生态因子控制技术在生物生长发育方面的应用

      随着科学技术的飞速发展,用电子计算机控制,种庄稼、养禽畜,已不是神奇的想像,而是活生生的现实了。虽然它还是刚刚迈进农业的新兴技术,但它的魅力已打开了人们的眼界,翻开了农业生产管理的新篇章,展示出未来农业的美好前景……。 它是怎样用来种庄稼的呢?这要从生物生长发育需要一定的环境条件说起。 实验测定表明:植物生长发育的快慢可以用摄取二氧化碳(CO:)的快慢衡量。而CO:摄取量又和植物所在环境中温度(T)、湿度(H)和光照(L)有关。可见,只要能人工控制住T、H、L,就可以控制CO:摄取量。若把摄取量能控制在最大值,就可使植物生长发育达到最优。 这种控制由于与生物生长发育要紧密结合,故比一般工业上某些固定因素(如恒温)控制,要复杂的多,变化也大。所以这是一门新兴的生态因子控制技术,亦可称为使生物生长发育具有最优条件的控制技术: 要实现生态因子的控制,在大自然环境下是难以办到的,必需有一个密闭的、独立于大气的环境,这就是当前正在发展的人工气候室(箱)。现在国外已应用这种装置,广泛研究动物、植物、昆虫、鱼贝、藻类、微生物以及人体、大动物等的生长发育控制技术。其装置大小不一,小的有不到lm“的,大的有达几百甚至几千平方米的。在密闭的环境中,用于调节各个生态因子的方替多种多样:有手动控制也有自动控制;有单因子(参数)自动控制,如恒温管理或变温管理,也有多因子(参数)自动控制。生物生长发育是采用多因子(参数)相关控制的方式,亦即随生物不同生长阶段要求各个生态因子能及时自动调节,以达到使生物生长发育最快的目标。在这种情况下,那些手动或分散的仪表控制已显得难于适应需要‘,唯有计算机犹如异军突起,大显身手。研究表明,用计算机不仅可以胜任种种自动控制而且效益高、结构简单。 计算机怎样实现控制了 计算机之所以能控制各个生态因子是通过输入编写好的程序实现的。这个程序就是把人工气候室的工艺转化为建立数学模型寻求最优化结果的描述。因为计算机的“语言”,就是一系列数字。它的每一种指令功能都是用一定数字表达的。所以,必须把生产实际用数学模型表达,才能进入计算机。 那么生态因子控制技术,是怎样用数学来描述的呢?仍以CO:摄取量大小表征植物生长发育状态为例,简述如下。 摄取量Q要达到最大,是我们的目标。而Q又是由T、H、L、CO:的状态决定的。数学描绘就是:Q是T、H、L及CO:的函数,写为Q~f(T,H,L,CO:),并称之为目标函数。求解该函数的极大、极小值,统称为最优化。 上述系统中若湿度H,光照L、CO:浓度保持不变,只调节温度T,则目标函数Q将只是T的函数。这种情况下的寻优,称一维寻优系统,常用黄金分割法(0.618)进行研究. 当需要调节温度T和光照L,而其他保持一13一·专题·研究·闷卜.卜网冲闷.,心闷.材,州.间卜..口.,.叫.险今卜叫.洲卜川卜翻不变,则Q就是二维函数Q一f(T,L)。此时生态因子控制就是二维寻优问题。同理,目标函数可以是三维以致多维函数,是多维寻优。 二维以上的寻优方法可因目标函数为线性而称为线性规划,或为非线性(一般多为二次函数)称为非线性规划。这些,数学上已有成熟计算方法,可资利用。判别目标函数变化得最快的方法,经常采用登山法。但这里的计算、判别只有用计算机才可迅速得出结果。 现以二维寻优问题为例说明一下登山法。 假定目标函数Q=f(T,L)(H及co:的浓度保持不变)为二次式,则当Q为一定值时,Q=f(T,L)应为一个有心的二次曲线。 1.首先测定基{准点:T。,L。,Q。。 2.确定登山的方向:试一下各因子变化时Q的变化二维寻优的登山法控制过程 有心二次曲线,在Q改变时,将形成一族共心的等值线。有如地晓=良‘Q,山认=匆认二两图上表示的图l有心二次曲线等高线中心为最高一样,等值线族的中心,数学上已证明必然是极点,即为极大或极小值。此例就是要在温度T和光职L两个变化量组成的T一L平面上,寻找到Q二f(T,L)曲线族的中心,亦即使植物吸收c。:量Q为最大。 从控制技术上说,就是如何调节T及L使Q值极大。可先从低温、低光照出发,轮流改变T和L,并测定出每改变一次参数的Q值,看其是增还是减。如增加T,Q值是增加的,则继续增加T值。如增加T,Q减小,则T值退回保持不变,改为增加L值,看Q是否增加。这样的调节过程,即为逐步试验判断过程,这种方法称为参数轮换法。 4.测定新的设定点作为新的基准点:如Q:>Q:‘则新基准点为T:,L。,Q:;如Q 随着科学技术的飞速发展,用电子计算机控制,种庄稼、养禽畜,已不是神奇的想像,而是活生生的现实了。虽然它还是刚刚迈进农业的新兴技术,但它的魅力已打开了人们的眼界,翻开了农业生产管理的新篇章,展示出未来农业的美好前景……。它是怎样用来种庄稼的呢?这要从生物生长发育需要一定的环境条件说起。实验测定表明:植物生长发育的快慢可以用摄取二氧化碳(CO_2)的快慢衡量。而CO_2摄取量又和植物所在环境中温度(T)、温度(H)和光照(L)有关。可见,只要能人工控制住T、H、L,就可以控制CO_2摄取量。若把摄取量能控制在最大值,就可使植物主长发育达到最优。