以維持BLSS中一個穩(wěn)定的大氣環(huán)境。因此，發(fā)展一種可以自動調(diào)控光生物反應(yīng)器的方法，以便維持BLSS內(nèi)CO2和O2的 平衡，對BLSS安全性和可靠性具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可以自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡的方法。為達到上述目的，采取的技術(shù)方案是通過改變光生物反應(yīng)器LED光源的光強來 調(diào)節(jié)微藻的光合速率，進而影響密閉系統(tǒng)中CO2和O2的濃度。為實現(xiàn)自動控制，在MatLab/ Simulink中建立了密閉系統(tǒng)CO2控制器仿真模型，以LabVIEW軟件為平臺與硬件連接，作為 實際控制器，通過預(yù)先設(shè)定密閉系統(tǒng)中CO2濃度值與監(jiān)測的密閉系統(tǒng)中CO2濃度值的差值計 算光強值，以電流脈沖調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)光生物反應(yīng)器LED光源光強，通過影響微藻光合速率， 進而影響密閉系統(tǒng)CO2和O2濃度，從而達到自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡的目的。


圖1為本發(fā)明自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡方法流程圖2為本發(fā)明在MatLab/Simulink中建立的密閉系統(tǒng)CO2濃度控制器仿真模型。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。利用CO2濃度傳感器監(jiān)測密閉系統(tǒng)中CO2濃度，信號經(jīng)數(shù)值采集板，進入LabView 平臺，再通過 NIsimulation interface kit (SIT)接 口傳入 MatLab/Simulink 的控制器仿 真算法(圖2)中，首先對信號進行校正，然后低通濾波，將預(yù)先設(shè)定的密閉系統(tǒng)中CO2濃度 參考值與它進行相減，傳入比例-積分(PI)中控制器來計算光強值，通過SIT進入LabView 平臺，經(jīng)過信號放大器，以電流脈寬調(diào)節(jié)方式改變光生物反應(yīng)器LED光源光強，將光強調(diào)節(jié) 到計算的光強值，從而影響光生物反應(yīng)器中微藻的光合速率，進行影響密閉系統(tǒng)內(nèi)CO2和O2 濃度，直到密閉系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度與預(yù)先設(shè)定的CO2濃度參考值一致為止，從而達到自動調(diào)控 密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡的目的。
權(quán)利要求
一種自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡的方法，其特征在于利用CO2濃度傳感器監(jiān)測密閉系統(tǒng)中CO2濃度，信號經(jīng)數(shù)值采集板，進入LabView平臺，再通過NI simulation interface kit(SIT)傳入MatLab/Simulink的控制器仿真算法中，該算法包括對信號進行校正，低通濾波，并將該信號與預(yù)先設(shè)定的密閉系統(tǒng)中CO2濃度參考值相減，傳入比例-積分(PI)控制器來計算光強值，然后將該值通過SIT傳入LabView平臺，經(jīng)過放大器，通過脈寬調(diào)節(jié)方式改變LED光源的電流，可將光源光強調(diào)節(jié)到計算的光強值，從而影響光生物反應(yīng)器中微藻的光合速率，進而影響密閉系統(tǒng)內(nèi)CO2和O2濃度，直到密閉系統(tǒng)內(nèi)CO2濃度與預(yù)先設(shè)定的CO2濃度參考值一致為止。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)微藻的光合速率，調(diào)控密閉系統(tǒng)中 CO2和O2的濃度。
3.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于光生物反應(yīng)器LED光源的光強可以通過電流 脈寬調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)，從而影響微藻的光合速率。
4.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于在MatLab/Simulink中建立了密閉系統(tǒng)CO2控 制器仿真模型，進行控制光強大小的計算。
5.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于在MatLab/Simulink中建立了密閉系統(tǒng)CO2控 制器仿真模型，以LabVIEW軟件為平臺與硬件連接，作為調(diào)控密閉系統(tǒng)中0)2和O2平衡的實 際控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡的方法，主要針對長時間、遠距離的空間載人基地(如月球永久基地、火星基地等)生物再生生命保障系統(tǒng)(Bioregenerative Life Support System，BLSS)內(nèi)CO2和O2的平衡問題。本發(fā)明在MatLab/Simulink中建立了密閉系統(tǒng)CO2控制器仿真模型，以LabVIEW軟件為平臺與硬件連接，作為實際控制器，通過對密閉系統(tǒng)中CO2濃度的監(jiān)測以調(diào)節(jié)LED光源電流來改變光源光強，影響微藻光合速率，進而影響密閉系統(tǒng)CO2和O2濃度，從而達到自動調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO2和O2平衡的目的。
文檔編號G05D11/13GK101847016SQ201010172059
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者劉紅, 李明, 胡大偉 申請人:北京航空航天大學(xué)