Cơ cấu điều khiển Tín hiệu điều khiển Quá trình Tín hiệu + Tín hiệu - Hình 1.4. Phương thức điều khiển cơ bản
Hệ thống điều khiển thích ứng
Trong sản xuất công nghiệp thường gặp phải vấn đề: để cho sản phẩm phù hợp với một yêu cầu của một chỉ tiêu nào đó, phải tiến hành điều khiển và đo giám định đối với chức năng bộ phận của hệ thống chế tạo sản phẩm đó, thông thường gọi đó là vấn đề điều khiển quá trình, là một lĩnh vực nghiên cứu của kỹ thuật điều khiển. Phương thức
điều khiển này là một loại điều khiển tự động, thu được thông tin từ bộ phận của hệ
thống hoặc từđầu chuyển ra, nhờđó mà điều khiển chức năng của hệ thống. Hình 1.4 là một thí dụ cơ bản và giản đơn trong hệ thống có chức năng như vậy. Ðó là phương thức lấy thông tin chuyển ra của hệ thống quy về phía chuyển vào, nhờđó kiểm tra sai số tồn tại mà điều tiết tín hiệu chuyển đi. Phương thức điều khiển này có hiệu suất và độ chính xác kém, phạm vi thích hợp hẹp, không thích hợp dùng vào hệ thống quy mô lớn. Hệ
thống xử lý trong kỹ thuật hệ thống nói chung đều có nhiều lớp chuyển vào, quá trình bên trong phức tạp và thường phát sinh tác dụng qua lại. Quá trình của hệ thống này còn có một đặc tính là biến đổi có thời gian theo một số nguyên nhân phát sinh ở bên ngoài hoặc bên trong. Do đó, đểđiều khiển hệ thống quy mô lớn, phải nắm vững sự thay đổi
đặc tính của quá trình do các biến động này gây ra, nói một cách khác là phải hiểu được
đặc tính động thái của quá trình. Hệ sinh thái mà chúng ta nghiên cứu hoàn toàn có thể
coi là hệ thống quy mô lớn như vậy. Ðể nắm vững đặc tính động thái của quá trình, cần tiến hành tính toán và đo lường nhất định để thu được những tài liệu phán đoán cần thiết cho việc điều khiển. Những phán đoán này được hoàn thành qua máy tính điện tử. Ðể
dùng máy tính điện tử vào quá trình sản xuất, ít nhất cần có đủ ba điều kiện sau đây: 1. Có những máy đo lường thích đáng với độ tin cậy cao.
2. Có hệ thống điều khiển chỉ lệnh trả lời chính xác và nhanh.
3. Phải có một mô hình quá trình tiêu chuẩn biểu hiện được điều kiện tốt nhất. Ðiều khiển quá trình cần có mô hình (Ahuja, 2002; Phạm Chí Thành và ctv, 1996; Tsuji và ctv, 2002). Hình 2.4 là phương thức điều khiển quá trình không có mô hình. Trong phương thức này, để hiệu chính chuyển vào, đã sử dụng tín hiệu chính phát ra chu kỳ, ngoài việc dùng máy tính để thí nghiệm động tác ra, về cơ bản là giống với hình 1.4. Phương pháp này do không lợi dụng thông tin bên trong hệ thống, cho nên lượng thông tin của tín hiệu chính từ cơ cấu điều khiển ra rất ít.
Hiệu chính Tín hiệu ra Kết quảđộng tác
Cơ cấu
điều khiển Quá trình nghiMáy tính thí ệm động tác Tín hiệu vào
+
Tín hiệu điều khiển
Nhiễu
Khác với phương thức trên, phương thức điều khiển như hình 3.4 có thể thu được nhiều thông tin hơn trong quá trình điều khiển, có thể liên tục tiến hành thao tác tốt nhất. Ðiểm khác với phương thức điều khiển không có mô hình là phương thức này có mô hình hoàn toàn độc lập và dùng máy tính điện tửđể kiểm nghiệm độ chính xác của mô hình. Do đó, trong hệ thống này, có thể vừa bước vào điều khiển quá trình, vừa chỉnh lý kết quả của hành vi mình tạo ra, nhờđó tiến hành hiệu đính tuỳ lúc đối với môi trường mình ởđể hiệu đính quyết định tiêu chuẩn, nên cũng gọi là hệ thống điều khiển thích ứng. Trong hệ thống quy mô lớn tương đối phức tạp, trước hết cần đặt mô hình vào trong hệ thống, vì thế phải làm rõ cần điều khiển biến số nào trong mô hình, tức là
điều khiển bộ phận nào trong quá trình, sau đó mới tiến hành điều khiển chính xác. Cần nghiên cứu làm thế nào để sản xuất cây trồng trong hệ sinh thái đồng ruộng trở
thành hệ thống điều khiển thích ứng như vậy để mà điều khiển. Nhưng hiện nay vẫn chưa có mô hình dùng thích hợp với hệ thống tổng hợp, thậm chí ngay đến mô hình sản xuất (sinh trưởng) cây trồng cũng không hoàn thiện. Dưới đây sẽ nói đến cơ sở của sự điều khiển quá trình hệ sinh thái đồng ruộng - điều khiển quang hợp của quần thể cây trồng.
Tín hiệu ra độKếng tác t quả Mô hình Máy tính điều khiểđển Máy tính để thí
nghiệm động tác Quá t ì h Máy tính để thí nghiệm mô hình + - Tín hiệu điều khiển
Hình 3.4. Phương thức điều khiển thích ứng (Kunizawa và ctv., 1964)
Ðiều khiển quang hợp của quần thể cây trồng
Hệ thống sản xuất cây trồng là một hệ thống phụ của hệ sinh thái đồng ruộng, mà quang hợp quần thể lại là một hệ thống con của hệ thống sản xuất cây trồng. Về sự
quang hợp của quần thể cây trồng, mặc dù có nhiều thông tin, nhưng phương pháp điều khiển coi nó là hệ thống điều khiển thích ứng thì lại hầu như chưa được nghiên cứu. Mô thức mô hình hoá nêu ra ở chương trước có thể dùng làm mô thức điều khiển. Từ công thức (95) đến (99) có thể thấy rõ quang hợp của quần thể quyết định ở:
1. Hàm số ánh sáng - quang hợp của phiến lá 2. Hàm số CO2 - quang hợp của phiến lá 3. Hàm số hô hấp của phiến lá
4. Cấu trúc hình học của quần thể (hệ số tiêu ánh sáng) 5. Hệ số khuếch tán trong và ngoài quần thể
6. Bức xạ mặt trời
Do đó, phương pháp điều khiển cũng phải nghiên cứu lần lượt từng yếu tố. CaO% MgO% SO3% K2O% N% P2O5% 1 2 3 1 2 3 0 1 2 3 4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 1 2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0 0,5 1,0
Hình 4.4. Hàm lượng thành phần vô cơ và cường độ quang hợp của phiến lá lúa nước
Hàm số quang hợp của phiến lá
Những nhân tố chủ yếu quan trọng quyết định hàm số quang hợp của phiến lá là: cấu trúc của lá (kể cả cấu trúc của chất diệp lục), tuổi của lá và cá thể cây, thành phần vô cơ (hữu cơ) của lá, lượng nước của lá và năng lực di truyền của giống. Trong đó, thông qua điều kiện canh tác có thể thay đổi chủ yếu là thành phần vô cơ (hữu cơ) và lượng nước của lá. Các thành phần vô cơ có tác dụng là nhân tố hạn chếđối với hàm số
quang hợp của lá (hình 4.4). Nhưng đó là kết luận rút ra ởđiều kiện trồng trong nước và trồng trong cát khi thành phần dinh dưỡng vô cơ hết sức thiếu. Còn ở các trường hợp thông thường, thành phần dinh dưỡng vô cơ, nhưđạm chẳng hạn, chỉảnh hưởng chút ít tới hàm số quang hợp mà thôi (thực tế chỉảnh hưởng tới hàm lượng protein). Ðạm có tác dụng quyết định đối với sự mở rộng diện tích lá, đặc biệt quan trọng đối với sựđiều khiển quang hợp thuần của quần thể thiếu nước thì từ trước khi héo cũng đã đủđể hạ
thấp quang hợp. Nói chung, quan hệ hàm số quang hợp và độ nhiệt có thể vẽ thành
đường cong tốt nhất, độ nhiệt ứng với gần đỉnh đường cong tương đối gần với nhiệt độ
không khí của thời kỳ trồng trọt cây trồng đó.
Hàm số hô hấp của lá đơn
Thông thường, hoạt động hô hấp và hoạt động quang hợp là song song, có nghĩa là, lá có hoạt động hô hấp mạnh thì hoạt động quang hợp của nó cũng mạnh. Vì thế hoạt
động hô hấp có quan hệ chặt chẽ với tuổi lá, lá càng non thì càng mạnh. Ngoài ra hàm lượng đạm cũng có quan hệ chặt chẽ với hoạt động hô hấp. Do cung cấp đạm, hoạt động hô hấp và sự tổng hợp protein làm nhân quả cho nhau và đều được thúc đẩy. Như đã biết, độ nhiệt thấp có thể hạ thấp hoạt động hô hấp, nhưng độ nhiệt tốt nhất của hô hấp lại khác nhau tuỳ loại cây trồng. Cứ cao lên 100C so với độ nhiệt tốt nhất, thì thúc đẩy hô hấp lên gấp 2 - 3 lần, giống với trị số của những phản ứng hoá học nói chung.
Cấu trúc hình học của quần thể
Chương trước đã nói kỹ vấn đề này, chỉ nhấn mạnh là mật độ quần thể khác nhau thì phương thức ảnh hưởng khác nhau rõ rệt. Hệ số khuếch tán quyết định ở tốc độ gió và cường độ dòng xoáy. Nói chung, tốc độ gió càng lớn thì hệ số khuếch tán cũng càng lớn, tốc độ trao đổi (tích phân của hệ số khuếch tán) gần như tỷ lệ với tốc độ gió.
Mặt cắt thẳng đứng của nồng độ CO2 Ft = 40 k = 0.5 QN = 10ly/min KN = 500cm2/g 45 50 55 60 65 C.102g CO2/cm3 Nồng độ CO2 từ đất thải ra có ảnh hưởng đối với mặt cắt thẳng đứng của nó (hình 5.4). Ðất được bón phân hữu cơ, làm tăng rõ rệt CO2, có ý nghĩa quan trọng làm nguồn cung cấp CO2
trong nhà ấm trồng cây. -20 -10 0 10 4 2 1 cm2 CO2-Flux.106gCO2/cm2.s ft(z).102 cm3 Ft = 40 k = 0.5 QN = 10ly/min KN = 500cm2/g
Như trên đã nói, mặc dù quan hệ
và tác dụng của mỗi một nhân tố đã
được nghiên cứu rõ ràng trên mức độ
nào đó, nhưng không thể căn cứ vào thực nghiệm của mô thức mô hình hoá
để nhìn ra phương hướng điều khiển thích ứng đối với quang hợp của quần thể cây trồng, vẫn cần phải có những sửa đổi tương ứng với mô hình theo mục đích yêu cầu.
Hình 5.4. Quan hệ của sự phân bố nồng độ CO2
trong quần thể cây trồng với CO2 từđất thải ra Hình trên: Nồng độ CO2; Hình dưới: Thông lượng CO2
Trồng trọt theo kế hoạch năng suất cao
Ở Liên Xô (cũ), người ta đã tiến hành thí nghiệm trồng ngô theo kế hoạch năng suất cao ở vùng Vonga. Người ta đã lần lượt xét đến các chỉ tiêu cơ bản của quần thể
cây trồng như sau:
1. Ðường cong tăng diện tích lá
2. Tạo thành thế năng quang hợp cần thiết có hiệu suất quang hợp nhất định 3. Hệ số sử dụng năng lượng mặt trời trong quang hợp
4. Hệ số thoát hơi nước.
Việc lập trình tự của chúng dựa vào các số liệu dưới đây: Với điều kiện của vùng Vonga, từ ngày 20 tháng 5 nảy mầm đến ngày 20 tháng 9 thu hoạch, trong thời gian đó ngô đã hút 1.800 triệu kcal/ha, trong số 3.000 triệu kcal/ha bức xạ quang hợp được tới mặt đất, tồn trữ vào trong hạt ngô năng lượng 220 - 270 triệu kcal/ha (tương đương với khối lượng chất khô 55 - 65 tấn/ha, hoặc khối lượng hạt 20 - 25 tấn/ha). Ðó là con số
khả năng lớn nhất của năng suất ngô thời ấy. Có năm, người ta đặt mục tiêu là đạt 1/2 con số đó, tức là thu được 12 tấn/ha ngô hạt. Nếu tỷ lệ chất khô tích luỹ trong hạt là 0,43 - 0,45 thì cần có năng suất trọng lượng chất khô tổng cộng là 23 - 24 tấn/ha.
Trong điều kiện nước trong đất thích hợp và phân bón đủ, hiệu suất quang hợp bình quân trong toàn thời gian sinh trưởng của ngô là 7- 8 g/m2 ngày. Nếu lấy hiệu suất quang hợp bình quân là 8 g/m2 ngày, thì để tạo thành 24 tấn chất khô/ha sẽ cần thế năng quang hợp (diện tích lá tính toán trong cả thời gian sinh trưởng, lấy đơn vị là hecta) là khoảng 3.000 nghìn m2 ngày.
Nếu chỉ số diện tích lá của quần thể ngô vào tháng 7 và 8 là 4,0 và 6,0 thì trải qua cả thời gian sinh trưởng sẽ có thể hình thành thế năng quang hợp nói trên.
5.5 35 125 172 395 345 370 298 196 204152 0 20 40 80 2 4 1 3 A 5,6 34 148 282 180 370 400380 230 146 200 2 4 1 3 0 5 10 15 20 25 30 35 B 0 Tháng 6 7 8 9 Tháng 6 7 8 9 Hình 6.4. Trị sốđo thực của trình tự thí nghiệm trồng trọt theo kế hoạch đối với giống ngô VIR-156