● 摘要
生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support System, BLSS)能够模拟自然生态系统的结构和功能，在未来深空宇航探索活动中为乘员提供生命保障，同时也循环利用各种“废物”，如人和其他生物的代谢产物。在BLSS的废物处理研究中，对植物不可食生物量的处理是其中的核心问题。目前BLSS中最先进的植物不可食生物量的处理方法是采用类土壤基质(Soil-Like Substrate, SLS)制备技术，将它们发酵降解为植物栽培所能再次利用的肥料，以进行新一轮的植物栽培。SLS的制备过程涉及复杂的生物和理化过程，只通过还原实验的方法不能把它的内部结构和动态行为研究清楚，因此本研究利用数学建模和计算机仿真技术对此问题进行深入地探索。首先通过建立一个小型人工生态系统——SLS反应器(包括小麦、蚯蚓、微生物群落和人工环境)构型对SLS的制备过程进行系统全面地分析，结合有关文献和前期实验，得到相关机理和数据，并对系统中的物质变化过程及生物对系统变化的主动适应与调节过程进行建模与仿真，把系统中的过程分为两类：连续时间过程和离散事件过程。前者用系统动力学进行数学建模，描述系统中物质的被动变化，后者用有限状态机进行理论建模，描述系统中生物的主动适应与调节。二者的模型最后在MatLab/Simulink平台上实现耦合，进行计算机仿真实验，包括模型的参数辨识、有效性检验，及系统的结构设计、优化和控制等研究。研究表明所建立的模型能全面深入地描述SLS制备过程中的各种复杂关系，并与所设计的原型构型之间具有高度的结构和行为相似性。所提出的模糊逻辑控制和评价函数的过程动态优化方法，能为系统建立反馈过程控制律，使闭环SLS反应器鲁棒地运行在理想的工作点上，并对控制作用具有良好的动态响应性能。本研究可为今后SLS反应器原型的实际建造打下理论和方法基础。