非试管繁殖-计算机控制原理.doc

五 植物快繁模拟计算机的控制原理1系统监测的环境参数及各参数的调控原理：智能叶片是模拟植物的气孔结构及在离体情况下，对水分代谢光合作用温度条件等等要求，采用高度密集电路、特殊材料及传感技术开发而成的人造叶片，它能感知植物叶片微域环境（即叶片周围）的各项因子：温度、水分蒸发系数、叶片的水膜分布、基质水分、空气湿度、基质湿度、矿质营养的离子浓度(EC值)、环境光照等环境参数。感应的参数通过网络线传感给系统的主机部分，主机通过智能叶片反馈的参数，并结合快繁专家系统进行参数运算，再指令自动控制执行机构，进行外围设备的启停，以调控外部环境。 2 环境的微域控制： 环境的微域控制是植物快繁模拟计算机系统调控各项环境因子的理论基础。因此，用户必须理解或清楚这个原理。许多用户会提出，快繁是在露天或简易的大棚内进行，外界的温湿度随时进行变化，要控制在适宜的温湿度环境好像是不可能的，即使可能也要消耗大量的能源。 其实并非这样，因为我们运用的是微域环境最优化控制技术，也就是说对植物离体材料的微小环境控制在最适范围即可，无需控制苗床或大棚的整个空间的温湿度环境，因外界的温湿度不管如何变化，真正对植物离体材料发育有影响的只是叶片表面的湿度及温度，说具体些，也就是叶片表面的温度，以及离叶片表面0.5厘米内的空气湿度，据研究表明，微域环境的温湿度与苗床空间或空气的温湿度相差很大，在高温季节的盛夏用仪器检测表明，当0.5厘米的空气湿度在90%以上时，离叶片表面1.6厘米的空气湿度只有40%，而要使0.5厘米内的空气湿度保持在90%以上就极易实现，并且稍一弥雾就可达到，无需消耗大量的电与水。 微喷降温的道理也相似，在夏季高温常达35以上，但采用微域环境控制技术，开启降温不久即可使叶片表面的温度降低至32以下，基本上接近弥雾用水的温度，所以在夏季以地下水为好，降温更快，降温的幅度可达710，而日常生活空调降温或加温，是对整个空间进行温度控制，所以耗电量大，升降速度也慢。所以在露天用计算机系统进行智能调控也就能理解了。3 区间模糊控制： 农业控制与工业控制不同之处，就在于工业控制对象是机器与机械，而农业控制是有生命的植物，植物是具有较强适应性与较宽适应范围的有生命生物，它对于波动的环境适应，已在进化过程中形成，不需像工业控制那样，要达到一个准确的线性值。比如工业控制上湿度或温度控制设定值都是单一的或是很窄的变幅空间，而植物对于湿度、温度的适应则有较宽的适应范围，如温度只需控制在1533间之间就行，基质湿度在6080%之间，光照强度在5000LX80000LX之间，这么大的幅度更有利于环境控制，也更能适应气候多变环境下的准确控制，否则采用单一值的线性控制，在开放多变环境下根本就难以做到，即使做到了，也会使相关设备启动频繁而过早损坏。采用区间控制既不会影响离体材料发育，又有利于数据的准确真实采集，因为，农业传感器检测的对象是气候因子，它是随时在变化，而且是非线性的，比如天边飘过一朵云，可能是瞬间，会使光照传感器接收到光强降低的信号，如立即作出开启蔗阳网或打开补光灯的指令，就会对于使蔗阳网及补光系统长期处于频繁的启动关闭状态，判断失误同时又造成设备的无用功操作。 所以在农业控制中常用延时执行的控制方法，而且不达上下限的阈值，不发指令，即使发出执行指令，也是采用间歇法，让传感器接受到真实信号后，再进行执行，如微喷增湿与培施营养，传感器要检测到上次执行指令效果需一定的时间，喷下的营养液需缓缓地渗到基质中才能被检测到，所以在开关量的控制上采用间歇渐进的方式进行参数的调整。另外，在多线性动态的变化环境中，运用模糊建模，模糊控制的方法，是有效可行的解决方案。这样不会出现太多控制上的矛盾问题产生。特别是一个变量会影响众多参数时，就需进行模糊的权衡运算，作出一个较为折中的控制方案。常遇到的问题，就是一方面空气温度过高，要求进行微喷降温，而一方面又是基质水分过多，这样的情况下，只能采用较大区间法与模糊控制法来实现环境的模拟。1 温度的智能化控制： 温度影响着植物离体材料的细胞分裂、光合、呼吸、蒸腾和其他生理活动，从而影响着离体材料的再生进程。各种植物离体材料的生根，对温度的要求有着自己的适宜范围，在最适温度范围内，离体材料易生根，而超过离体材料所能忍受的最低点或最高点的临界温度，不仅不能发根，反而导致死亡。温度对嫩枝离体材料至关重要，不仅要了解适合快繁的最高和最低两个温度极限值，而且还要了解最适宜的温度范围。 如柳杉十天刺槐、紫穗槐、扁柏、赤松、黑松等最适生根温度是25左右；也有适于较低的温度，如黑杨或落叶性园林观赏树木，以20左右为最适温度；还有喜好较高温度的植物，如桑树、枣树或许多常绿阔叶树种，2530为生根最适温度。 一般木本植物离体材料愈伤组织和不定根形成与温度的关系是：810有少量愈伤组织生；1015愈伤组织产生较快，并开始生根；1525最适合生根，生根率最高；25以上生根率开始下降；28以上时生根率迅速下降，一些树种甚至停止发根；35以上离体材料难以成活。 因为当叶片微域环境温度超过35高温时，光合作用降低而呼吸作用急聚增强，呼吸作用消耗的营养超过光合的积累，离体材料营养代谢处于消耗型，就不能为植物离体材料的愈伤及生根提供营养，另外高温还会大量产生脱落酸，从而大大抑制生根。而当温度低于15时，光合效率就会降低，光合积累少，从而就会影响生根，最适光合作用温度大多为2025。 在快繁的智能控制条件下，用微喷降温方法来调整温度与湿度，是非常有效的。当气温上升时，微喷装置便随着温度的升高而自动增加喷雾次数，温度越高喷雾次数越多，一般能降温48；当气温降低时，喷雾装置会自动随着温度的变化减少喷雾次数。由于采用微喷降温方法来调整温度，一般使苗床基质温度能保持在25左右，这正是植物离体材料生根最为理想的温度。如果气温低到不利于生根时，可采取保温措施增设保温设备，如塑料大棚等，或是增设加温装置，以便增高温度和保持湿度，为离体材料生根创造适宜条件。有了温度控制系统，就能实现低温或高温季节的育苗，也就是可进行周年生产。2 水分对环境的智能调控作用： 水分是离体材料生根的关键因素。运用智能控制技术，能充分科学地利用水对环境的各种调节作用，为离体材料生根发育，创造了适宜的水分环境与适宜的气候环境。可通过水的作用来调整各项生根因子，如水分蒸发系数、基质水分、叶片水膜等，使生根效果达到最理想的水平。 水是生命之源，离体材料生根的首要问题是要继续生存下来。由于离体材料切离母体后，水分来源断绝了，而离体材料的蒸腾作用仍在进行，同时离体材料自切断到快繁和在漫长的生根过程中，时刻受到因失水而死亡的威胁。为了避免不利环境的损害和保持离体材料的生存活力，就需要有充足的水分，来供应离体材料的枝叶吸收和利用。快繁智能系统，可为离体材料生根创造最合理的湿度环境，使离体材料不会因蒸腾而出现枯萎死亡现象。另外，水的控制还能为离体材料生根创造适宜温度条件。植物离体材料的生根，多数品种生根最适宜的温度在2028，在炎热夏季或强烈的日光照射下，高温的气候可采用智能弥雾技术来调整温度的变化，一般可使气温降低48。因井水有冬暖夏凉的特性，如用井水来直接喷雾，气温将会降得更低。由于快繁智能系统，能随着气温的变化而增减喷雾次数，所以当气温升高时，喷雾次数也随着增加，气温下降时，喷雾次数也随着减少，使苗床基质温度保持在一定范围，为离体材料生根创造最为理想的适宜温度。 在弥雾的同时，还可为离体材料生根提供充足的氧气。水本身不能为离体材料生根提供氧气，但水的机械作用，能使排水良好的沙床基质，保持着充足的氧气。这是因为智能喷雾，在每次喷雾后，沙床基质内的旧空气被水排出苗床。当流动的水排出床外时，随后新鲜空气被带进沙床基质内，这样的新鲜空气，在沙床基质内频繁地流动与交换，可为离体材料生根提供充足的氧气。避免强日照产生的危害。嫩枝离体材料生根所需的营养物质和生长素，主要是来自叶的光合作用，因此，充足的光照是离体材料生根的重要条件，也是离体材料生根的关键因素之一。但是强日照和由此产生的高温，不仅严重阻碍离体材料生根，而且很容易受到日灼的伤害，或因高温引起失水而枯萎。为了避免这些不良因素的危害，可采用喷雾降温的办法进行有效地控制，不仅克服了强光照射引起的损害，而且保持了充足的光照，合成更多的营养物质，有利于光合作用的发挥。同时这些光合产物也是由水转运到离体材料的基部，以便供给生根需用。 创造高湿度环境。在炎热的夏季，进行露地快繁育苗，为了消除强日照和高温引起的伤害，必须采用过量的喷雾来避免不利因素，所以采用智能喷雾技术，能使离体材料在生根前总处于高湿度环境，而且都是新鲜而洁净的水，将离体材料枝叶和沙床基质冲洗的干干净净，同时高湿度为离体材料叶面吸收提供了充足的水分，使叶水势和膨压势处于正常的生理状态，使离体材料内的细胞分裂、气孔运动、酶促反应以及光合作用等生命活动能够正常运行。另外，高湿度能使离体材料吸收的水与蒸腾达到平衡，不会因失水而引起枯萎。所以在采条后，要尽快对枝条加工制成离体材料，并及时进行药物处理和快繁，使离体材料在智能喷雾条件下，快速恢复正常的生理活动。 减少病虫害。一般认为弥雾会使致病物发展，实际上并非如此，如弥雾下的玫瑰叶上并未发现霉病，而未弥雾的反而发生霉病。因为霉菌袍子在水中不能发芽。喷水还阻止了蔷微单丝壳菌所致的粉霉的发展，其他致病物也可用此法控制。在频繁地智能弥雾条件下，纯净的自来水或井水将离体材料和苗床基质冲洗得干干净净，决不会引起各种病虫害。3 水分蒸发系数及水膜分布控制： 智能叶片还能感应叶片表面的水分蒸发速度，也就是蒸腾系数，因植物的叶片表面生理结构不同，如气孔密度，栅栏组织的厚度，叶表面的蜡质层，及老嫩程度的不同，水分蒸发存在很大差异，基于此，开发了一种能够调整叶表水膜厚与薄功能的智能叶片，失水快，易干的植物品种，使用时在计算机操作界面上把水分蒸发系数的微调柱往上调，这样智能叶片上保留的水膜就厚，植物叶片就不易干，对于老的叶或蜡质层厚的植物品种，蒸发系数的微调柱往下调，智能叶片上的水膜就变薄，这样不管是什么植物品种在苗床环境下，叶片就不会出现水分过多或过少，就能维持叶片水分的平衡，使叶片保持一定的水势和细胞膨化，使叶片光合作用正常进行。4 空气湿度的调控： 植物离体材料离开母体后，水分蒸发继续进行，而在根系还没形成前，极易失水干枯，也就是水分代谢失去平衡，从而大大影响光合作用，所以空气湿度的控制就显得极为重要，为快繁创造一个适宜的湿度环境，通过智能叶片感应空气的相对湿度，对叶片的微域环境湿度进行精确的智能控制。在快繁的第一阶段也就是细胞活化期，要求空气湿度要保持在90100%，当湿度低于90%时，计算机经专家系统的运算，立即发出加湿的指令，开启弥雾系统进行微喷加湿，当空气湿度达到100%时，就关闭加湿系统。 随着离体材料的发育，渐渐形成愈伤组织及根原基，在此阶段可降低湿度，因此时叶片的蒸腾降低，并且愈伤组织根原基或一次水生根已有水分吸收功能，在该阶段以8090%为最适，当叶片感应空气湿度低于80%时，计算机作出加湿指令开启弥雾，当湿度达90%时即停止加湿，通过控制系统的智能化运行，始终让快繁于苗床的植物离体材料处于最佳的湿度环境，以维持水分代谢的平衡，使光合作用正常进行。5 基质湿度的调控： 实验表明，当基质的湿度过低时，离体材料的愈伤组织容易老化，细胞坏死；当基质湿度过高时，愈伤组织容易缺氧腐烂，保持基质适宜的湿度，是防此切口腐烂的有效措施，通常基质湿度以保持在6080%为最佳。那么，计算机系统是如何实现控制呢？当智能叶片的基质湿度传感器检测到湿度过低时，则会发出间歇弥雾增湿的方式进行增湿，当达到适宜值时，停止弥雾，一般以达到下限值60%作为标准值，这样使湿度区间还有20%的缓冲空间，否则常会出现控制矛盾的问题。 当智能叶片把当前基质湿度传感信号传送给系统主机后，系统需先与当前相关各环境参数值进行比较权衡运算，再经专家模式作出控制决策，这样才不会造成控制上出现的矛盾现象，比如夏季常遇高温胁迫，需频繁地进行微喷降温，而基质湿度可能此时已达到或超过设定上限值，无需环境再加湿，此时如用线性精确控制法是难以实现植物所需环境模拟创造的。特别是相关的空气湿度与叶片水分蒸发系数及空气温度间产生执行矛盾时，需采用间歇回归式负反馈调控，以最小的相关因子波动来达到最佳的控制效果。比如当基质湿度又过高时，计算机会以较少的弥雾量与较高的频率来实现环境降温，达到降温效果同时，又不会使基质湿度提高；这些控制都得通过专家系统中的模糊控制函数运算来实现。采用模糊控制，是实现农业环境非线性变化条件下，达到智能控制的一种最有效方法与最科学的解决方案。 6 EC值的调控： 植物的生长发育等生理过程离不开营养，营养物质的及时补充，是植物正常健壮生长的保障。由于智能苗床是珍珠岩、河沙之类的一个无机环境，而通常配制营养液用的水溶性无机盐，这些电解质的水溶液具有导电作用，导电能力的强弱可用电导率（也就是EC值）表示，在一定浓度范围内，溶液的含盐量与电导率呈密切的正比关系，含盐量愈高，溶液的电导率愈大。因此营养液的电导率能反映溶液中盐分含量的高低，智能叶片测出基质中EC值低于1/2标准液浓度时，计算机系统将结合专家系统，智能开启营养液电磁阀，适时进行营养液的补充。但是在补充的时间上通常以晚上补充为好，因为晚上苗床温度环境稳定，水分弥雾次数较少，可以延长营养液停留在叶片表面的时间，以增进叶片的吸收。在控制上采取这样的方式补充，比如当白天智能叶片检测到营养液EC值低于设定值时，它不会马上开启补充，而是要待到当天太阳西落后的傍晚或晚上补充，一般采用间歇弥雾的方式进行补充与调整，每次补充以叶片见湿为准，经多次补充后慢慢让基质EC值达到设定值，这样不会造成营养液的浪费，也给能检测到准确的EC值给予了缓冲时间，因为营养液喷到苗床后，要待智能叶片检测到信号，需一段营养液下渗时间，否则采用一次补充的方式，常会出现检测延后，而导致过量，这在区间模糊控制中，已说明了农业控制方式固有的特点。7 光照的调控： 光是植物光合作用的能源，没有阳光，光合作用就不能进行，不定根的形成和发育就会受到严重影响。一般来说，光照充足，光合作用旺盛，形成碳水化合物多，离体材料体内的物质积累就多。根系的产生和发育就健壮，所以光照又是离体材料生根的物质来源。但也不是光照越强越好，过强的光照会产生光抑制现象，对生根反而不利，所以对光照进行科学控制就显得较为重要。 带叶快繁时，光合产物对于根的孕育和根的生长，是起着至关重要的作用，必须有足够的光照强度和时间，以便于碳水化合物在呼吸消耗之余有所积累，这将会有更多的营养物质供应离体材料生根，提高生根率，并使苗木生长健壮。这是带叶离体材料在全日照条件下，有利于生根的原因之一。但是，长时间的强光照射，易因蒸腾失水而枯萎，采用智能弥雾方法可维持其水分代谢的平衡，保持离体材料的生命力，以便达到促进生根的目的。充足的光照，能使叶子进行光合作用，不仅能合成碳水化合物养分，更重要的是能合成生长素和生根的生物素、维生素等辅助物质，并及时转移到离体材料基部刺激生根，将会大大缩短生根时间，提高生根率。但遇夏季光照过强的季节，需注意光抑制现象产生对生根的不利影响夏季快繁是温、光最充足的季节,也是植物离体材料来源最为广泛的季节,是实施快繁工程的大好时节，可是在快繁过程中会出现其它季节不会出现的现象，也就是叶片的一些生理损坏而导致材料生根率低或黄化烂苗，这些现象除了高温、细菌滋生快速感染烂苗外，很大一部分还是生理原因，就是强光胁迫造成的光抑制现象，植物叶片的叶绿体在光合作用过程中，能获取光照中的能量参予光电反应过程，把光能转化为化学能，但过多的光能就会使叶片出现光氧化现象，而使叶片内产生大量的活性氧而损害叶片的正常代谢与生理活动，使光合作用效率反而降低，不同的植物及不同的温度环境下，光抑制的光照强度阈值不同，但夏季的光照强度对于离体材料来说,大部分植物是过剩的，因为光抑制出现的光强比完整的植株要低得多。 在光强胁迫下，出现同化量减少，气孔关闭，或叶绿体破坏，导致叶片同化输出量大大减少，从而使材料切口发育生根所需的碳水化合物大大降低，从而影响愈合与生根，或延缓生根，使苗床的管理难度加大，导致出现生根率低或切口腐烂之现象，勿把切口腐烂归根于细菌与真菌感染与水分过多上，而疏忽了因光抑制而导致的生理破坏与能量耗竭联系起来。在夏季的中午，光强常达810万勒克斯以下的强度，对未生根的离体材料来说，属于光强胁迫的阈值，在管理上，需通过人为的遮盖阴网以实现光强的适宜范围。另外光照过强其实还会破坏内源生长激素合成量的降低，而导致愈伤组织过于发达，影响根原基的正常发育。 植物快繁，除了需要一定的光照强度外，光的颜色对不定根的诱导也很重要。日本地川在海仙花和杜鹃等植物快繁中，用有色玻璃和有色玻璃纸进行遮光试验，其结果是光质不同，快繁效果也不同，蓝色和绿色的效果不显著，红色和黄色的效果显著，即红光对光合作用有效。紫外线对植物生长也有关，日光中的紫光和紫外线有抑制枝条伸长的作用，这又促使离体材料出现先生根后发芽的生理现象。另外，瞬间补光可起到长日照作用，使植物在秋冬季节不会进入休眠，实现周年繁殖。根据这一原理，设计开发了以红光光谱为主结合部分蓝光的植物生长灯，作为补光之用。 光照时间、光照强度、光谱的科学控制，是提高成活率方面较为重要的一个方面，它可以通过设施改进与计算机的自动控制得以有效的实现，在有自动遮阳的现代温室条件下，可以把遮阳电源开启系统连接上计算机，以实施智能化自动控制，当智能叶片测定外