nghiên cứu hệ thống điều khiển độ PH

nghiên cứu hệ thống điều khiển độ PH

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 QUAN ƯƠ 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 [...]... chất 2 Mô hình hóa bài toán và tìm giải Mô ph ng quá trình điều 31/06/11– thuật điều khiển để đạt được yêu khiển với độ chính xác 15/07/11 cầu đặt ra 3 theo yêu cầu Xây dựng bộ điều khiển và viết Điều khiển được hệ 16/07/11– chương trình điều khiển cho hệ thống hút và hòa trộn hóa 15/08/11 thống thực nghiệm 4 Tiến hành thực nghiệm, thu thập Các số liệu nghiên cứu 16/08/11– dữ liệu, hiệu chỉnh thuật toán... 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 Ph n bón CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠM VÀ MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 3.1 Ph n tích và lựa chọn ph ơng 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 ph 3.4 Tính toán... CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PH NG 4.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển mờ 4.2 Thiết kế giải thuật và mô ph ng 4.3 Mô hình toán 4.4 Mô hình Simulink 4.5 Kết quả mô ph ng 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... 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... 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 ph ng 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 1 Công việc cần ph i thực hiện Kết quả yêu cầu Thời gian Thiết kế và chế tạo hệ thống hút Bản thiết kế và mô hình 15/06/11– nước và hòa trộn hóa chất thực nghiệm hê thống hút...Để điều khiển giá trị EC trong nước tưới ta dùng thêm một hoặc nhiều bình chứa ph n bón tùy thuộc vào cách thức bón ph n, 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 ph n bón được hòa vào là ph hợp và đạt được EC mong muốn Việc điều khiển này ph i lưu ý tới nồng độ ph n trong các thùng... dựng hê thống hoàn chỉnh Xây dựng hệ thống giao 31/08/11– nhằm đưa vào thực tế tiếp với người dùng để 30/09/11 ứng dụng vào thực tế 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 ph t triển trên thế giới 1.3 Mục tiêu và ph m vi nghiên cứu của... 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... dẫn nước đến các trạm ph n ph i 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 ph i 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... 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 27th Annual Conference of th IEEE Indistrial Electronics Society [5] Dhruba Sankar . Việc điều khiển pH và EC trong nước tưới nông nghiệp đã được nghiên cứu và liên tục ph t triển trong những năm gần đây. Tuy nhiên tài liệu nghiên cứu về việc điều khiển nồng độ pH cho hệ thống. 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 QUAN ƯƠ Ổ 4 1.1 Các khái ni mệ 4 1.1.1 pH và nh h ng c a đ pH trong. thuật điều khiển để đạt được yêu cầu đặt ra Mô ph ng 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