Nghiên cứu bộ điều khiển pid kiểm soát vi khí hậu trong nhà kính
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.5 MB, 111 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN VĂN HUẤN
NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KIỂM SOÁT
VI KHÍ HẬU TRONG NHÀ KÍNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN VĂN HUẤN
NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KIỂM SOÁT
VI KHÍ HẬU TRONG NHÀ KÍNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.GVC. ĐINH HOÀNG BÁCH
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2015
i
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : ………………TS.GVC. ĐINH HOÀNG BÁCH
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 21 tháng 3 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
TT
1
Chủ tịch
2
Phản biện 1
3
Phản biện 2
4
Ủy viên
5
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
ii
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 20 tháng 1 năm 2015
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN HUẤN
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 17/01/1983
Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV: 1341830012
I- Tên đề tài: Nghiên cứu bộ điều khiển PID kiểm soát vi khí hậu trong nhà kính
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Tính toán, chế tạo và thực nghiệm bộ điều khiển vi khí hậu cho nhà kính,
theo giải thuật PID (Propotional – Integral – Derivative). Các yếu tố điều khiển bao
gồm:
- Ánh sáng
- Độ ẩm
- Nhiệt độ
- Thông thoáng khí
III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/01/2015
V- Cán bộ hướng dẫn: TS.GVC. ĐINH HOÀNG BÁCH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
NGUYỄN VĂN HUẤN
iv
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn và tri ân:
- TS.GVC. ĐINH HOÀNG BÁCH đã tận tình giảng dạy, hướng dẫn khoa
học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và
hoàn thành luận văn.
- Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, hướng dẫn trong suốt quá trình học tập tại
Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM.
- Ban Giám Hiệu và các Thầy Cô Khoa Nông nghiệp và công nghệ thực
phẩm - Trường Đại học Tiền Giang đã tạo điều kiện để tôi có thể lắp đặt thử nghiệm
bộ điều khiển và ghi số liệu trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
- Công ty TNHH phân bón VAC_R, Q.12 - Tp.HCM đã giúp đỡ nguồn kinh
phí và hỗ trợ linh kiện, thiết bị khi lắp đặt bộ điều khiển.
- Và tất cả các anh, các bạn học viên cùng lớp, những người thân đã giúp đỡ,
đóng góp ý kiến, động viên tôi trong suốt thời gian học tập.
Trân trọng.
Tp.HCM, ngày 20 tháng 1 năm 2015
NGUYỄN VĂN HUẤN
v
TÓM TẮT
Canh tác nông nghiệp kiểu "nước, phân, cần, giống", các yếu tố liên quan
khác chỉ biết nhờ "trời", ngày nay đã lạc hậu. Ứng dụng tự động hóa là một trong
những phương pháp tốt nhất để nâng cao năng suất và chất lượng cho nông sản.
Theo đó, điều khiển các yếu tố thời tiết theo yêu cầu nông học của cây trồng bằng
cách sử dụng nhà kính đã được nghiên cứu thực hiện.
Mục tiêu của nghiên cứu là áp dụng giải thuật PID trong điều khiển tự động
nhiệt độ, ẩm độ, cường độ chiếu sáng cho cây trồng. Đồng thời đánh giá tác động
của các giải pháp làm mát, bức xạ mặt trời đến khí hậu bên trong nhà kính.
Kết quả thực nghiệm cho thấy dưới tác dụng của hệ thống điều khiển, tiểu
khí hậu trong nhà kính hoàn toàn thích hợp cho hầu hết cây trồng xứ nhiệt đới và
một số loại rau ôn đới.
vi
ABSTRACT
Automation is one of the best methods to increase capacity and quality for
production and even agricultural production. To meet the demand for automation of
the ecological factors in agricultural cultivation and especially in greenhouse, a
study of this aspect was done. The target of this study is on designing a model of
greenhouse applied automatic control and researching the effect of cooling methods
and ventilating automatic control on the greenhouse’s inner climate.
According to PID algorithm to control temperature; humidity; light and
operating condition of greenhouse was built. After experimenting, microclimate in
the greenhouse fits to plant most of tropical trees and some temperature vegetables.
vii
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU
x
DANH MỤC CÁC BẢNG
xi
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ - ĐỒ THỊ - SƠ ĐỒ - HÌNH ẢNH
xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1
1.1 Đặt vấn đề
1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
2
1.3 Giả thuyết nghiên cứu
2
1.4 Giả thiết
2
1.5 Mục tiêu của đề tài
2
1.6 Nội dung nghiên cứu
3
1.7 Phương pháp nghiên cứu
3
1.8 Ý nghĩa khoa học
3
1.9 Khách thể nghiên cứu
3
1.10 Đối tượng nghiên cứu
3
1.11 Phạm vi nghiên cứu
3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Nhà kính – GreenHouse
4
4
2.1.1 Giới thiệu
4
2.1.2 Phân loại nhà kính
5
2.1.3 Cấu trúc của các kiểu nhà trồng cây điển hình
6
2.1.4 Yêu cầu tiểu khí hậu trong nhà kính
8
2.1.4.1 Nhiệt độ
9
2.1.4.2 Ẩm độ
14
2.1.4.3 Ánh sáng
14
2.1.4.4 Thông thoáng
15
2.2. Điều khiển tự động cho nhà trồng cây
19
2.3 Giải thuật PID [33][35]
21
2.3.1 Tổng quan giải thuật PID
21
viii
2.3.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID
22
2.3.2.1 Phương pháp Ziegler-Nichols
22
2.3.2.2 Phương pháp Chien-Hrones-Reswick
24
2.3.2.3 Phương pháp tối ưu modul
26
2.3.3 Số hóa bộ điều khiển PID
2.4 Cơ sở của thiết kế hệ thống điều khiển trong đề tài
28
30
Chương 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT .................................................. 31
3.1 Thiết kế kỹ thuật các cơ cấu chấp hành của hệ thống
31
3.1.1 Hệ thống thông khí
31
3.1.2 Hệ thống che nắng
32
3.1.3 Hệ thống phun sương
35
3.1.4 Hệ thống làm mát bằng cooling pad
39
3.1.5 Hệ thống quạt thông khí cưỡng bức
43
3.2 Thiết kế kỹ thuật các cảm biến thu nhận dữ liệu
44
3.2.1 Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor)
44
3.2.2 Cảm biến ẩm độ (Humidity Sensor)
47
3.2.3 Cảm biến ánh sáng (Ambient Light Sensor)
51
3.3 Thiết kế kỹ thuật khối điều khiển
53
3.3.1 Điều khiển nhiệt độ nhà kính
55
3.3.2 Điều khiển ẩm độ nhà kính
57
3.3.3 Giải thuật điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, cường độ chiếu sáng theo PID
59
3.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển vi khí hậu trong nhà kính
60
3.5 Thiết kế kỹ thuật mạch điện tử xử lý trung tâm - ECU
63
3.5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm:
63
3.5.2 Mạch giao tiếp ngõ vào
65
3.5.3 Mạch giao tiếp ngõ ra
67
Chương 4. CHẾ TẠO ............................................................................................... 70
4.1 Các cơ cấu chấp hành
70
4.1.1 Hệ thống đóng mở lưới che nắng
70
4.1.2 Hệ thống phun sương
71
ix
4.1.3 Hệ thống làm mát bằng cooling pad
71
4.1.4 Hệ thống đóng mở cửa thông khí
73
4.2 Hệ thống điều khiển trung tâm
73
4.3 Giao diện điều khiển
74
Chương 5. THỰC NGHIỆM .................................................................................... 76
5.1 Tổ chức thực nghiệm
76
5.1.1 Đối tượng thực nghiệm
76
5.1.2 Phương pháp thực nghiệm
76
5.1.3 Phương pháp ghi dữ liệu thực nghiệm
77
5.2. Kết quả thực nghiệm
79
5.2.1 Chất lượng của hệ thống điều khiển
79
5.2.2 Tiểu khí hậu trong nhà kính dưới tác dụng của điều khiển
84
5.2.2.1 Nhiệt độ
84
5.2.2.2 Ẩm độ
86
5.3 Nhận xét
87
Chương 6. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................... 90
6.1 Kết luận
90
6.2 Kiến nghị
91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... a
PHỤ LỤC ................................................................................................................... c
Phụ lục 1: Kết quả khảo nghiệm ngày 19/11/2014
c
Phụ lục 2: Một số kết quả khảo nghiệm từ ngày 12/10 đến ngày 25/11/2014
d
x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU
PID – Propotional – Integral – Derivative – Bộ điều khiển theo giải thuật PID
Ta
: Nhiệt độ trung bình bên ngoài trong những ngày thực nghiệm
Tref : Nhiệt độ tham chiếu của bộ điều khiển
T
: Nhiệt độ trong nhà kính
RHa : Độ ẩm tương đối trung bình bên ngoài trong những ngày thực nghiệm
RHref : Độ ẩm tương đối tham chiếu của bộ điều khiển
RH: : Độ ẩm tương đối trong nhà kính
Δt
: thời gian giữa hai lần vi xử lý lấy mẫu ẩm độ từ cảm biến
eRH : Sai số giữa ẩm độ thực tế và độ ẩm tham chiếu
eT
: sai số giữa nhiệt độ thực tế và nhiệt độ tham chiếu
ΔT : Độ giảm nhiệt độ không khí sau khi qua tấm cooling pad
η
: Hiệu suất bay hơi của tấm CeLPad
Tdb : Nhiệt độ bầu khô
Twb : Nhiệt độ bầu ướt
E
: Lượng nước bay hơi (Evaporation).
F
: Lượng nước cấp bổ sung (Fresh water).
P
: Công suất nước của máy bơm (Pump capacity).
D
: Lượng nước được phân phối cho tấm trao đổi nhiệt (Distribution Warter)
e(t) : tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển
u(t) : tín hiệu đầu ra
KP : hệ số khuếch đại
KI : hằng số tích phân
KD : hằng số vi phân
Rdir : nhiệt bức xạ trực tiếp từ mặt trời
Rdif : nhiệt bức xạ phân tán
Rlw : nhiệt bức xạ có bước sóng dài
Rref : nhiệt bức xạ có bước sóng ngắn
Hs : nhiệt đối lưu giữa cây trồng và không khí
Hw : ẩn nhiệt thoát ra từ cây
P
: năng lượng quang hợp
M : năng lượng thải ra từ hô hấp của cây trồng
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
23
Bảng 2.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai
24
Bảng 2.3: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-1
24
Bảng 2.4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-2
25
Bảng 2.5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-3
25
Bảng 2.6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick–4
25
Bảng 3.1: Lưu lượng gió và loại tấm trao đổi
40
Bảng 3.2: Hệ số CD của các loại tấm CeLdek
42
Bảng 3.3: Kết quả khảo nghiệm được thực hiện ngày 25/11/2014
42
xii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ - ĐỒ THỊ - SƠ ĐỒ - HÌNH ẢNH
Trang
Hình 2.1: Mô hình nhà kính
4
Hình 2.2: Nhà trồng cây đơn giản
6
Hình 2.3: Mô hình nhà trồng cây theo công nghệ hiện đại
6
Hình 2.4: Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu trong nhà kính
8
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý xác định nhiệt hấp thụ của cây trồng trong nhà kính
10
Hình 2.6: Mô hình làm mát nhà kính
12
Hình 2.7: Lưới cắt nắng Aluminet
13
Hình 2.8: Vòi phun sương làm mát nhà kính
13
Hình 2.9: Làm mát kiểu cooling pad
13
Hình 2.10: Biểu đồ thể hiện vùng không phù hợp sử dụng cooling pad
14
Hình 2.11: Áp suất gió tác động vào nhà
16
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý thông thoáng cho nhà kính theo Hanan, 1998
16
Hình 2.13: Sơ đồ thông thoáng khí tự nhiên và cưỡng bức bằng dùng quạt
17
Hình 2.14: Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt
17
Hình 2.15: Hệ thống quạt thông thoáng trong nhà kính
17
Hình 2.16: Phân bố gió cưỡng bức nhờ bố trí quạt trong nhà kính.
18
Hình 2.17: Dạng quạt thông khí nhà kính cưỡng bức từ vách hông
18
Hình 2.18: Cấu trúc rèm mái và rèm hông
18
Hình 2.19: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
19
Hình 2.20: Nhà kính điều khiển tự động bằng PLC
20
Hình 2.21: Giao diện điều khiển tự động nhà kính lắp đặt ở Dalat_Hasfarm
21
Hình 2.22: Sơ đồ khối của giải thuật PID
21
Hình 2.23: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S
22
Hình 2.24: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
23
Hình 2.25: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth
23
Hình 2.26: Đáp ứng nấc thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick
24
Hình 2.27: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển kín
26
Hình 2.28: Xấp xỉ vi phân của sai số e
28
xiii
Hình 2.29: Xấp xỉ tích phân của sai số e
29
Hình 3.1: Thiết kế kỹ thuật cơ cấu đóng/mở của thông khí nhà kính
31
Hình 3.2: Thiết kế kỹ thuật hệ thống che nắng
32
Hình 3.3: Sơ đồ truyền động hệ thống che nắng
32
Hình 3.4: Thiết kế kỹ thuật hệ thống phun sương
35
Hình 3.5: Thiết kế kỹ thuật hệ thống làm mát bằng cooling pad
39
Hình 3.6: Biểu đồ tra lượng ẩm trong không khí.
41
Hình 3.7: Sơ đồ tính toán cooling pad
41
Hình 3.8: Hệ thống quạt thông thoáng trong nhà kính
43
Hình 3.9: Sơ đồ phân bố cảm biến nhiệt
44
Hình 3.10: Đặc tuyến nhiệt độ đối với điện trở của cảm biến PT100
45
Hình 3.11: Mạch điện đo nhiệt độ
45
Hình 3.12: Đồ thị tương quan giữa điện áp ra của tín hiệu đo được với nhiệt độ
46
Hình 3.13: Đồ thị tương quan giữa độ ẩm với điện dung của cảm biến HS1100
47
Hình 3.14: Mạch điện đo độ ẩm
48
Hình 3.15: Tương quan giữa điện dung và tần số ngõ ra đối với độ ẩm
49
Hình 3.16: Tương quan giữa độ ẩm và điện áp ra của mạch đo
49
Hình 3.17: Mạch điện đo độ ẩm bằng cảm biến HS1100
50
Hình 3.18: Sơ đồ khối của cảm biến ánh sáng OPT3010
51
Hình 3.19: Đáp ứng của cảm biến ánh sáng
51
Hình 3.20: Cách bố trí cảm biến ánh sáng trong nhà kính
52
Hình 3.21: Dụng cụ đo ULAB 006p CMA dùng cho hiệu chuẩn các cảm biến
52
Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo giải thuật PID
55
Hình 3.23: Xấp xỉ vi phân của sai số nhiệt độ (eT)
56
Hình 3.24: Xấp xỉ tích phân của sai số nhiệt độ (eT)
57
Hình 3.25: Giải thuật của khối PID điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng
59
Hình 3.26: Lưu đồ giải thuật điều khiển của Master MCU
61
Hình 3.27: Lưu đồ giải thuật điều khiển của Slave MCU
62
Hình 3.28: Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý trung tâm
63
Hình 3.29: Sơ đồ mạch điện giao tiếp ngõ vào
65
Hình 3.30: Sơ đồ mạch điện giao tiếp ngõ vào của các công tắc tín hiệu
66
xiv
Hình 3.31: Mạch công suất ngõ ra
67
Hình 3.32: Mạch điện điều khiển đảo chiều quay motor màn che nắng
68
Hình 3.33: Nguyên lý mạch truyền dữ liệu giữa ECU và PC
69
Hình 4.1: Sơ đồ lắp đặt lưới che nắng
70
Hình 4.2: Các trạng thái đóng và mở lưới che nắng
70
Hình 4.3: Hệ thống phun sương đang hoạt động
71
Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống làm mát bằng cooling pad
71
Hình 4.5: Mức giảm nhiệt độ trong ngày bằng hệ thống làm mát cooling pad
72
Hình 4.6: Chế tạo và lắp đặt hệ thống làm mát cooling pad
73
Hình 4.7: Kết cấu hệ thống đóng/mở cửa thông khí trên mái nhà kính
73
Hình 4.8: Hệ thống điều khiển trung tâm sau khi lắp đặt hoàn chỉnh
74
Hình 4.9: Giao diện sử dụng trên PC
75
Hình 5.1: Nhà kính lắp hệ thống kiểm soát vi khí hậu khi thực nghiệm
76
Hình 5.2: Dụng cụ đo ULAB 006p CMA và các cảm biến ghi lại dữ liệu thời tiết 77
Hình 5.3: Dụng cụ đo bức xạ mặt trời và đo nhiệt độ bầu ướt, bầu khô
77
Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý ghi dữ liệu thực nghiệm
78
Hình 5.5: Ghi dữ liệu thực nghiệm tự động trên máy tính
78
Hình 5.6: Nhiệt độ trong nhà kính ứng với các giá trị tham chiếu khác nhau
80
Hình 5.7: Ẩm độ trong nhà kính ứng với các giá trị tham chiếu khác nhau
82
Hình 5.8: Nhiệt độ và ẩm độ trong nhà kính khi thực nghiệm
83
Hình 5.9: Ảnh hưởng của các giải pháp làm mát đến nhiệt độ trong nhà kính
84
Hình 5.10: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường
85
Hình 5.11: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ bên ngoài
đến nhiệt độ trong nhà kính
85
Hình 5.12: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của bức xạ và ẩm độ tương đối
không khí bên ngoài đến độ ẩm trong nhà kính
86
Hình 5.13: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của ẩm độ tương đối bên ngoài
đến độ ẩm bên trong nhà kính
86
Hình 5.14: Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào nhiệt độ và ẩm độ
tương đối không khí bên ngoài nhà kính.
87
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng, các nước đang ngày
càng áp dụng những kỹ thuật tiên tiến vào tất cả lĩnh vực như: kinh tế, công nghiệp,
nông nghiệp v.v. Với những quốc gia nông nghiệp là chủ yếu, nâng cao năng
suất, đồng thời cố gắng giảm chi phí đầu tư đến mức có thể, là hết sức cần thiết.
Canh tác nông nghiệp kiểu "nước, phân, cần, giống" để đạt được năng suất
cao, các yếu tố liên quan khác chỉ biết nhờ "trời", ngày nay đã lạc hậu. Ứng dụng
khoa học kỹ thuật công nghệ, nông dân có nhiều điều kiện hơn để chủ động trong
quá trình sản xuất. Vì vậy, một trong những biện pháp để giải quyết vấn đề phụ
thuộc quá nhiều vào các yếu tố do thiên nhiên tác động lên cây trồng là áp dụng nhà
kính – GreenHouse – để sản xuất nông sản. Làm chủ được những yếu tố tác động
lên cây trồng như: nhiệt độ, độ ẩm, lượng thông gió, cường độ ánh sáng, v.v. là
xu hướng ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới.
Vấn đề được đặt ra là xây dựng hệ thống điều khiển tự động quá trình vận
hành trong nhà kính, sao cho cây trồng đảm bảo được quá trình sinh trưởng một
cách tối ưu. Hơn nữa, nhà nông có thể dễ dàng điều chỉnh các nhân tố thời tiết
“nhân tạo” cho phù hợp với các loại cây trồng khác nhau, ở những thời điểm sinh
trưởng khác nhau, là hết sức cần thiết.
Song các hệ thống điều khiển tự động hiện có, với những giải thuật điều
khiển kinh điển, cấu trúc đơn giản (thường là điều khiển ON/OFF). Trong quá trình
làm việc thực tế không phát huy hiệu quả. Dao động, vọt lố, đáp ứng kém… làm
cho tín hiệu ra bị nhiều hạn chế.
Với mong muốn nâng cao chất lượng điều khiển, ứng dụng các giải thuật
điều khiển tiên tiến hơn để kiểm soát vi khí hậu trong nhà kính. Nhất là khi đối
tượng điều khiển (nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lượng thông gió…), biến đổi phức tạp
và tác động lẫn nhau, thì điều khiển theo giải thuật PID được cho là hướng nghiên
cứu có triển vọng và được nhiều người quan tâm. Do đó, đề tài “Nghiên cứu bộ
điều khiển PID kiểm soát vi khí hậu cho nhà kính” đã được thực hiện.
2
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
- Cung cấp một giải pháp điều khiển vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,
lượng thông gió) một cách tự động cho nhà trồng cây.
- Xây dựng được mô hình điều khiển với nhiều tính năng có lợi cho nhà
nông: thuận tiện trong cài đặt thông số, giao tiếp thân thiện, tiết kiệm chi
phí năng lượng, …
1.3 Giả thuyết nghiên cứu
Xây dựng bộ điều khiển PID – theo mô hình kết hợp giữa tính toán vật lý với
thực nghiệm các thông số điều khiển, thì chất lượng điều khiển:
- Sai số xác lập
- Thời gian xác lập
- Vọt lố…
Đạt được phải phù hợp với yêu cầu nông học của các loại cây trồng tiêu biểu
khi trồng ở đồng bằng Sông Cửu Long.
1.4 Giả thiết
- Hấp thu nhiệt vào cấu kiện cơ khí của nhà kính là không đáng kể.
1.5 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu tổng quan:
- Nhà kính – GreenHouse.
- Vi khí hậu và ảnh hưởng của vi khí hậu trong nhà kính.
- Các kiểu điều khiển vi khí hậu.
- Điều khiển PID và phương pháp điều khiển PID số.
Tính toán:
Hệ thống điều khiển tự động vi khí hậu trong nhà trồng cây theo
phương pháp điều khiển PID.
Thiết kế, chế tạo:
Bộ điều khiển điện tử dùng vi xử lý theo giải thuật điều khiển PID,
với các chức năng điều khiển chính: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, thông khí.
Thực nghiệm và đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển
Kết quả sản phẩm dự kiến: Bộ điều khiển tự động vi khí hậu cho nhà
trồng rau 120 m2, tọa lạc tại huyện Châu Thành - tỉnh Tiền Giang
3
1.6 Nội dung nghiên cứu
Tính toán, chế tạo và thực nghiệm bộ điều khiển vi khí hậu cho nhà trồng cây
(nhà kính) theo phương pháp PID.
1.7 Phương pháp nghiên cứu
Thực hiện đề tài theo mô hình kết hợp giữa tính toán và thực nghiệm. Trong
đó sử dụng các phương pháp:
- Phương pháp thu thập tài liệu.
- Phương pháp kế thừa các kết quả khoa học đã có.
- Phương pháp điều khiển PID.
- Phương pháp quy hoạch và xử lý số liệu thực nghiệm.
1.8 Ý nghĩa khoa học
- Xây dựng và ứng dụng vào sản xuất nông nghiệp một giải pháp điều khiển
khá hiện đại khi đối tượng điều khiển biến đổi phức tạp.
- Tạo điều kiện thuận lợi để tiến hành thử nghiệm và xác lập quy trình canh
tác cho một số loại cây hoa – rau trồng theo hướng công nghệ cao.
- Kết quả nghiên cứu nhằm góp phần trong việc thiết kế, chế tạo và vận hành
hệ thống điều khiển tự động tiểu khí hậu trong hệ thống nhà kính, từ đó làm tăng
năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.
1.9 Khách thể nghiên cứu
Nhà trồng cây và điều khiển vi khí hậu trong nhà trồng cây, có thể ứng dụng
tại Đồng Bằng Sông Cửu Long.
1.10 Đối tượng nghiên cứu
Bộ điều khiển tự động vi khí hậu lắp cho nhà kính trồng rau, 120 m2, Khoa
Nông nghiệp - Đại học Tiền Giang. Cơ sở 1 - Xã Long An, Huyện Châu Thành,
Tỉnh Tiền Giang
1.11 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài chỉ giới hạn trong tính toán, thiết kế và thực nghiệm hệ thống điều
khiển vi khí hậu cho nhà trồng rau, tọa lạc tại Tỉnh Tiền Giang. Không xét đến các
yếu tố khác như:
- Hiệu quả đầu tư hệ thống điều khiển và đầu tư nhà trồng rau.
- Các yếu tố thuộc phạm vi nông học.
- Các yếu tố thuộc về lĩnh vực thời tiết, thiên văn và ảnh hưởng của chúng
đến cây trồng.
4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Nhà kính – GreenHouse
2.1.1 Giới thiệu
Nhà trồng cây (gồm nhà lưới hoặc nhà kính), là nơi có thể trồng một loại
cây, một loại hoa, một loại rau nào đó theo ý muốn của người trồng. Khi sử dụng
nhà kính người ta có thể điều khiển được nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và lượng thông
gió, là những yếu tố quan trọng tác động đến quá trình sinh trưởng của cây trồng.
Có thể nói, đây là nơi người nông dân có thể trồng trọt tùy ý, có thể trồng trọt bất cứ
loại cây trồng nào ở bất cứ thời điểm nào và bằng cách riêng nào đó. Nhà lưới
không đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu vi khí hậu bên trong. Do đó, trong phạm vi đề tài
chỉ đề cập đến nhà kính.
Hình 2.1: Mô hình nhà kính
Ở Mỹ, đến thời kỳ đầu những năm 80 của thế kỷ XX đã có hơn 1,000 khu
làm nông nghiệp tiên tiến với nhà trồng cây, phân bố trên các bang, với diện tích lên
tới hàng trăm nghìn ha.
Ở Anh, Israel, Đài Loan từ giữa thập nhiên 80 của thế kỷ 20 đã hình thành
những khu vườn ứng dụng công nghệ sản xuất rau bằng màng che phủ PE. Đến năm
2008, mỗi nước đã có diện tích hơn 100.000 ha.
Ở Trung Quốc, theo thống kê của bộ nông nghiệp Trung Quốc, tới năm 1997
đã có 450 khu ứng dụng công nghệ sản xuất rau sạch trong nhà lưới, với diện tích
khoảng 300,000 ha.
Ở nước ta, trong những năm gần đây, sự phát triển nhảy vọt mang tính tự
phát về nhà màng-nhà lưới công nghệ thấp (70,000-100,000 đ/m2) ở các địa
5
phương, cùng với sự đầu tư nhà trồng cây (GreenHouse) công nghệ cao của các
công ty có vốn đầu tư nước ngoài đã làm thay đổi bức tranh về nông nghiệp hướng
công nghệ cao. Điều này thúc đẩy nhiều địa phương nhập khẩu nhà trồng cây có
điều khiển tự động. Thoạt nhìn, vấn đề này có vẻ dễ đạt hiệu quả.
Tuy nhiên, việc triển khai canh tác nông nghiệp công nghệ cao trong các hệ
thống nhà trồng cây đang gặp những khó khăn, cản trở sự thành công của việc áp
dụng công nghệ mới. Nguyên nhân là ngoài việc giá thành đầu tư cao (3÷5 triệu
đ/m2), việc nghiên cứu chọn lựa mô hình và hệ thống điều khiển thích hợp cho nhà
trồng cây trong điều kiện khí hậu cụ thể của địa phương, việc chọn lựa loại cây
trồng thích hợp, chế độ dinh dưỡng,…chưa được giải quyết. Nhìn chung, các nghiên
cứu này cần có sự kết hợp chặt chẽ giữa nhà nông-sinh với người thiết kế kỹ thuật
nhà trồng cây. [2][4][6]
2.1.2 Phân loại nhà kính
Có rất nhiều cách phân loại nhà kính, tuy nhiên đa số người ta chọn phân loại
nhà kính theo nhiệt độ và cách sử dụng. Có thể phân chia thành 3 loại nhà kính dựa
vào nhiệt độ cần thiết cho cây trồng phát triển. Đó là các nhà kính mát (the cool
greenhouse), nhà kính ấm (the warm greenhouse) và nhà kính nóng (the hot
greenhouse).
Nhà kính nóng thường giữ nhiệt độ thấp nhất là 18oC. Người ta có thể chọn
giữ nhiệt độ cao cần thiết, loại nhà kính này thường dùng để trồng các cây miền
nhiệt đới. Ở đây cần phải nâng nhiệt độ làm nóng môi trường cũng như tăng độ
chiếu sáng đáp ứng các đòi hỏi của các loại cây miền nhiệt đới.
Nhà kính ấm thường có nhiệt độ nằm trong vòng 13oC. Trong điều kiện ấm
này, có thể thấy hầu hết các cây trồng ôn đới đều phát triển giống như trong tự
nhiên. Với nhà kính này thường nhu cầu cần thiết là giữ độ sáng cũng là đảm bảo
nhiệt độ phù hợp trong những mùa mưa (hoặc mùa đông).
Nhà kính mát thường có nhiệt độ nằm trong khoảng từ 4oC đến 8oC. Nhiệt độ
trong khoảng này cần thiết cho nuôi cấy cây giống hoặc những giống cây trồng
không đòi hỏi nhiệt độ cao hơn để phát triển. Để giữ môi trường này ổn định, cần
thiết phải giảm độ sáng cũng như nhiệt độ trong những tháng mùa nắng nóng (hoặc
mùa hè).
6
2.1.3 Cấu trúc của các kiểu nhà trồng cây điển hình
Các kết quả điều tra ở một số địa phương cho thấy tới hơn 90% diện tích nhà
trồng cây hiện nay là tự phát và ở mức công nghệ thấp, được lợp phủ bằng lưới
hoặc màng plastic. Nhà thường cao không quá 3m, bao quanh bằng lưới hoặc để
trống. Loại nhà này dễ xây dựng, rẻ tiền, sử dụng trong các hộ gia đình để trồng các
loại cây nhỏ, ươm giống.
Hình 2.2: Nhà trồng cây đơn giản
Phần nhỏ còn lại là các nhà trồng cây nhập khẩu, công nghệ chủ yếu ở mức
trung bình, được lợp phủ màng plastic (1 hoặc 2 lớp), có chiều cao 4-5m và được tự
động điều khiển làm mát, thông gió tự nhiên hoặc cưỡng bức. Loại này phần nào
kiểm soát môi trường canh tác, được bảo vệ tốt hơn (hạn chế vật nuôi phá hoại cũng
như sự lây nhiễm bệnh từ bên ngoài).
Hình 2.3: Mô hình nhà trồng cây theo công nghệ hiện đại
7
Một tỷ lệ nhỏ là các nhà trồng cây công nghệ cao tự động điều khiển điều
hòa khí hậu và có hệ thống kiểm soát dinh dưỡng và tưới tự động công nghệ cao, có
giá tương đối đắt. Hệ thống này thích hợp cho cho sản xuất sản phẩm chất lượng
cao, cho thương mại và ươm giống với số lượng lớn, lý tưởng cho việc kiểm soát
các tác động của môi trường lên việc canh tác.
Cấu trúc nhà trồng cây được thiết kế trên cơ sở xem xét ảnh hưởng của các
tham số môi trường đối với cây trồng. Với mái nhà vòm cong, bức xạ mặt trời suốt
ngày luôn vuông góc với mái cho phép đa phần tia sáng đi vào trong nhà và tia phản
xạ sẽ ít, do vậy lượng bức xạ nhận được trên diện tích canh tác rất lớn. Loại mái
vòm thường được dùng ở những vùng có lượng bức xạ mặt trời yếu (vùng ôn đới –
vùng có tuyết vì khả năng chịu tải của mái lớn). Ở vùng nhiệt đới nhiều nắng, với
loại mái tam giác, bức xạ mặt trời vào sáng và chiều mới vuông góc với mái nhà.
Vào giữa trưa nắng gắt, lượng bức xạ nhận được trên diện tích canh tác lại được
giảm đi do bị phản xạ nhiều trên hai phần mái nhà.Vì vậy nhà mái tam giác thường
được dùng ở những vùng nhiều nắng (nhiệt đới, sa mạc).
Ngoài ra, các phân tích tác dụng nâng mái của gió (theo định luật Bernuli)
cho thấy dạng mái vòm dưới tác dụng của gió chịu lực nâng lớn hơn dạng mái tam
giác. Các phân tích dòng khí khí đối lưu tự nhiên trong nhà với mái vòm và dạng
mái tam giác có các kiểu thông hơi trên mái cho thấy sự đối lưu tùy thuộc vào vị trí
cửa thoát trên mái. Những nhà mái tam giác dễ thực hiện cửa thoát ở phần nóc, nên
sẽ có đối lưu tự nhiên tốt, dễ dàng cho phép khí nóng tích tụ ở phần trên mái thoát
ra ngoài.
Để giải trừ lượng nhiệt tích tụ tại vùng trung tâm nhà, cấu trúc cơ khí phải
đảm bảo các yêu cầu điều khiển của hệ thống như đóng/mở mái tự động, thông gió
cưỡng bức, thông gió mái và đảo gió bằng quạt, hệ thống làm mát không khí trong
nhà, có màn che nắng bên ngoài và thoát nước bằng máng xối.
Vật liệu phủ lợp: Lớp phủ trong suốt ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng truyền
ánh sáng cung cấp cho cây trồng, sự dẫn truyền nhiệt độ, hiệu suất năng lượng sử
dụng, … Do đó, vật liệu lợp mái cũng quyết định cho việc thiết kế hệ điều khiển tối
ưu bên trong ngôi nhà.
8
Quá trình quang hợp của cây trồng cần phần ánh sáng khả kiến của bức xạ
mặt trời, có bước sóng 400-700 nm, chiếm 38.2% trong tổng số các bức xạ mặt trời.
Năng lượng mặt trời bị phản xạ và hấp thu bởi bầu khí quyển và vật liệu phủ lợp.
Phần truyền qua dành cho sự phát triển của cây trồng thực tế chỉ khoảng 1-5%.
Phần còn lại bị hấp thu và phát ra bức xạ nhiệt bên trong nhà, hiệu ứng này được
gọi là hiệu ứng nhà kính. Do đó, đối với xứ nóng, bắt buộc phải làm mát không khí
trong nhà thì mới đảm bảo nhiệt độ môi trường cho cây phát triển.
Vật liệu tấm lợp chủ yếu hiện nay thường được dùng: kính, PVC, LDPE,
EVA, PMMA, Polycarbonate,… Từ nhiều loại plastic có cấu trúc hóa học khác
nhau, khi chọn lựa ta cần phải tính đến hai đặc tính cho nhà trồng cây là khả năng
truyền qua của bức xạ mặt trời và khả năng dẫn nhiệt. Màng che xứ ôn đới có yêu
cầu giảm sự mất nhiệt. Ngược lại màng che xứ nóng lại cần giảm nhiệt tích tụ bên
trong nhà.
Tấm plastic loại Polycarbonate có nhiều triển vọng vì sự bền vững (tuổi thọ
trên 10 năm), khả năng truyền ánh sáng, khả năng cách nhiệt, nhẹ và ngăn bức xạ tử
ngoại tốt, cho phép dễ dàng cọ, rửa rêu, tảo, chất bẩn phủ trên mái. [3] [5] [6]
2.1.4 Yêu cầu tiểu khí hậu trong nhà kính
Điều kiện môi trường trong nhà kính bao gồm các yếu tố chính như nhiệt độ,
độ ẩm, ánh sáng và độ thông thoáng. Ngoài ra cây trồng còn chịu ảnh hưởng của
các tính chất của giá thể và các tổ chức hữu cơ khác. Nhà kính có thể tạo môi
trường tiểu khí hậu tối ưu cho cây trồng qua việc khống chế các yếu tố chính như
nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng và CO2. Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu:
Hình 2.4: Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu trong nhà kính
9
2.1.4.1 Nhiệt độ
Mỗi loại cây trồng yêu cầu một giới hạn nhiệt độ để sinh trưởng và phát
triển. Ở nhiệt độ thích hợp đồng thời được cung cấp đầy đủ nước và dinh dưỡng thì
cây có thể phát triển nhanh nhất. Nhiệt độ quá cao và quá thấp đều làm cho cây
dừng sinh trưởng và có thể bị chết ở nhiệt độ thấp (00C) và nhiệt độ cao (400C).
Mỗi loài đều gặp phải ba ngưỡng nhiệt độ gồm nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ
thấp nhất và nhiệt độ cao nhất. Yêu cầu của cây trồng đối với nhiệt độ luôn thay đổi
theo yếu tố môi trường như ánh sáng, độ ẩm, nồng độ CO2 trong không khí, chất
dinh dưỡng trong đất và các điều kiện khác. Ngoài ra, yêu cầu của cây với nhiệt độ
luôn thay đổi tùy theo từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển.
Mac-côp (1957) đã đưa ra công thức:
T = t 70C
Trong đó:
T- Nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng của các loại rau.
t - Nhiệt độ thích hợp cho các loại rau sinh trưởng trong ngày râm.
Theo Mac-côp (1957), nhiệt độ thích hợp cho một số loại rau sinh trưởng
trong những ngày râm như sau:
- Dưa hấu, bí ngô, bí xanh, dưa bở, mướp:
250C.
- Dưa chuột, cà chua, ớt, cà, bầu:
220C.
- Hành tây, kiệu, tỏi, cần:
190C.
- Khoai tây, đậu Hà-lan, xàlach, cà rốt, cần tây:
160C.
- Cải bắp, cải củ, cải dầu:
130C.
- Đậu côve
230C.
t + 70C là nhiệt độ thích hợp cho cây sinh trưởng về ban đêm và cây vừa mọc
khỏi mặt đất. Yêu cầu của rau đối với nhiệt độ luôn thay đổi theo yếu tố môi trường
như ánh sáng, độ ẩm, nồng độ CO2 trong không khí, chất dinh dưỡng trong đất và
các điều kiện khác.
Nếu nhiệt độ quá cao ta phải hạ nhiệt độ xuống bằng cách phun ẩm (khi phun
ẩm nhiệt độ tại mặt lá của cây trồng có thể giảm nhiệt độ từ 60C - 80C. [5][6]
