Thiết kế hệ thống điều khiển độ pH,EC cho hệ thống tưới trong công nghiệp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LUẬN VĂN THẠC SỸ
Tên đề tài:
Nghiên cứu thiết kế hệ thống
điều khiển độ pH,EC cho hệ
thống tưới trong công nghiệp
GVHD: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến
HVTH: Lê Quốc Đạt

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2011
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ và tên học viên: Lê Quốc Đạt
Đơn vị công tác: HITECH MECHATRONIC lab - ĐH Bách Khoa Tp. HCM
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Chuyên ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Khóa: K2010
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Tấn Tiến
Tên đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển nồng độ pH cho hệ
thống tưới trong nông nghiệp”.
Mục Lục
CH NG 1: T NG QUANƯƠ Ổ 4
1.1 Các khái ni mệ 4
1.1.1 pH và nh h ng c a đ pH trong n c t i t i cây tr ngả ưở ủ ộ ướ ướ ớ ồ 4
1.1.2 EC và nh h ng c a EC trong n c t i đ n cây tr ngả ưở ủ ướ ướ ế ồ 5
1.2 Tính c p thi p c a đ tàiấ ế ủ ề 6
1.3 Tình hình nghiên c u trong và ngoài n cứ ướ 6
1.3.1 H th ng t i Andersonệ ố ướ 6
1.3.2 H th ng t i hi n đ iệ ố ướ ệ ạ 7
CH NG 2: T ng quan v v n đ nghiên c uƯƠ ổ ề ấ ề ứ 9

2.1 M c tiêu nghiên c uụ ứ 9
2.2 Mô t c b n v h th ng đi u khi n pH và EC trong n c t iả ơ ả ề ệ ố ề ể ướ ướ 9
2.3 H th ng hòa tr n hóa ch t và chu n đ pH, ECệ ố ộ ấ ẩ ộ 11
CH NG 3: D ki n k ho ch nghiên c uƯƠ ự ế ế ạ ứ 13
3.1 Gi i quy t v n đả ế ấ ề 13
3.2 K ho ch th c hi nế ạ ự ệ 13
CH NG 4: D ki n m c l c lu n v nƯƠ ự ế ụ ụ ậ ă 15
Tài li u tham kh oệ ả 17
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Các khái niệm
1.1.1 pH và ảnh hưởng của độ pH trong nước tưới tới cây trồng
pH là chỉ số đo trực tiếp nồng độ của ion H
+
trong dung dịch. pH có
thể được đo trực tiếp nhớ máy đo pH và có giá trị nằm trong khoảng từ 0 (rất
axit) đến 14( rất bazơ). Tại pH =7 thì dung dịch được gọi là trung hòa. pH
nếu nhỏ hơn 7 thì dung dịch gọi là có tính axit và ngược lại pH lớn hơn 7 thì
dung dịch gọi là có tính bazơ hay tính kiềm.
Nồng độ pH có vai trò rất quan trọng.Nồng độ pH của đất ngoài vùng
cho phép có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng đến sức khỏe cây trồng
(xem hình 2.1) vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng các thành phần dinh
dưỡng của cây, đặc biệt là các nguyên tố vi lượng [2] (xem hình 1.1).
Hình 1.1 Ảnh hưởng của pH đến các nguyên
tố vi lượng trong đất, nguồn: [2]
pH của nước tưới ảnh hưởng rất lớn đến việc trồng trọt, mặc dù pH
của nước tưới ảnh hưởng rất ít đến pH của đất, nhưng nó ảnh hưởng đến độ
tan của các muối trong dung dịch nước tưới, đồng thời ảnh hưởng đến hiểu
quả việc sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt nấm khi trộn vào nước tưới. Nói
tóm lại, pH càng cao thì độ tan của các muối trong dung dịch nước tưới càng
thấp.

1.1.2 EC và ảnh hưởng của EC trong nước tưới đến cây trồng
EC hay còn gọi là độ dẫn điện, là một tham số cho biết tổng nồng độ
của muối trong dung dịch. EC càng cao, muối càng bị tan nhiều trong nước.
Với nước tưới, EC được dùng để xác định khả năng hình thành muối khi
nước được tưới vào cây trồng.Khả năng dẫn điện của nước phụ thuộc vào
nồng độ ion, loại ion và nhiệt độ của nước (dung dịch) [5].
Chỉ số EC của một mẫu nước thông thường là tổng chỉ số EC của tất
cả các ion. Thực tế, người ta sử dụng máy đo EC để xác định chỉ số EC của
mẫu (nước, dung dịch) theo công thức sau:
.
( / )
0.0191( 25) 1
M C
C K
EC mho cm
t
µ
=
− +
(1.1
)
Trong đó,
M
C
= độ dẫn điện của mẫu,
mho
µ
.
t
= nhiệt độ của mẫu,

0
C
.
C
K
= hệ số của máy đo,
1
cm
−
.
Trong quá trình tưới,các muối tan theo nước vào phần đất chứa bộ rễ
của cây trồng. Cây trồng hấp thụ nước nhưng hấp thụ rất ít lượng muối tan.
Đồng thời, sự bay hơi của nước cũng để lại lượng muối này. Dần dần, muối
được tích tụ tại phần rễ của cây trồng. Sự tích tụ này gây ảnh hưởng xấu đến
cây trồng. Vì vậy tại mỗi quá trình phát triển cây trồng ta cần cung cấp vừa
đủ chất dinh dưỡng cho cây trồng nhằm tiết kiệm phân bón đồng thời không
gây ảnh hưởng xấu đến đất.
1.2 Tính cấp thiếp của đề tài
Nước ta là một nước nông nghiệp, với xu hướng hội nhập hiện nay,
lượng hàng hóa xuất khẩu của nước ta ngày càng nhiều. Tuy nhiên việc
trồng trọt hoa màu của người dân còn thô sơ, phụ thuộc nhiều vào điều kiện
tự nhiên, năm được năm mất. Với sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng
cao như hiện này, vấn đề cấp thiết là ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ
thuật vào nông nghiệp nhằm khống chế các điều kiện tự nhiên vào cây trồng,
tăng năng suất cây trồng và giảm sức lao động của nông dân. Như vậy mới
đảm bảo các sản phẩm nông nghiệp của nước ta đạt được các tiêu chuẩn khắt
khe trên thế giới và có thể cạnh tranh với các nước khác.
Nước tưới là vấn đề hết sức quan trọng trong trồng trọt nhằm đảm bảo
cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cho cây trồng, tiết kiệm phân bón và cải
tạo đất trồng. Việc đưa các bộ điều khiển thông minh vào điều khiển hệ

thống tưới không những đảm bảo các giá trị trong nước tưới như pH và EC
mà còn tự động hóa quá trình tưới theo từng gian đoạn phát triển của cây
trồng, và với việc kết hợp hệ thống tưới này với các hệ thống điều khiển
khác trong nhà kính sẽ tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng phát triển.
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 Hệ thống tưới Anderson
Một trong những hệ thống tưới kết hợp bón phân dạng lỏng được biết
với tên thương mại là Anderson (xem hình 1.2). Hệ thống có một đường ống
chính dẫn nước tưới và các bơm để bơm dung dịch phân bón, axit, bazơ vào
đường ống chính. Hệ thống này có một đồng hồ áp lực sẽ sinh ra một xung
thủy lực sau mỗi đơn vị thể tích của dòng nước chính đi qua. Xung thủy lực
sẽ đồng thời kích hoạt các bơm bơm một liều lượng nhất định dung dịch hóa
chất vào trong nước. Mỗi bơm có một van dùng để điều chỉnh lưu lượng
dung dịch hóa chất được bơm vào nước.Trước khi sử dụng, các van này
được điều chỉnh trước bằng taytùy vào tỷ lệ và nồng độ phân, nồng độ
pH/EC mong muốn của nước tưới.
Hình 1.2 Hệ thống tưới Anderson, nguồn: [6]
1.3.2 Hệ thống tưới hiện đại
Các hệ thống tưới hiện đại khắc phục được nhiều khuyết điểm của các hệ
thống trước đó.Nhờ ứng dụng những thành tựu của nghành khoa học máy
tính, điện tử và điều khiển, hệ thống tưới hiện đại có khả năng tưới và bón
phân với liều lượng được kiểm soát một cách chính xác và tự động, điều
chỉnh hàm lượng, thành phần dinh dưỡng và lượng nước tưới phù hợp cho
các loại cây trồng khác nhau. Việc điều khiển pH và EC trong nước tưới
nông nghiệp đã được nghiên cứu và liên tục phát triển trong những năm gần
đây. Tuy nhiên tài liệu nghiên cứu về việc điều khiển nồng độ pH cho hệ
thống tưới nước, tưới phân hầu như rất ít vì nó chủ yếu được xây dựng và
phát triển trong nội bộ các công ty về thiết bị nông nghiệp, các tài liệu về
việc nghiên cứu thiết kế hệ thống này luôn được bảo mật.
Hình 1.3 Mô hình hệ thống tưới hiện đại, nguồn: [6]

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về các giải thuật được ứng
dụng vào bộ điều khiển. Đặc trưng là sử dụng bộ điều khiển mờ như của
Luis E. Zárate của Đại Học Pontifical Catholic - Brazil [4], điều khiển thích
nghi của Dhruba Sankar De, Ai-Poh Loh, P. R. Krishnaswamy của Đại Học
Quốc Tế Singapore [5], hay việc kết hợp giải thuật di truyền với điều khiển
mờ của K. Valarmathi, D.Devaraj and T.K.Radhakrishnan [3] nhằm đạt
được độ chính xác cao nhất cho hệ thống. Tuy nhiên các nghiên cứu chỉ đưa
ra các giải thuật điều khiển pH hay EC riêng rẽ, chưa có sự kết hợp vào một
hệ thống chung để đưa vào ứng dụng thực tế.
Ở nước ta hiện nay đã có nhưng nghiên cứu về phát triển hệ thống nhà
kính cho việc trồng rau trong nhà. Tuy nhiên vấn đề quan trọng là điều khiển
pH và EC cho nước tưới thì chưa có nhiều nghiên cứu mà chủ yếu nhập máy
từ nước ngoài với giá thành cao.
CHƯƠNG 2: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Bài toán đặt ra là xây dựng bộ điều khiển để việc tưới tiêu cho cây
trồng là tự động hoàn toàn và đảm bảo giá trị pH và EC phù hợp đối với cây
trồng. Vì vậy việc hòa trộn hóa chất phải được thực hiện ngay trên đường
ống chính và dẫn nước tưới trực tiếp đến với cây trồng, đảm bảo việc tưới
tiêu liên tục không bị dán đoạn. Đồng thời bộ điều khiển phải bao gồm lịch
tưới với giá trị pH và EC phù hợp với từng loại cây trồng và từng giai đoạn
phát triển của cây trồng.
Đối với từng loại cây trồng thì giá trị pH nằm trong khoảng 5,5 đến
6,5, giá trị EC nằm trong khoảng từ 1mS/cm đến 1,2 mS/cm. Sai số cho
phép là 0,1 đối với pH và 0,1 mS/cm đối với EC. Hiên nay đã có nhiều công
ty như HANNA
®
Instruments có thể điều khiển với độ chính xác của pH lên
đến 0,01.
2.2 Mô tả cơ bản về hệ thống điều khiển pH và EC trong nước tưới

Để điều khiển độ pH trong nước tưới ta sử dụng 2 bình hóa chất chứa
axit và bazơ được nối trực tiếp vào đường ống nước tưới hoặc thùng chứa
nước tưới như hình vẽ. Việc điều khiển lưu lượng dòng dung dịch bazơ hay
axit đổ vào đường ống (thùng chứa) nước tưới sẽ đảm bảo việc tăng hay
giảm pH của nước tưới theo mong muốn. Hiện nay việc điều khiển pH của
nước tưới gặp khó khăn vì đường cong chuẩn độ pH là phi tuyến và nó hết
sức nhạy cảm với nhiễu trong quá trình điều khiển. Nhìn vào đường cong
chuẩn độ bên dưới, ta thấy rằng đường cong chuẩn độ rất dốc ở vùng pH từ
5 đến 9, vì vậy việc điều khiển độ lưu lượng dòng dung dịch axit hay bazơ
để pH đạt được vào vùng này là rất khó khăn.
Hình 2.1 Mô hình điều khiển pH

Hình 2:2 dạng đường cong chuẩn độ.
(a) Hệ thống với Axit mạnh- bazo mạnh
(b) Hệ thống với Axit yếu- bazo mạnh
(c) Hệ thống với Axit mạnh, axit yếu- bazo mạnh
Để điều khiển giá trị EC trong nước tưới ta dùng thêm một hoặc nhiều
bình chứa phân bón tùy thuộc vào cách thức bón phân, các bình này được
nối trực tiếp với đường ống hay bình chứa nước tưới thông qua các van. Ta
điều khiển lưu lượng của các van này để đảm bảo lượng phân bón được hòa
vào là phù hợp và đạt được EC mong muốn. Việc điều khiển này phải lưu ý
tới nồng độ phân trong các thùng chứa đồng thới lưu lượng nước trong
đường ống chính hay thể tích bình chứa nước tưới, nhằm đảm bảo đủ giá trị
EC cho suốt quá trình tưới.
2.3 Hệ thống hòa trộn hóa chất và chuẩn độ pH, EC
Hình 2.3 Mô hình điều khiển pH
Hiện nay mô hình hòa trộn hóa chất và chuẩn độ pH, EC chủ yếu sử
dụng mô hình như hình vẽ trên , các hóa chất được hút vào đường ống chính
thông qua các ống venturi, các cảm biến pH và EC sẽ được bố trí cuối đường
ống chính và gửi tính hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ đóng ngắt các

van để điều chỉnh lưu lượng các hóa chất chảy vào đường ống chính. Với
mô hình này việc hòa trộn xảy ra trên đường ống chính và được dẫn trực tiếp
để tưới cho cây trồng, không thông qua thùng chứa nào.
Ở mô hình trên, bơm 1 có nhiệm vụ hút nước vào đường ống chính và
dẫn nước đến các trạm phân phối cho cây trồng, bơm 2 có nhiệm vụ tạo sự
chênh áp ở 2 đầu ống venturi để hút các hóa chất vào đường ống chính.
CHƯƠNG 3: Dự kiến kế hoạch nghiên cứu
3.1 Giải quyết vấn đề
Để giải quyết bài toán được đặt ra, trước tiên ta phải xây dựng mô hình hòa
trộn hóa chất sao cho việc hòa trộn xảy ra ngay trên đường ống chính, đảm
bảo việc tưới tiêu và chuẩn độ pH và EC xảy ra liên tục. Sau đó mô hình hóa
quá trình chuẩn độ pH và EC nhằm tìm ra giải thuật điều khiển tối ưu. Sau
đó thiết kế bộ điều khiển để đưa giải thuật mô phỏng vào thực tế và tiến
hành kiểm tra độ chính xác và độ tin cậy của giải thuật.
3.2 Kế hoạch thực hiện
STT Công việc cần phải thực hiện Kết quả yêu cầu Thời gian
1. Thiết kế và chế tạo hệ thống hút
nước và hòa trộn hóa chất.
Bản thiết kế và mô hình
thực nghiệm hê thống hút
và hòa trộn hóa chất
15/06/11–
30/06/11
2. Mô hình hóa bài toán và tìm giải
thuật điều khiển để đạt được yêu
cầu đặt ra
Mô phỏng quá trình điều
khiển với độ chính xác
theo yêu cầu
31/06/11–

15/07/11
3. Xây dựng bộ điều khiển và viết
chương trình điều khiển cho hệ
thống thực nghiệm
Điều khiển được hệ
thống hút và hòa trộn hóa
chất
16/07/11–
15/08/11
4. Tiến hành thực nghiệm, thu thập
dữ liệu, hiệu chỉnh thuật toán
Các số liệu nghiên cứu
thực nghiệm
16/08/11–
30/08/11
5. Xây dựng hê thống hoàn chỉnh
nhằm đưa vào thực tế
Xây dựng hệ thống giao
tiếp với người dùng để
ứng dụng vào thực tế
31/08/11–
30/09/11
6. Viết báo cáo Quá trình thực hiện và số 1/10/11–
liệu nghiên cứu 30/10/11
CHƯƠNG 4: Dự kiến mục lục luận văn
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu về tầm quan trọng của pH và EC
1.2. Giới thiệu các mô hình đã được phát triển trên thế giới
1.3. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

2.1. Nước tưới
2.1.1. Nồng độ pH và ảnh hưởng của nồng độ pH
2.1.3. EC và ảnh hưởng của EC
2.2. Phân bón
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ
THỐNG
3.1. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế
3.2. Tính toán lưu lượng và áp suất đầu ra của hệ thống bơm
3.3. Tính toán và lựa chọn bơm
3.3.1. Tính toán và lựa chọn bơm chính
3.3.2. Lựa chọn bơm phụ
3.4. Tính toán kích thước ống venturi
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG
4.2. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mờ
4.2. Thiết kế giải thuật và mô phỏng
4.3. Mô hình toán
4.4. Mô hình Simulink
4.5. Kết quả mô phỏng
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN
5.1. Giới thiệu vi điều khiển
5.2. Giới thiệu cảm biến
5.2.1. Cảm biến pH
5.2.2. Cảm biến EC
5.2.3. Cách bố trí cảm biến trong hệ thống tưới
5.4. Thiết kế mạch điều khiển
5.5. Thiết kế mạch công suất
CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
6.1. Kết quả thực nghiệm
6.2. Kết luận
6.3. Hướng nghiên cứu tương lai

Tài liệu tham khảo
[1] William R. Argo, Ph.D., Paul R. Fisher, Ph.D., Understanding Water Quality, Part 1:
Water pH, Alkalinity, and Control Of Media-pH, originally printed in OFA bulletin
(No.878, May-June 2003)
[2] Bill Argo, Ph.D., Understanding pH Management And Plant Nutrition, Part 2: Water
Quality, originally printed in 2003 in the Journal of the International Phalaenopis Alliance,
Vol.13 (1).
[3] K. Valarmathi, D.Devaraj and T.K.Radhakrishnan, A Combined Genetic Algorithm
and Sugeno Fuzzy Logic based approach for on-line Tuning in pH process.
[4] Luis E. Zárate pontifica. Catholic University of Minas Gerais, Brazil, Peterson Resende
Federal University of Minas Gerais, Brazil, A Fuzzy logic and variable structure based
controller for pH control, The 27
th
Annual Conference of th IEEE Indistrial Electronics
Society.
[5] Dhruba Sankar De, Ai-Poh Loh, P. R. Krishnaswamy National University of Singapore.
A nonlinear adaptive controller for a pH neutralization process, Proceeding of the merican
Control Conference, Chicago, illinois- June 2000.
[6] United States Patent, Computerized Fertilizer Injection System, Patent number:
5184420, Date of patent: Feb. 9, 1993.