地球与太空植物环境控制研究回顾与展望

《IEEE Control Systems》：Environmental Control for Plants on Earth and in Space [25 Years Ago]

　　

植物已经进化出应对天气多变性的能力并生存下来，但在自然界中，很少有单个植物能达到其遗传潜力。封闭环境中的植物生产力求使每株植物接近其遗传潜力。对地上部（shoot）和根部（root）环境的控制一直是生产系统的核心特征，无论是在植物生长室（plant growth chambers, 或房间）、温室（greenhouses），还是像NASA为太空食物生产和废物处理（生物再生，bioregeneration）所设想的完全封闭环境中。当在植物与自然（室外）环境之间设置覆盖物时，植物环境会发生改变，有时是剧烈改变。光照和空气速度可能降低。例如，空气温度可能每分钟内不太一致，但逐日更一致，相对湿度和二氧化碳浓度可能显著高于或低于周围环境。在过去的几十年里，受控环境植物生产系统已经发展到可以管理室内环境，使其或多或少独立于自然环境。

植物生产系统已变得更加复杂。曾经，环境控制的重点仅仅是维持蓝图设定点（blueprint set points）。下一步是维持根据该地点和一年中时间确定为作物最优的设定点。最近，目标已转变为根据经济标准实时确定的最佳设定点轨迹（set-point trajectories）。最后一步是当前研究焦点，仍需大量工作才能使这些可能性成为现实。气候控制在过去几十年中已从手动操作变为数字操作，控制计算机变得更快、能力更强。如今已有工具可以为地球和太空的植物生产开发接近最优的控制系统。然而，当涉及两个或更多状态变量时，计算仍然过于昂贵，无法在实时真正最优控制中实现。这导致许多努力开发可求解的简化模型和捷径，并实时控制相关系统。以下内容首先聚焦商业温室和植物生长室中植物生产的环境控制，然后将该种植系统与在太空应用中种植植物所需的相当不同的控制策略进行对比。为展示温室环境控制的关键特性，提出了一种用于耦合空气温度和湿度的非线性控制器（nonlinear controller），并采用适用于该系统的各种反馈和前馈控制方法。

植物生产环境控制是现代农业和封闭生命支持系统的核心问题。在自然界中，植物虽已进化出对天气多变性的适应能力，但个体极少能达到其遗传潜力。覆盖物（如温室）的使用虽使生产在一定程度上独立于自然环境，却也显著改变了光、温、湿度及CO₂等关键环境因子。过去几十年，控制技术从手动转向数字，但多变量实时最优控制因计算代价高昂而难以实现。为此，研究人员回顾了地球与太空植物生产的环境控制研究，重点对比商业温室、植物生长室与太空应用的控制需求，旨在梳理现有方法并探索可行的控制架构。

该研究首先指出，封闭环境植物生产系统正在从固定设定点控制转向基于经济准则的实时轨迹优化，但高维状态下的最优控制仍属未来方向。研究提出温室气候管理的层次分解框架，并系统总结了植物对温度、光、CO₂、相对湿度和空气流动的需求。在此基础上，设计了一个耦合空气温度与湿度的非线性控制器，通过仿真验证了其鲁棒性。研究的重要意义在于，它为地球及太空植物生产的环境控制提供了一种系统化设计思路，即通过分层、简化和非线性控制策略应对复杂生物环境系统的挑战。

主要关键技术方法包括：采用层次分解方法将温室气候管理划分为四个控制层级（Level 0—Level 3），以适配不同时间尺度的物理与生物过程；运用非线性控制理论构建温度-湿度耦合控制器，并结合反馈与前馈控制结构；使用伪导数反馈（pseudo-derivative feedback, PDF）方法整定控制器参数；通过计算机仿真模拟设定点阶跃、扰动及参数不确定性，评估控制系统的鲁棒性和稳定性。研究未涉及实验样本或临床队列。

研究结果部分，作者分别讨论了以下主题。

**Hierarchical Decomposition of Greenhouse Climate Management（温室气候管理的层次分解）**
通过分析温室环境响应时间尺度，研究人员提出四级分解框架：Level 3为市场决策层，Level 2为生物学考虑层，Level 1为环境控制层，Level 0为物理执行层。该分解表明，植物生产系统物理响应快（秒级），而生物响应慢（天或周级），分层控制有助于协调不同速率的子过程。

**Plant Requirements and Environment Needs（植物需求与环境需求）**
研究总结了五个关键控制标准：物理产量、品质、作物时间安排、生产成本与风险。这些标准在控制实施中可能产生冲突，需根据作物周期或操作周期进行权衡。

**Temperature（温度）**
温度对发育的影响常大于对光合作用的影响。在14–40?°C范围内，植物冠层总碳同化受温度影响约20%，峰值在30?°C附近；同时维持呼吸（maintenance respiration）在高温下显著增强。根区温度影响插条生根和发育，升温可促进根系发生。案例显示，生菜在24?°C升至27?°C时叶扩张加速，光照截获增加，生长约加速5%。

**Light（光）**
光是植物生长唯一能量来源，光合有效辐射（photosynthetically active radiation, PAR）与冠层生长密切相关。在光饱和前，生长速率与日光照积分近似线性，生菜和番茄的研究均证实了这一关系。补充光照控制可基于规则算法实现恒定的每日光积分，无需依赖天气预报。

**Carbon Dioxide（CO₂）**
CO₂富集至环境浓度3–5倍时促进生长，但边际效益递减；当光照等因子受限时，富集可能不经济。CO₂同化的时间动态尚未充分定量，但响应时间以半小时计，常规设定点控制基本够用，同时可在实时评估中优化设定点。

**Relative Humidity（相对湿度）**
高湿度（低蒸气压亏缺，vapor pressure deficit, VPD）会降低蒸腾、限制钙吸收、诱发生理障碍并促进病害；低湿度（高VPD）则诱导气孔关闭，抑制生长。但冠层内湿度允许较宽范围，控制指标通常以VPD表述。

**Air Movement（空气流动）**
过强气流导致水分胁迫，过弱气流则造成冠层内CO₂耗尽、蒸腾减弱及病害。空气流动通常由设计决定，但可在高光或结露条件下通过控制循环风扇改善。

讨论部分指出，温室和生长室控制存在不同的优化策略，包括最小化直接成本、最大化产量或均匀性，以及基于模型、监督或知识基的控制系统。实现层面需考虑植物需求、传感器设计及分层控制架构。研究结论可翻译为：过去几十年，植物栽培环境控制方法取得了显著进步。当前技术已能够考虑植物的独特需求，包括保护其免受极端温度、湿度和辐射的影响。气候管理的层次分解表明，植物培养涉及多个不同时间尺度，控制工程师必须在系统设计中考虑这些尺度。一般而言，温室和生长室的植物种植采用不同的优化策略，包括最小化直接成本、最大化生物量或作物均匀性等性能目标，以及新近发展的基于模型、监督或知识基的控制系统。本文还讨论了影响控制系统实施的关键因素，如植物需求与环境参数响应、传感器设计及分层控制。所开发的耦合非线性控制器通过简化方法获得了线性化解耦模型，仿真结果表明确保了鲁棒性、稳定性，并能恰当地响应扰动和参数不确定性。