全 文 ：第 wv卷 第 x期
u s s z年 x 月
林 业 科 学
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¤¼ou s s z
植物光自养培养箱 ≤’u 自动调控系统的设计与试验 3
管道平 刘文科 杨其长 巫国栋 魏 强
k中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 tsss{tl
关键词 } 培养箱 ~光自养 ~°•  控制 ~≤’u 浓度 ~自动调控
中图分类号 }±|wv1t ~≥zzy1ux 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsx p stty p sw
收稿日期 }ussy p sv p uu ∀
基金项目 }科技部仪器升级改造项目kŠ p ussv p yl和中国农业科学院院科研基金项目 / 植物无糖培养环境调控系统与综合配套技术研
究0 ∀
3 杨其长为通讯作者 ∀
∆εσιγν ανδ Τεστ οφ Αυτο2Χοντρολλινγ Σψστεµ ιν Χυλτυραλ ςεσσελσφορ
Πλαντ Πηοτοαυτοτροπηιχ Μιχροπροπαγατιον
Š∏¤± ⁄¤²³¬±ª ¬∏ • ±¨®¨ ≠¤±ª±¬¦«¤±ª • ∏Š∏²§²±ª • ¬¨±¬¤±ª
kΙνστιτυτε οφ Ενϖιρονµεντ ανδ Συσταιναβλε ∆εϖελοπµεντ ιν Αγριχυλτυρε o Χηινεσε Αχαδεµψοφ ΑγριχυλτυραλΣχιενχεσ Βειϕινγ tsss{tl
Αβστραχτ} „ ®¬±§ ²© ¦∏¯·∏µ¤¯ √¨ ¶¶¨¯ ©²µ¶∏ª¤µ2©µ¨¨ °¬¦µ²³µ²³¤ª¤·¬²± º¤¶§¨¶¬ª±¨ §o¤±§¤ ±¨ º ¶¼¶·¨° ²© ¦²±·µ²¯ ¬¯±ª ≤’u
¦²±¦¨±·µ¤·¬²±o¤¦¦²µ§¬±ª·²·«¨ ³µ¬±¦¬³¯¨²©°•  §²°¬±¤·¬²±oº¤¶§¨√¨ ²¯³¨ §q׫¬¶¤³³¤µ¤·∏¶¦¤±¦²±·µ²¯ ≤’u ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±¬±·«¨
¦∏¯·∏µ¤¯ √¨ ¶¶¨¯¤∏·²°¤·¬¦¤¯ ¼¯q׫¨ ¶¼¶·¨° ¦«¤µ¤¦·¨µ¬¶·¬¦¶º¨ µ¨ ¤±¤¯¼½¨ §~¬·º¤¶¶«²º¨ §·«¤··«¨ ¶¼¶·¨°oº¬·««¬ª«³µ¨¦¬¶¬²± ¤±§
¦²±√¨ ±¬¨±·°¤±¬³∏¯¤·¬²±o¦²∏¯§¥¨ µ∏±¶·¨¤§¬¯¼o·«¨ ¶∏ª¤µ2©µ¨¨·¬¶¶∏¨ ¦∏¯·∏µ¨ ±¨«¤±¦¨§ªµ²º·«²©³¯¤±·¯¨·¶o¤±§ªµ¨¤·¯¼¬±¦µ¨¤¶¨§
·«¨ ¤§¤³·¬√¨ ¦¤³¤¥¬¯¬·¼ ²©·«¨ ³¯¤±·¯¨·¶·²±¤·∏µ¤¯ ±¨√¬µ²±°¨ ±·q
Κεψ ωορδσ} ¦∏¯·∏µ¤¯ √¨ ¶¶¨ ¶¯~³«²·²¤∏·²·µ²³«¬¦°¬¦µ²³µ²³¤ª¤·¬²±~°•  §²°¬±¤·¬²±~≤’u ¦²±¦¨±·µ¤·¬²±~¤∏·²°¤·¬¦¦²±·µ²¯
目前 o有关在光自养微繁技术中采用大型容器培养组培苗已成为国内外研究的热点 o报道的培养容器的
体积已达 tus ∗ tzs k÷¬¤² ετ αλq oussw ~丁永前等 oussu ~肖玉兰等 ousstl ∀由于采用了大型容器培养 o植株
的栽培密度显著增加 o为了提高组培苗生长和发育的一致性 o必须保证培养容器内环境条件的一致 ∀ ≤’u 是
光自养微繁系统中唯一的碳源 o培养容器内的 ≤’u 浓度是否均一是限制植物生长一致性的重要因子 ∀国内
外植物光自养微繁试验和生产中大多采用强制性通风换气的方法增施 ≤’u o但是 o如果仅仅进行强制性通
风 o在进气口和排气口之间 ≤’u 浓度存在着显著差异 o导致容器内培养的植株生长极为不一致k • ¬¯¶²± ετ
αλqousst ~蔡能等 oussvl ∀其主要原因为仅仅采用强制通风措施不能实现容器内环境条件的均匀 ∀关于大
型组培箱设计与环境控制系统的研究已有些报道 o但控制效果差异很大k丁永前等 oussu ~ • ¬¯¶²± ετ αλqo
usst ~李传业等 ousswl ∀为此本研究设计了一套基于脉冲宽度调制k³∏¯¶¨ º¬§·« °²§∏¯¨o°• l控制技术的
≤’u 环境自动调控系统 o该系统控制精度高 !造价低 !可控性强 ∀
1 系统结构
系统由硬件和软件两部分组成 o系统的主要硬件包括培养容器 !传感器 !气源组件 !°•  控制器 !电磁
阀 !稳流阀和计算机等k图 tl ∀培养容器是光自养组培苗生长的场所 ~°•  控制器是可编程序的单片机 o能
够完成数据采集 !处理和发出控制指令等功能 ∀气源组件包括 ≤’u 液化气钢瓶 !减压阀 !稳压稳流装置 !输
气管和流量控制器 ∀ ≤’u 控制与光照互锁启动 ∀
t1t °•  控制 °•  控制是通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形k含形状和幅
值l ∀其原理是 }在每一个采样周期内 o计算机将控制量的设定值与检测到的控制量进行比较 o按照设计的控
制软件 o经判断 !计算 o采用 °•  信号作为开关阀的驱动信号 ∀如果两者不相等 o就产生了偏差 ~偏差大 o
脉冲宽度很宽 o执行元件动作时间长 o使参数的实测值与设定值的偏差迅速减小 ~偏差小 o脉冲宽度变窄 o
执行元件动作时间短 o直到设定值与实测值相等 o达到自动控制参数的目的 ∀即用一定周期的脉冲信号驱
动开关阀 o用控制信号控制开关阀的开启时间 ∀
图 t 控制系统结构示意图
ƒ¬ªqt ≥¦«¨ °¤·¬¦¶²©·«¨ ¦²±·µ²¯ ¶¼¶·¨° ¶·µ∏¦·∏µ¨
本系统 °•  控制器连接 ≤’u 传感器 o并将检测到被控环境的电信号转变为数字信号 o通过嵌在监控器
表面的液晶显示器显示当前检测环境的 ≤’u 浓度 o实现在线检测 ∀ °•  控制器通过通讯接口k• ≥ p w{xl和
上位计算机通讯 o该控制器既具有自我诊断的功能 o又可直接接受上位计算机的信号指令 ∀计算机控制系统
的控制程序采用 ∂…语言编制 o检测记录可利用 ’©©¬¦¨ 软件进行数据处理 ∀
图 u 培养容器示意图
ƒ¬ªqu ׫¨ ¶®¨·¦«²©·«¨ ¦∏¯·∏µ¤¯ √ ¶¨¶¨¯
t1u 无糖培养容器 本研究设
计了无糖培养容器k图 ul o其主
要特征 }材质采用透光率高的进
口有机玻璃 ∀容器壁厚为 t1s
¦° o容器尺寸为 t uss °° ≅ xss
°° ≅ vss °° o体积达到 t{s ∀
容器内安装了采用有机玻璃管
制作的 ≤’u 释放管 ~ ≤’u 释放
装置的设计可以保证 ≤’u 在箱
体内迅速均匀地分布于培养箱
的空间内 o减少扩散引起的滞
后 o提高 ≤’u 浓度控制的精度 ∀
管的直径为 t ¦°o长度为 t1ux
°∀安装时一端露出 v ¦° o连接
气源 o为进气口 ~另一端封闭后安装在箱体的内嵌小槽中固定 ∀有机玻璃管的侧面打 u排孔 o孔径为 s1x
°° o按开孔垂直方向两排孔面间呈 tusβ夹角 o孔间距离为 u ¦°∀培养箱采用自然通风换气的方式 ∀
2 工作原理
由于培养容器的体积相对较小 o作为气源的 ≤’u 液化气钢瓶内 ≤’u 压力较高 o在实际控制中 o首先通过
减压阀把 ≤’u 液化气钢瓶内的 ≤’u 压力从 {1s °¤降低到 s1tx °¤o再通过稳压稳流装置使 ≤’u 输送的速
度降低到 ts °#¶pt左右 ∀控制系统的基本思想是利用单片机具有的 °•  端口 o在不改变 °•  控制周期的
前提下 o通过 °•  信号来控制向培养容器内输入一定量 ≤’u 时电磁阀开启所需要的时间 ∀即当系统中的
≤’u 传感器检测到培养容器中的 ≤’u 浓度不符合设定标准时 o°•  控制器通过比较实测值与目标值之间的
差距 o根据比例参数来计算出电磁阀的开启时间 o进行间接控制 ∀在程序中设定以 xs ¶为一个控制周期 ∀
同时 o≤’u 增施与光照互锁启动 ∀计算公式如下 }τ € Χ° ≅ k Χ≥ p Χ¬l ≅ Χ§ o式中 }τ为电磁阀导通时间 oΧ≥ 为
≤’u 目标设定值 oΧ¬为 ≤’u 测定值 oΧ° 为比例参数 oΧ§为 ≤’u 流速系数 ∀当 τ∴xs ¶时 o表示在一个控制周
期内 o电磁阀导通时间为全开 ~当 τ  xs ¶时 o表示在一个控制周期内 o电磁阀导通时间为 τ秒 ∀
本系统所使用的 ≤’u 传感器为芬兰产的 ∂¤¬¶¤¯¤2Š • uu⁄型 o检测精度为 ? vs Λ°²¯#°²¯ p t o测量范围为 s
∗ x sss Λ°²¯#°²¯ p t ∀
ztt 第 x期 管道平等 }植物光自养培养箱 ≤’u 自动调控系统的设计与试验
3 系统的控制性能试验
为了评价系统的性能 o利用所设计的控制系统 o进行无糖培养箱内 ≤’u 浓度变化的调控试验 ∀研究圆
叶海棠k Μαλυσ πρυνιφολια √¤µq ρινγοl组培苗在高 ≤’u 浓度环境下的生长发育以及光自养能力 o并在试验过程
中测试控制系统不同比例控制系数k Χ° }s1t !s1u !s1vl对培养箱内 ≤’u 浓度k目标值为 t xss Λ°²¯#°²¯ p tl的
控制效果 ∀选择生长健康 !叶色较浓绿的圆叶海棠组培苗k高度 u1x ¦°左右l o在 ≥培养基中用 t °ª#pt
Œ…„诱导 ov §后转接到无激素无糖 tΠu≥培养基上 ∀培养容器为带有 u个透气膜的方盒 o容积为 wwx °∀
培养支持物选择多孔的无机基质蛭石 ∀每个处理 us瓶 o每瓶装入培养基 wx °o每瓶接种 u株试验苗 ∀圆叶
海棠组培苗诱导生根 v §后 o将其转接到无激素有糖 tΠu≥培养基上进行常规组织培养 o作为试验对照 ∀培
养 ux §后观察测量各项指标 o重复 v次 ∀
环境的控制参数为 }温度 ux ε 左右 o相对湿度 yx h左右 o光照强度 yu1x Λ°²¯#°pu¶p tk在空的培养架上
测量l o光照时间 { }ss ) uu }ss o无糖培养箱内的 ≤’u 浓度 t xss Λ°²¯#°²¯ p t左右 o≤’u 增施与光照互锁启动 ∀
图 v ≤’u 浓度目标值为 t xss Λ°²¯#°²¯ p t时培养箱 ≤’u 浓度变化
ƒ¬ªqv ≤«¤±ª¨ ²© ≤’u ¦²±¦¨±·µ¤·¬²± ∏±§¨µt xss Λ°²¯#°²¯ p t §¨¶·¬±¤·¬²±¬±·«¨ ¦∏¯·∏µ¤¯ √¨ ¶¶¨¯
表 1 无糖组织培养对圆叶海棠组培苗生长的影响 ≠
Ταβ . 1 Τηε εφφεχτ οφ συγαρ2φρεε τισσυε χυλτυρε ον γροωτη οφ Μαλυσ πρυνιφολια ϖαρ . ρινγο πλαντλετσ
处理
×µ¨¤·° ±¨·
根条数
•²²·±∏°¥¨µ
³¨µ³¯¤±·
叶绿素
≤«¯²µ²³«¼¯ Π¯
k°ª#ªptƒl
光合速率
°«²·²¶¼±·«¨·¬¦µ¤·¨Π
kΛ°²¯#°pu¶ptl
气孔导度
≥·²°¤·¤¯ ¦²±§∏¦·¤±¦¨Π
k°²¯#°pu¶ptl
蒸腾速率
×µ¤±¶³¬µ¤·¬²±µ¤·¨Π
k°°²¯#°pu¶ptl
≤Ž y1vv ¥ t1s{ ¥ t1zz ¥ s1uyu ¤ v1{y ¤
无糖培养 ≥∏ª¤µ2©µ¨¨¦∏¯·∏µ¨ ty1xy ¤ u1vx ¤ w1yt ¤ s1suu | ¥ s1w|y ¥
≠各处理的平均值作 ≥⁄检验 o字母不同者差异显著k Π s1sxl ∀ „¦¦²µ§¬±ª·²≥⁄·¨¶·o§¬©©¨µ¨±·¶°¤¯¯¯¨ ·¨µ¶µ¨³µ¨¶¨±·¶¬ª±¬©¬¦¤±·§¬©©¨µ¨±¦¨ ¤·Π
 s1sx q
4 结果与分析
测试表明 }该系统可以用于无糖
培养容器内 ≤’u 浓度的环境控制 ∀本
系统运行稳定 !操作简单 ~控制过程
中 o能够根据植物组培苗生长的变化 o
把培养容器内 ≤’u 浓度控制在设定的
范围内 o且控制精度较高 ∀如图 v所
示 o在不同比例参数条件下 o该控制系
统对培养箱内 ≤’u 浓度的控制效果表
现出一定的差异性 }当比例参数 Χ° 为
s1t时 o培养箱内 ≤’u 浓度最大值为
t wyt Λ°²¯#°²¯ p t o达不到培养箱目标
值 t xss Λ°²¯#°²¯ p t的要求 ~当比例参
数 Χ° 为 s1v时 o培养箱内 ≤’u 浓度最
大值为 t xzs Λ°²¯#°²¯ p t o最小值为 t wu| Λ°²¯#°²¯ p t o虽然达到了培养箱控制目标值 o但培养箱 ≤’u 浓度变
化幅度大 o达不到精确控制的目的 ~当比例参数 Χ° 为 s1u时 o培养箱内 ≤’u 浓度最大值为 t xu| Λ°²¯#°²¯ p t o
最小值为 t wyx Λ°²¯#°²¯ p t o实现了较为理想的控制效果 ∀当达到动态平衡时 o≤’u 浓度会随着植物组培苗
的消耗和培养箱通风状况 o呈现一定的波动性 ∀但 ≤’u 浓度控制存在着一定的误差 o该误差主要是由于 ≤’u
传感器的检测精度 !传感器的稳定性和信号的传送滞后引起的 ∀
试验证明 }通过对比例参数的设定 o°•  控制方法可以实现对环境 ≤’u 浓度的控制 ∀同时 o可以根据培
养容器的大小 !环境通风量的状况以及培养植株对 ≤’u 浓度的要求 o及时地调整比例参数来实现对 ≤’u 浓
度较为精确的控制 o操作非常简单 ∀
从表 t可以看出 o与有糖培养相比 o无糖培养促进了组培苗的生长发育 ∀主要表现在 }植株根系发达 o植
{tt 林 业 科 学 wv卷
株的光合作用 !调节气孔开闭和控制蒸腾速率等方面能力显著提高 ∀而对照组的组培苗根条数少 o叶绿素含
量低 o光合作用弱 o气孔调节能力较差 o水分散失快 o其气孔导度和蒸腾速率分别为 s1uyu °²¯#°pu¶p t和 v1{y
°°²¯#°pu¶pt o显著高于无糖培养处理 ∀增加光照强度和提高 ≤’u 浓度 o改善了圆叶海棠组培苗生长的环境
条件 ~无糖培养提高了圆叶海棠组培苗光自养能力和对环境的适应能力 ∀
5 结论
通过对培养容器的改进 o使操作更容易 ~同时 o更大的垂直空间 o提高了培养箱气体浓度的缓冲性能 ~
≤’u 释放装置的设计与安装 o为提高 ≤’u 释放时的控制精度创造了条件 o实现了较为理想的控制效果 o系统
稳定性高 ∀
本系统以 °•  控制方式为核心 o实现了对培养容器内 ≤’u 的动态控制 ∀该控制方案属于开关控制范
畴 o实现非常简单 o控制作用通过一个开关的操作就能实现 o这样就不需要线性的执行器 o减小了执行器的体
积 o大大地提高了系统的可靠性 o也降低了系统的复杂性 ∀另外 o°•  控制对干扰的灵敏度也比较低 ∀在
执行机构的自身功耗 !与计算机接口的方便性等方面 o也具有明显的优势 ∀
与常规组织培养相比 o光自养微繁技术改革了传统的用糖作为碳营养和培养瓶作为培养空间的技术方
法 o增加了植物生长和生化反应所需要的物质流的交换和循环 o促进了植株的生长和发育 o实现了组培苗的
优质生产 ∀
参 考 文 献
蔡 能 o易自力 o李 祥 qussv1 改善植物大规模组织培养条件的研究进展 q植物学通报 ous kyl }zwx p zxt
丁永前 o丁为民 o崔 瑾 o等 qussu1 组培环境 ≤’u增施监控系统的设计与试验 q农业工程学报 ot{ktl }|y p |{
李传业 o滕光辉 o曲英华 qussw1 基于 °≤的无糖组培微环境控制系统 q中国农业大学学报 o|kwl }vs p vw
肖玉兰 o钱 彪 o和树庄 o等 qusst1 植物光独立培养微繁殖培养箱 }中国 ossuuvzzt1z≈°  qusst p sx p ty
÷¬¤² ≠ oŽ²½¤¬× qussw1 ≤²°° µ¨¦¬¤¯ ¤³³¯¬¦¤·¬²± ²©¤³«²·²¤∏·²·µ²³«¬¦°¬¦µ²³µ²³¤ª¤·¬²± ¶¼¶·¨° ∏¶¬±ª ¤¯µª¨ √¨ ¶¶¨ ¶¯º¬·«©²µ¦¨§√ ±¨·¬¯¤·¬²±q ‹²µ·≥¦¬¨±¦¨ ov|kyl }
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k责任编辑 徐 红l
|tt 第 x期 管道平等 }植物光自养培养箱 ≤’u 自动调控系统的设计与试验