[发明专利]基于叶绿素荧光作为反馈信号的光合作用PID控制方法

权利要求书

1.一种基于叶绿素荧光作为反馈信号的光合作用PID控制方法，其特征在于，包括：

步骤1使用叶绿素荧光仪获取荧光曲线；

步骤2建立光合作用全部过程的数学模型；

步骤3拟合数学模型和实验得到的荧光曲线，确定一系列反应速率常数；

步骤4根据模型输出的荧光值并且利用扩展卡尔曼滤波技术估计状态变量；

步骤5使用PID控制技术调节光合作用活动；

步骤2“建立光合作用全部过程的数学模型；”具体包括：

1)光反应阶段及其电子转移

光反应以及随后的电子传递，从光吸收到NAPDH的形成，还包括当光照强度比较强时的光保护机制；

表1公式(1)-(16)符号含义、相应的物质浓度及初始化

2)暗反应阶段

碳循环是光合作用中“暗反应”的一部分，其反应位点是叶绿体基质；该循环有三个主要阶段：通过CO₂羧化RuBP，CO₂的还原和RuBP的还原；大多数植物通过使用RuBP羧化酶加氧酶将其与5碳RuBP的第二碳结合，整合固定CO₂分子；于是CO₂被还原；由此形成的六碳化合物极不稳定并立即分解成两分子的三碳化合物：3-磷酸甘油酸；然后后者被ATP磷酸化为1,3二磷酸甘油酸，然后通过两个光反应产生的NADPH还原生成3-磷酸丙糖；之后，在一系列复杂的生化反应之后，3-磷酸丙糖分子中的一个脱离碳循环用来合成葡萄糖；根据上述光反应和暗反应过程建立如下的微分方程组：

步骤3：“拟合数学模型和实验得到的荧光曲线，确定一系列反应速率常数；”中，使用列文伯格-马夸尔特算法拟合实验叶绿素荧光曲线与数学模型；

下表列出了用于模型仿真的速率常数值；

参数	速率值	参数	速率值	参数	速率值
1]]>	0.04	14]]>	0.09	27]]>	8.183
2]]>	28.34	15]]>	796.5	28]]>	2.812
3]]>	95.37	16]]>	27.17	29]]>	1.878
4]]>	1310.2	17]]>	15.795	30]]>	8.88
5]]>	0.012	18]]>	38.41	31]]>	6.13
6]]>	144.3	19]]>	5.514	0]]>	5.25
7]]>	0.02	20]]>	10.53	0]]>	1.203
8]]>	19299	21]]>	17.33	0]]>	1.499
9]]>	21.31	22]]>	24.68	0]]>	18.14
10]]>	325.7	23]]>	0.0036	0]]>	7.5
11]]>	481.1	24]]>	0.227	0]]>	0.024
12]]>	590.9	25]]>	-5]]>	G	0.75
13]]>	8259.1	26]]>	30.06

步骤4“使用扩展卡尔曼滤波技术从系统输出量叶绿素荧光估计状态量；”具体包括：

首先设定及P₀，然后根据公式计算以及接着根据计算K_k，再计算同时计算系统的实际输出是叶绿素荧光；函数f是所建立的光合作用模型；函数h是F＝Gk₂x₁；x_k表示基于模型的状态变量；y_k对应于实际荧光输出值，其可包括过程和测量噪声；Q和R是叶绿素荧光测量过程中可能的过程噪声和测量噪声的协方差；A和H可以从数学模型的雅克比矩阵计算得到；P是叶绿素荧光误差估计协方差矩阵，并且P₀可以任意初始化为适当大小的矩阵，因为在一定数量的步骤之后它将收敛；

步骤5“使用PID控制技术调节植物光合作用；”具体包括

反应量v＝k₁₅x₇x₈与某一时刻PQ的还原效率有关；它可以反映用于正向光化学反应的光电子的量，其与最终的糖类生产正相关；同样可以基于测量的ChlF使用EKF来估计x₇和x₈的量；然后这里采用最常用的PID闭环控制系统来控制v的动态；首先通过设定值v^与控制系统的实际输出v的差值作为控制器的输入，控制器产生控制作用后将控制结果反馈给执行单元，使执行单元能够自动调节电源功率大小，从而产生大小不同的光照强度u，进一步不同的光照强度作用于被控植物，被控植物的叶片散射出荧光值，同时，根据荧光值通过EKF估计出该控制系统的实际输出v,最后再根据设定值与实验值的差值作为下一采样时间控制器的输入；可控输入是光强度u；系统中的“控制器”子模块是指本工作中的PID控制器；“电源”子模块是指光能源；“执行单元”是指基于控制器输出的光调节器；“被控植物”子模块是指建立起的数学模型；“转换器”子模块是指相应的光电传感器，在模拟中由增益因子代替。