Ứng dụng điều khiển mờ vào việc xây dựng hệ thống tưới tự động

Mặt khác, xuất phát từ tình hình thực tế, hiện nay người nông dân trồng cây vẫn còn áp dụng biện pháp chăm sóc thủ công dẫn đến tốn kém công lao động, không mang lại hiệu quả sản xuất ca

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cám ơn đến Thầy Trần Văn Lăng đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Tôi chân thành cám ơn thầy cô Khoa Công nghệ thông tin nơi tôi học tập và nghiên cứu đã tạo điều kiện và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua

Tôi cũng xin chân thành cám ơn người thân, bạn bè đã giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập cũng như trong thời gian thực hiện luận văn

Chân thành cám ơn !

Tây Ninh, ngày 10 tháng 09 năm 2013

Nguyễn Lữ Anh Tú

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực Những tư liệu được sử dụng trong luận văn có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng đầy đủ

Tây Ninh, ngày 10 tháng 9 năm 2013

Học viên

Nguyễn Lữ Anh Tú

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nhằm mục tiêu cung cấp nước cho cây trồng một cách phù hợp và chính xác Dựa trên hệ thống điều khiển tưới nước tự động, luận văn này đã mô phỏng và thiết

kế một hệ thống điều khiển tưới mờ dựa trên hệ thống Fuzzy và bộ PID mềm Căn

cứ vào sai lệch độ ẩm đất và tốc độ tăng giảm độ ẩm đất được xem như đầu vào Đầu ra là tốc độ mở bơm tưới Kết quả cho thấy hệ thống có thể tin cậy và ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp

Từ khóa : Fuzzy, PID, sai lệch độ ẩm đất, tốc độ tăng giảm độ ẩm đất.

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC HÌNH viii

DANH MỤC BẢNG x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 5

1.2 Các phương pháp tưới 7

1.2.1 Tưới phun 7

1.2.2 Tưới nhỏ giọt 9

1.2.3 Tưới ngầm 10

1.2.4 Tưới rãnh 11

1.2.5 Tưới ngập 12

1.3 Ứng dụng Công nghệ thông tin trong nông nghiệp 13

1.4 Logic mờ và ứng dụng 14

1.5 Ứng dụng của điều khiển mờ 14

1.6 Kết luận chương 1 15

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN MỜ 17

2.1 Bộ điều khiển mờ 17

2.1.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản 18

2.1.2 Kết luận 18

2.2 Ứng dụng điều khiển mờ giải bài toán Hệ thống tưới tự động 19

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƯỚI TỰ ĐỘNG 23

3.1 Mô phỏng hệ thống trên Matlab 2010b 23

3.1.1 Giới thiệu về MatLab 23

3.1.2 Xây dựng mô hình 23

3.1.2.1 Yêu cầu cụ thể 24

3.1.2.2 Mô hình vật lý 24

3.1.2.3 Mô hình toán học 24

3.1.2.4 Bộ điều khiển số (BDK) 25

3.2 Thiết kế hệ thống tưới tự động 31

3.2.1 Tìm hiểu về thiết bị PLC S7-300 và ngôn ngữ lập trình 31

3.2.2 PHẦN MỀM SOẠN THẢO CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 39

3.2.2.1 Phần mềm STEP7 39

3.2.2.2 Module mềm PID 40

3.2.2.3 Hệ thống SCADA 40

3.2.2.4 Phần mềm WinCC version 7.0 41

3.2.3 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 42

3.2.4 GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 43

3.1.1 Project MO HINH BOM CAY TRONG 46

3.1.2 THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN TRÊN PLC 46

3.3 Kết luận 47

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 49

4.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 49

4.2 KẾT LUẬN 53

4.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CPU Central Processing Unit

CTV Cộng tác viên

DP Tín hiệu đầu vào sau khi qua PID

ĐTĐK Đối tượng điều khiển

ET Sai lệch đầu vào

FAO Tổ chức nông lương thế giới

FCPA Fuzzy Logic Controller

HMI Human - Machine Interface

PID Proportional Integral Derivative

PLC Programmable Logic Controller

PV Process Value

LAD Ladder logic

SCL Structure Language Control

SCADA Supervisory Control And Data Acquisition

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Tưới phun mưa cho ruộng lạc mới mọc mầm 9

Hình 1.2 Tưới phun mưa cho ruộng lạc trồng trên đất gò đồi 9

Hình 1.3 Một hệ thống dàn tưới phun mưa 9

Hình 3.1 Mô hình hệ thống tưới tổng quát 24

Hình 3.2 Mô hình vật lý 24

Hình 3.3 Mô hình điều khiển tưới mờ 29

Hình 3.4 Hình luật mờ tưới 29

Hình 3.5 Luật điều khiển trong không gian 30

Hình 3.6 Mô phỏng mô hình trên Simulink 30

Hình 3.7 Mô phỏng các đường cong của PID và Fuzzy 31

Hình 3.8 Thiết bị PLC S7-300 31

Hình 3.9 : Cấu trúc của Modun mềm PID –FB41 36

Hình 3.10 Máy bơm 42

Hình 3.11 Cảm biến độ ẩm 42

Hình 3.12 Biến tần 43

Hình 3.13 Lưu đồ thuật giải Auto 43

Hình 3.14 Lưu đồ thuật giải Manual 44

Hình 3.15 Sơ đồ điều khiển Hệ thống PID – Fuzzy 44

Hình 3.16 Lưu đồ thuật giải Fuzzy 45

Hình 3.17 Giao diện chính 46

Hình 3.18 Giao diện tưới tự động 47

Hình 3.19 Hình theo dõi ẩm độ đất qua đồ thị 47

Hình 4.1 Theo dõi kết quả thực hiện chế độ Auto giai đoạn Nảy mầm-Cây con qua hình ảnh 49

Hình 4.2 Theo dõi kết quả thực hiện chế độ Auto giai đoạn Nảy mầm-Cây con qua đồ thị 49

Hình 4.3 Theo dõi kết quả thực hiện chế độ Auto giai đoạn Ra hoa- Kết trái qua hình ảnh 50

Hình 4.4 Theo dõi kết quả thực hiện chế độ Auto giai đoạn Ra hoa- Kết trái qua đồ thị 50

Hình 4.5 Theo dõi kết quả thực hiện chế độ Auto giai đoạn Chín-Thu hoạch qua hình ảnh 51 Hình 4.6 Theo dõi kết quả thực hiện chế độ Manual qua hình ảnh 51

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Bảng kết quả thử nghiệm phương pháp Auto 52 Bảng 4.2 Bảng kết quả thử nghiệm phương pháp Manual 52

MỞ ĐẦU

Lý do thực hiện luận văn

Nước là yếu tố quan trọng nhất trong cuộc sống của chúng ta và cây là xương sống của tất cả cuộc sống trên Trái đất Nếu không có nó, chúng ta không thể tồn tại

và đóng góp vào sự thịnh vượng của nhân loại

Như chúng ta đã biết, hầu hết người nông dân sử dụng cách tưới bằng tay để tưới nước cho cây trong vườn Cách tưới này là không hiệu quả Khi tưới nước thủ công có thể tưới nước quá nhiều hoặc quá ít dẫn đến một số cây có thể bị chết khi chúng ta cung cấp quá nhiều nước hoặc không đủ nước cho chúng Mặt khác, xuất phát từ tình hình thực tế, hiện nay người nông dân trồng cây vẫn còn áp dụng biện pháp chăm sóc thủ công dẫn đến tốn kém công lao động, không mang lại hiệu quả sản xuất cao hoặc sử dụng những loại bộ điều khiển để tưới nước cho cây, mặc dù tương đối rẻ nhưng không phải là rất tốt, vì trong nhiều trường hợp chúng không phải là giải pháp tốt cho vấn đề thủy lợi Để khắc phục vấn đề này, và để tiết kiệm tối đa chi phí và sức người nhằm nâng cao hiệu quả trong sản xuất, việc “Ứng dụng điều khiển mờ trong việc xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động” được sử dụng kết hợp phương pháp-logic mờ và hệ thống điều khiển tưới tự động bao gồm các thiết bị như cảm biến như cảm biến độ ẩm được sử dụng nhằm kiểm soát độ ẩm đất

để từ đó các hệ thống tưới nước kiểm soát mực nước trong vườn là một trong những giải pháp tốt nhất hiện nay

Ngoài ra, để xác định lượng nước cần thiết cho việc tưới cây thì cần có một số thông số ảnh hưởng đến quyết định của việc tưới bao nhiêu nước để sử dụng trong các quá trình tưới Một số các thông số cố định cho phiên làm việc và có tính chất nông nghiệp (chẳng hạn như các loại cây, loại đất, giai đoạn tăng trưởng, ) và các tham số có tính chất vật lý (chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm không khí, bức xạ trong đất, độ ẩm của đất, vv) Vì vậy, khi các điều kiện thay đổi, số lượng nước được sử dụng khi tưới sẽ thay đổi theo Bộ điều khiển sẽ nhận được thông tin phản hồi theo các phép đo được cung cấp bởi các cảm biến thông qua các thông số được lập trình sẵn và sau đó sẽ liên tục cung cấp dữ liệu cập nhật để hệ thống điều khiển theo các

thông số (chẳng hạn như mức độ ẩm của đất, nhiệt độ ngoài trời vv) lúc này, bộ điều khiển sẽ quyết định mở các van nước như thế nào

Hệ thống tưới nước tự động sẽ được thiết kế và xây dựng bằng cách sử dụng thiết bị điều khiển logic lập trình (PLC), máy tính, máy bơm nước, van ,vòi phun nước, các thiết bị cảm biến, sau đó các thiết bị được kết nối với PLC với cáp Khi

hệ thống được kích hoạt sẽ tự động phát hiện tất cả các yếu tố đầu vào và đầu ra dựa trên bảng đầu vào trong bộ nhớ, lúc này chương trình được thực hiện một bước tại một thời điểm, và kết quả đầu ra đã được cập nhật Bảng đầu ra đã được sao chép từ

bộ nhớ vào chip đầu ra Sau đó, các chip drive đầu ra sẽ báo hiệu máy bơm nước để bắt đầu Các khóa van đã được mở để tạo điều kiện thuận lợi cho lưu lượng nước thông qua cho đến khi lưu lượng nước cuối cùng kết thúc Các hoạt động của hệ thống được dựa trên chương trình được thiết kế nạp vào PLC

Thông qua hệ thống này, độ ẩm ở các giai đoạn sinh trưởng sẽ được duy trì phù hợp với sự sinh trưởng, phát triển của cây, thuận tiện và chính xác hơn nhiều so với các phương pháp tưới khác, giúp nông dân nâng cao năng suất và chất lượng nông sản luôn được đảm bảo độ ẩm cần thiết cho cây theo từng giai đoạn cụ thể Mặt khác, khi tưới làm giảm lượng phân bón vào đất, giúp cho đất giảm sự bạc màu theo thời gian, đất không bị nén, hạn chế thoái hóa đất

Mục tiêu thực hiện luận văn

- Nghiên cứu một giải pháp cho hệ thống điều khiển tưới nước cho cây dựa trên điều khiển mờ

- Nghiên cứu những công cụ phần cứng, phần mềm cần thiết để xây dựng hệ

thống điều khiển tưới cây tự động

Nội dung thực hiện

Để hoàn thành được mục tiêu đề ra luận văn cần nghiên cứu các nội dung như sau:

- Xây dựng các thông số đầu vào và ra cho hệ thống

- Thiết kế một bộ điều khiển tưới mờ

- Xây dựng các thành phần cho một hệ thống điều khiển tưới cây tự động

- Tiến hành lắp ráp các thành phần thiết bị

- Kết nối các thành phần

- Thử nghiệm và kết luận

Phương pháp thực hiện

 Xây dựng các thông số đầu vào và ra cho hệ thống

- Các thông số đầu vào được sử dụng bởi hệ thống là:

 Sai lệch ẩm độ đất

 Tốc độ tăng giảm ẩm độ đất

- Các thông số đầu ra là:

 Tần số của biến tần để kích hoạt bơm tưới

 Thiết kế một bộ điều khiển tưới mờ

 Thiết bị điều khiển PLC

 Thiết bị cảm biến đo ẩm độ đất

 Máy tính cá nhân/ Laptop

 Sử dụng cổng USB kết nối cáp vào cổng thông tin liên lạc của các thiết

Chương 2: Điều khiển mờ trong hệ thống tưới tự động

Trong chương này đề cập chi tiết đến các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển tự động, các nguyên tắc điều khiển, tiêu chuẩn đánh giá bộ điều khiển mờ, và việc ứng dụng bộ điều khiển mờ vào giải bài toán xây dựng hệ thống tưới tự động Chương 3: Thiết kế hệ thống tưới tự động

Chương này trình bày việc ứng dụng phần mềm Matlap 2010b để mô phỏng hệ thống, giới thiệu phần mềm lập trình Step 7, xây dựng hệ thống tưới tự động thực

tế, sau đó vận hành và giám sát thực tế qua phần mềm WinCC

Chương 4: Kết luận

Trình bày kết quả thu được, sau đó, nhận xét về việc ứng dụng bộ điều khiển

mờ vào hệ thống tưới; cũng như về tình trạng hoạt động, độ chính xác, sai số trong điều khiển Cuối cùng đưa ra kết luận về tính ổn định sự kết hợp giữa bộ điều khiển

mờ và mô đun mềm PID

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Theo dự báo của Tổ chức Nông – Lương thế giới (FAO), nhu cầu tiêu thụ rau quả trên thị trường thế giới hàng năm tăng khoảng 3,6%, trong khi đó thì khả năng tăng trưởng sản xuất chỉ là 2,6% nên thị trường thế giới đối với mặt hàng rau quả luôn ở tình trạng cung không đủ cầu, dễ tiêu thụ và giá cả luôn trong tình trạng tăng

Ở các nước càng phát triển công nghiệp thì nhu cầu nhập khẩu rau lại càng tăng, đời sống càng được nâng cao thì nhu cầu đối với các loại hoa tươi càng tăng Có thể khẳng định rằng thị trường thế giới đối với rau quả là rất có triển vọng

Chính phủ Việt Nam cũng đã đề ra phương hướng phát triển lâu dài và tích cực đối với kinh tế đất nước, trong đó có lĩnh vực nông nghiệp; tạo bước chuyển dịch lớn lao trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp - nông thôn, sản xuất từng bước được điều chỉnh định hướng thị trường, tăng nhanh nguồn hàng chất lượng cao cho xuất khẩu Nhiều địa phương đã chuyển đổi diện tích những loại cây trồng kém hiệu quả sang sản xuất rau, quả; hình thành được những vùng chuyên canh lớn với những loại rau quả đặc sản như: vùng rau Vân Nội (Hà Nội), vùng rau hoa Đà Lạt (Lâm Đồng), buởi Phúc Trạch, bưởi Năm Roi, xoài cát Hoà Lộc, vú sữa Lò Rèn (Vĩnh Kim), Ngoài ra, về khuyến nông, Chính phủ đã ban hành Nghị định số 13/CP ngày 02/03/1993 quy định về công tác khuyến nông và Nghị định số 56/2005/NS-CP ngày 26/4/2005 về tổ chức khuyến nông Qua đó xã hội hoá hoạt động khuyến nông; tạo sự liên kết chặt chẽ giữa các nhà quản lý, khoa học, doanh nghiệp với người sản xuất và giữa người sản xuất với nhau Từ đó nâng cao nhận thức về khoa học kỹ thuật, sản xuất, kỹ năng quản lý và kinh doanh, Để làm tăng năng suất, chất lượng, hiệu quả sản xuất; tạo việc làm, tăng thu nhập cho nông dân; góp phần thúc đẩy quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá nông nghiệp, nông thôn

Sản xuất rau hoa quả phải trên cơ sở áp dụng công nghệ cao, trước hết phải thực hiện quy trình sản xuất theo hướng thực hành nông nghiệp tốt (GAP); bảo đảm

an toàn vệ sinh thực phẩm, cạnh tranh với hàng hoá nhập khẩu ngay tại thị trường trong nước và đẩy mạnh xuất khẩu Trong thời kỳ 2010-2020, ngoài việc đáp ứng nhu cầu nội địa; kim ngạch xuất khẩu rau hoa quả Việt Nam phấn đấu đạt 1,2 tỷ

USD/năm (Quyết định số 52/2007/QĐ-BNN của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn về việc phê duyệt quy hoạch phát triển rau quả và hoa cây cảnh đến năm

2010, tầm nhìn 2020)

Việt Nam nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa có điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh trưởng và phát triển của cây công nghiệp ngắn ngày Sản xuất cây công nghiệp ngắn ngày đã trở thành tập quán sản xuất của nông dân Việt Nam Từ khi nước ta chuyển đổi sang nền kinh tế thị trường, cùng với xu thế áp dụng khoa học

kỹ thuật vào trồng trọt; người nông đã và đang sản xuất theo hướng thâm canh, chuyên canh có hiệu quả sản xuất ngày càng cao Nhiều cây công nghiệp đã trở thành thế mạnh của nước ta Sản phẩm cây công nghiệp đã sử dụng hết sức đa dạng,

là nguồn thực phẩm giàu đạm và chất béo; là thành phần không thể thiếu trong những bữa ăn của con người, không chỉ để tiêu thụ trong nước mà còn để xuất khẩu Các cây công nghiệp ngắn ngày này nay có vị trí quan trọng trong hệ thống nông nghiệp giúp cho hệ thống luân canh, xen canh, gối vụ, tăng vụ và cải tạo đất Sản phẩm cây công nghiệp cũng là nguyên liệu của nhiều ngành công nghiệp chế biến Tỉnh Tây Ninh có địa hình tương đối bằng phẳng, rất thuận lợi cho phát triển toàn diện nông nghiệp, công nghiệp và xây dựng Địa hình vừa mang đặc điểm của một cao nguyên, vừa có dáng dấp, sắc thái của vùng đồng bằng Khí hậu Tây Ninh tương đối ôn hoà, chia thành 2 mùa là mùa mưa và mùa khô Mùa khô thường kéo dài từ tháng 12 năm trước đến tháng 4 năm sau, mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 11 Nhiệt độ tương đối ổn định, với nhiệt độ trung bình năm là 26 – 270C và ít thay đổi, lượng mưa trung bình hàng năm từ 1800 – 2200 mm Mặt khác, Tây Ninh nằm sâu trong lục địa, có địa hình cao núp sau dãy Trường Sơn, chính vì vậy ít chịu ảnh hưởng của bão và những yếu tố thuận lợi khác Với lợi thế đó là những điều kiện thuận lợi để phát triển nền nông nghiệp đa dạng, đặc biệt là các loại cây ăn quả, cây công nghiệp, cây dược liệu và chăn nuôi gia súc

Cụ thể ở Tây Ninh, tổng diện tích gieo trồng các cây hàng năm ước 167.152ha, đạt 65,5% so với kế hoạch năm, bằng 99,6% so với cùng kỳ Trong đó gieo trồng vụ

Hè Thu 75.419ha, đạt 92,8% so với KH vụ và tăng 7,5% so với cùng kỳ Một số cây trồng chính như sau: Tổng diện tích gieo trồng các loại cây hàng năm ước thực hiện 167.152ha, đạt 65,5% so với kế hoạch (KH) năm, bằng 99,6% so với cùng kỳ năm

2012 (SCK) Trong đó diện tích cây lúa chiếm 94.615 ha, đạt 63,1% KH năm; cây

mì 34.212 ha, đạt 85% KH năm và tăng 12,8% SCK; cây đậu phộng 6.426 ha, đạt

42,8% KH năm của các nông hộ của vùng (Báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN&PTNT) Tây Ninh, trong 6 tháng đầu năm 2013 )

Ngày nay, việc ứng dụng hệ thống tưới tự động vào sản xuất của các nông hộ

ở các địa phương địa phương trên cả nước đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều như Ông Lê Văn Xê, chủ trang trại Phương Uyên (xã Hiếu Liêm, Tân Uyên) nhờ áp dụng hệ thống tưới phun tự động thì ngoài việc tiết kiệm được tối đa chi phí nhân công Hệ thống phun tưới tự động còn giúp năng suất vườn cây tăng cao gấp nhiều lần do nước tưới thấm sâu hơn Ông Sáu Xê cho biết thêm “ứng dụng hệ thống tưới tự động này sẽ tưới rải đều 100% diện tích vườn cây và rễ cây sẽ tiếp xúc một cách ổn định với nguồn nước Hiệu quả của việc tưới phun tự động có thể cao hơn 300 - 400% so với tưới bằng vòi phun thông thường” Ông Bảy Khái - lão nông Nguyễn Văn Khái - ở xã Lai Uyên, huyện Bến Cát, Bình Dương đã thành công với trang trại tự động hóa của mình với hệ thống phun tưới tự động Theo ông nhờ hệ thống này, mỗi hécta có thể trồng được 1.000 cây ăn quả (trong khi thông thường, mỗi hécta chỉ trồng được 300 cây) Và tất nhiên, cái hiệu quả lớn nhất cho chính chủ nhân, cho môi trường và cho xã hội là tiết kiệm điện, tiết kiệm nước Ông Phạm Văn Lý ở thôn 5, xã Thiện Hưng (Bù Đốp) nhờ tưới nước bán tự động mà giúp ông

có được năng suất tiêu tăng từ 7-10% cho vườn tiêu hơn 6.000 nọc của nhà; quan trọng hơn là bất kể là mùa khô đều dễ dàng nhận thấy vườn tiêu xanh tốt, dây nọc sum suê trái, chi phí nhân công, điện, dầu giảm rõ rệt

1.2 Các phương pháp tưới

Nhìn chung, các biện pháp kỹ thuật tưới nước trên đều mang lại năng suất cao, tiết kiệm được chi phí và cho ra sản phẩm chất lượng cho cây rau quả Tuy nhiên, qua quá trình tìm hiểu các phương pháp tưới nước cho cây rau quả vẫn còn một số

ưu điểm và khuyết điểm như sau:

1.2.1 Tưới phun

Đây là phương pháp tưới bằng cách phun nước từ dưới mặt nước lên tán cây qua hệ thống máy bơm, ống dẫn nước với các vòi phun cố định, tự động xoay được với góc 3600, được đặt cao khỏi mặt đất 0,5-1,0m (dưới dạng phun sương hay phun

mù) Phương pháp này thường áp dụng tưới cho cây con trong vườn ươm hoặc vòi phun hạt to di động cầm tay dùng để tưới cây ăn quả vào những ngày nắng nóng (phun vào 16-18 giờ chiều) để tăng ẩm độ không khí, giảm độ nóng cho quả, cho cây, chống hiện tượng rụng quả do thời tiết khắc nghiệt

Phương pháp này có ưu điểm:

 Không cần san phẳng mặt ruộng và có thể tưới cho bất kỳ loại địa hình nào (cao, thấp, gồ ghề, )

 Có thể tạo ra được độ ẩm đồng đều trong đất, mức tưới đảm bảo chính xác, tiết kiệm được nước tưới

 Tốc độ thấm nước nhỏ, với một cường độ mưa thích hợp, kết cấu đất không bị phá vỡ, mặt đất không bị kết váng

 Không khí trên mặt đất mát mẻ, có lợi cho sinh trưởng của cây trồng

 Tiết kiệm được nhân lực, nhất là trong diều kiện tự động hoá

 Kết hợp giữa công tác tưới với các công tác khác trên đồng ruộng Chẳng hạn, kết hợp giữa tưới, bón phân, phòng trừ sâu bệnh rất có hiệu quả

Song, lại có nhược điểm:

 Cần phải có vốn đầu tư ban đầu khá cao

 Chi phí quản lý cao, tốn năng lượng, và đòi hỏi kỹ thuật sử dụng cao

 Kỹ thuật tưới phun mưa phụ thuộc vào hướng gió và tốc độ gió, do đó những nơi thường xuyên có tốc độ gió lớn thì không chọn phương pháp này

Hình 1.1 Tưới phun mưa cho ruộng lạc mới mọc mầm [1]

Hình 1.2 Tưới phun mưa cho ruộng lạc trồng trên đất gò đồi [1]

Hình 1.3 Một hệ thống dàn tưới phun mưa [1]

1.2.2 Tưới nhỏ giọt

Đây là phương pháp tưới hiện đại, thường được áp dụng đối với những vườn cây ăn trái đặc sản có hiệu quả kinh tế cao ở những vùng thiếu nước tưới Cách tưới

này tiết kiệm lượng nước tối đa Đất không bị gí chặt, giữ nguyên hiện trạng kết cấu đất, đất không bị bào mòn, phân bón không bị rửa trôi Nhưng đây là phương pháp yêu cầu đầu tư lớn nhất, khó áp dụng trong sản xuất đại trà

Tưới nhỏ giọt là một phương pháp mới đang được ứng dụng nhiều ở Israel, Mỹ,

úc và một số nước khác có khí hậu khô cằn, nguồn nước ít, dùng để tưới cho các loại cây ăn quả, rau

Nguyên tắc của tưới nhỏ giọt là dùng một hệ thống ống dẫn bằng cao su hoặc chất dẻo có đường kính từ 1,5 - 2cm, để dẫn nước từ đường ống có áp, do trạm bơm cung cấp chạy dọc theo các hàng cây ở các gốc cây có lắp các vòi có thể điều chỉnh được lượng nước chảy ra Nước do cấu tạo của vòi sẽ nhỏ giọt xuống gốc cây làm

ẩm đất

Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm được nhiều nước tưới so với tưới rãnh vì ít tiêu hao lượng nước do bốc hơi và thấm xuống sâu Hiệu suất sử dụng nước tưới được tăng lên và đảm bảo đúng chế độ nước của đất theo nhu cầu của từng cây trồng

Phạm vi tưới nước trên mặt đất nhỏ nên trên mặt đất phần lớn vẫn giữ được khô, các loại cỏ dại không đủ độ ẩm để phát triển và vẫn giữ được thoáng khí 1.2.3 Tưới ngầm

Phương pháp tưới này được nghiên cứu ứng dụng ở Liên Xô cũ từ năm 1935 Nguyên tắc là dùng hệ thống đường ống dẫn nước trong đất và nước sẽ thấm làm

ẩm đất Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo độ ẩm cần thiết trong suốt thời gian sinh trưởng của cây trồng, tiết kiệm nước, làm tăng năng suất cây trồng so với các phương pháp tưới khác Đất không bị gí chặt, giữ nguyên hiện trạng kết cấu đất, đất không bị bào mòn, phân bón không bị rửa trôi, lớp đất trên mặt vẫn giữ được khô hoặc ẩm ít do đó giữ được thoáng làm cho vi sinh vật hoạt động tốt, làm tăng

độ phì của đất

Cho phép sử dụng phân hóa học hòa lẫn với nước tưới, trực tiếp bón vào hệ thống rễ cây trồng, làm tăng thêm hiệu quả của phân bón Hệ thống tưới không làm trở ngại các khâu sản xuất bằng cơ khí trên đồng ruộng, thuận tiện cho việc tự động hóa việc tưới nước và tăng năng suất tưới Tuy nhiên, việc mở rộng tưới ngầm trong

sản xuất còn hạn chế, chưa phát triển rộng rãi vì xây dựng hệ thống tưới phức tạp, giá thành đầu tư trang thiết bị và xây dựng cơ bản cao

Chi phí đầu tư ban đầu cho phương pháp này khá lớn, chỉ áp dụng được đối với các loại đất có độ xốp cần thiết cho nước thấm qua dễ dàng

Là phương pháp tưới nước để nước chảy theo các rãnh được thiết kế giữa các hàng cây Nước được thấm dần vào đất và cung cấp cho cây trồng Cách tưới nước này tiết kiệm và chủ động được nước tưới cho vườn cây, lớp đất mặt vẫn tơi xốp, không bị gí chặt, kết cấu đất vẫn giữ vững, đất không bị bào mòn, chất dinh dưỡng không bị rửa trôi Đây là phương pháp tưới thông dụng thường được bà con tưới cho nhiều vườn cây ăn quả trong cả nước Nhưng chỉ áp dụng được với nơi có địa hình tương đối bằng phẳng (độ dốc <50) Biện pháp tưới này cũng có một số hạn chế như: lãng phí một phần nước ở cuối rãnh tưới; gặp khó khăn trong việc vận chuyển công cụ sản xuất qua rãnh; phải chi phí khá lớn nhân công và thời gian cho việc cải tạo các rãnh nước

Phương pháp tưới rãnh được phổ biến nhất để tưới cho hầu hết các loại cây trồng như bông, nho, mía, các loại cây có củ, quả như khoai sắn, củ đậu, cà chua và các loại rau, như bắp cải, su hào Khi tưới rãnh nước không chảy vào khắp mặt ruộng mà chỉ vào trong rãnh tưới giữa các hàng cây trồng Yêu cầu của tưới rãnh là xác định chính xác các yếu tố kỹ thuật tưới chủ yếu, như lưu lượng nước trong rãnh tưới, chiều dài rãnh tưới và thời gian tưới để đảm bảo tiêu chuẩn tưới định trước theo yêu cầu sinh trưởng của cây trồng, phù hợp với điều kiện đất đai, địa hình và khí hậu

Ưu, nhược điểm

 Ưu điểm

 Chi phí tương đối thấp

 Sau khi tưới lớp đất mặt vẫn giữ nguyên, không tạo lớp đất chặt ở phía trên, mặt đất vẫn tơi xốp, kết cấu đất ít bị phá vỡ, không gây xói mòn

bề mặt, dinh dưỡng không bị rửa trôi bởi chế độ nước, không khí và

dinh dưỡng trong đất được điều tiết thích hợp, thỏa mãn điều kiện sống của cây trồng

 Tưới rãnh ít tốn nước hơn tưới ngập và khắc phục được một số mặt hạn chế của tưới ngập

 Khi tưới, lá cây không bị vết thương, hạn chế được một số sâu bệnh

 Nhược điểm

 Thời gian tưới chậm

 Do có nhiều rãnh trên ruộng nên làm cản trở các hoạt động canh tác

 Tổn thất nước lớn khi rãnh dài

Tưới ngập là phương pháp cho nước vào vườn cây một lớp nước nhất định, trong một thời gian xác định để cung cấp nước cho cây Phương pháp này kết hợp được việc tưới nước với tiêu diệt một số loài sâu hại cư trú trong lòng đất (dế cắn rễ cây, nhộng, các loài ruồi, sâu đục hạt quả xoài và quả các loại cây khác) Phương pháp tưới này tốn nhiều nước, chỉ áp dụng được với nơi có địa hình tương đối bằng phẳng, thoát nước tốt Đất bị gí chặt, dinh dưỡng bị rửa trôi theo dòng dinh dưỡng

bị rửa trôi theo dòng nước tiêu, kết cấu đất bị phá vỡ (Theo Nông thôn ngày nay –

số 27/2006)

Đây thực sự là phương pháp cổ truyền có từ lâu đời nó chỉ phù hợp đối với khu vực bằng phẳng có độ dốc không lớn và chỉ được áp dụng với một số loại cây trồng như lúa nước, rau cần hay một số cây khác trong từng thời điểm sinh trưởng như ngô, khoai lang, cói, đay, Đây cũng là phương pháp dùng để cải tạo đất như thau chua rửa mặn hay dùng để giữ ẩm đất trong quá trình chờ canh tác

 Phương pháp này có những ưu điểm sau:

- Do chỉ áp dụng ở những vùng bằng phẳng có độ dốc không lớn tính thấm nước của đất yếu và mức tưới cao vì vậy năng suất tưới cao một người có thể tưới 30 - 40 ha/ngày

- Hệ số sử dụng ruộng đất cao, vì có thể xây dựng hệ thống tưới tiêu cho những thửa có diện tích lớn

- Lớp nước trên ruộng tạo điều kiện cho bộ rễ của cây lúa phát triển tốt, hấp thụ các loại phân bón được thuận lợi, hạn chế được nhiều loại cỏ dại và ổn định nhiệt

1.3 Ứng dụng công nghệ thông tin trong nông nghiệp

Để sản xuất nông sản có năng suất cao, chất lượng tốt, an toàn vệ sinh và giá thành thấp, việc ứng dụng những công nghệ trọng điểm của thời đại như công nghệ thông tin là rất cần thiết Trong những năm qua, Việt Nam luôn quan tâm đẩy mạnh việc nghiên cứu chuyển giao và ứng dụng khoa học công nghệ để hiện đại hóa nền nông nghiệp nông thôn như việc thành lập Khu Nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao ở Ấp Phạm Văn Cội, Huyện Củ Chi, Thành Phố Hồ Chí Minh hay Khu công nghệ cao ở Huyện Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Việt Nam luôn chủ trương tập trung vào các doanh nghiệp đầu tư phát triển công nghệ cao và các vùng ứng dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất nông nghiệp

Qua đó cho thấy, kiến thức cao về khoa học công nghệ sẽ giúp nông thôn biết quy hoạch đất đai, mạnh dạn khoanh vùng để giữ gìn “bờ xôi ruộng mật”, chỉ xây dựng công trường ở nơi thuận tiện, và sân golf - cũng quan trọng để phát triển du lịch - phải ở nơi không phải đất nông nghiệp, với con số chừng mực bao nhiêu sân

Vì vậy, việc ứng dụng Công nghệ thông tin đóng vai trò rất quan trọng trong sự

phát triển của xã hội trong thời đại ngày nay Công nghệ thông tin đã trở thành nhân

tố quan trọng, là cầu nối trao đổi giữa các thành phần của xã hội toàn cầu, của mọi

vấn đề Việc nhanh chóng đưa ứng dụng công nghệ thông tin vào quá trình tự động

hóa trong sản xuất kinh doanh là vấn đề đang, đã và sẽ luôn được quan tâm bởi lẽ

công nghệ thông tin có vai trò rất lớn trong các hoạt động kinh tế, sản xuất kinh

doanh, bán hàng, xúc tiến thương mại, quản trị doanh nghiệp

1.4 Logic mờ và ứng dụng

Logic mờ là logic chính xác

 Logic mờ chính xác không kém bất kỳ dạng logic nào khác

 Đây là một phương pháp toán học có tổ chức để làm việc với các khái

1.5 Ứng dụng của điều khiển mờ

Comment [TVL1]: Không thấy có minh chứng,

chỉ nói mang tính chủ quan Cần bổ sung minh chứng

Ứng dụng đầu tiên của điều khiển mờ phải kể đến của nhóm Mamdani và

Assilian năm 1974 Từ đấy phạm vi ứng dụng thực tiễn của điều khiển mờ trong các

lĩnh vực khác nhau đã hết sức rộng: Từ điều khiển lò nung xi măng [Larsen,1980-

đây là ứng dụng thực sự đầu tiên vào sản xuất công nghiệp] hay quản lý các bãi đỗ

xe [Sugeno và cộng sự 1984,1985, 1989] hoặc điều khiển vận hành hệ thống giao

thông ngầm, quản lý nhóm các thang máy [Fujitec,1988, v.v…, cho tới thám sát các

sự cố trên đường cao tốc [Hsiao et al., 1993] các thiết bị phần cứng mờ [fuzzy

hardware devices, Togai và Watanabe, 1986, nhóm cộng tác với GS Yamakawa,

1986, 1987,1988 …] [3]

Trong số những ứng dụng thực sự thành công trong thực tiễn còn phải nhắc tới

tới bộ FLC dùng trong quản lý sân bay [Clymer et al ,1992]; các hệ thống điều

khiển đường sắt và các hệ thống cần cẩu container [Yasunobu và Miyamoto, 1985,

Yasunobu et al., 1986, 1987] Một ứng dụng rất hay của điều khiển mờ là hệ điều

khiển‚the camera tracking control system‛ của NASA ,1992 …

Chúng ta cũng không thể không nhắc tới các máy móc trong gia đình dùng FLC

đang bán trên thị trường thế giới: máy điều hoà nhiệt độ [hãng Mitsubishi], máy giặt

[Matsushita, Hitachi, Sanyo], các video camera [Sanyo, Matsushita], tivi, camera

[hãng Canon], máy hút bụi, lò sấy (microwave oven) [Toshiba] vv… [3]

Ngay từ 1990, trong một bài đăng ở tạp chí AI Expert, Vol.5, T.J.Schwartz đã

viết: ‛Tại Nhật bản đã có hơn 120 ứng dụng của điều khiển mờ ‚

 Tóm lại điều khiển mờ có nhiều điểm mạnh trong việc thiết kế hệ thống

điều khiển các đối tượng phức tạp, các đối tượng mà việc mô tả mô hình đối tượng

là cực kỳ khó khăn, là cho phép thiết kế hệ thống đơn giản, tiết kiệm nhiều công

sức, thời gian, giảm được giá thành, …

Bên cạnh những điểm mạnh trên khi sử dụng logic mờ để thiết kế bộ điều khiển

gặp một số hạn chế trong việc tối ưu hóa hệ thống là do nó đòi hỏi phải có kinh

nghiệm và nghệ thuật thiết kế hệ thống

1.6 Kết luận

Từ những phân tích trong chương này cho thấy một hệ thống ứng dụng điều

khiển mờ vào trong hệ thống tưới tự động là rất hợp lý và kinh tế Hệ thống tưới tự

động sẽ tiết kiệm được nước sẽ cung cấp cho cây không lãng phí; giảm bớt công lao

Comment [TVL2]: Một câu văn dài như vậy, chỉ

toàn dấu phấy thì làm sao biết tài liệu nào nói về cái gì; dấu phẩy nào là của tài liệu này, dấu phẩy nào là phân cách giữa các tài liệu

Comment [TVL3]: Những tài liệu này, cũng như

những tài liệu ở đoạn trên hãy đưa vào danh mục tài liệu tham khảo Ở đây chỉ cite đến bằng cách viết [số] như trong các mục trước

động, năng suất cao, hiệu quả kinh tế lớn, có thể áp dụng sản xuất đại trà Đây sẽ là mũi nhọn của ngành nông nghiệp hiện đại

Chương 2 ĐIỀU KHIỂN MỜ

Có lẽ hầu hết mọi người hiện nay không ai chưa từng nghe đến khái niệm điều khiển mờ (Fuzzy control) cũng như tên các thiết bị điều khiển được tích hợp dựa trên nguyên lý tập mờ (Fuzzy set) Những thiết bị làm việc trên cơ sở lý thuyết tập

mờ hiện có khắp mọi nơi trong cuộc sống thường nhật như máy giặt fuzzy, máy ảnh fuzzy, bàn là fuzzy, nồi cơm điện fuzzy, đã giúp cho sự phổ thông hoá đó của những khái niệm lý thuyết này

Nhìn lại quãng đường đã đi, kể từ thời điểm ra đời của lý thuyết tập mờ vào khoảng giữa thập niên 60 do nhà toán học người Mỹ Lotfi A Zadel đưa ra; cho tới ngày nay, điều khiển mờ đã có những bước phát triển vượt bậc, đóng góp không nhỏ vào sự tăng trưởng, hiện đại hóa phục vụ cho nhu cầu của con người

Những khái niệm của điều khiển mờ mà trước đây còn mang đầy tính trừu tượng thì nay nó đã được đưa vào ngôn ngữ cộng đồng như một sự đương nhiên ai cũng biết hoặc cũng được nghe đến một cách thường xuyên nhờ các phương tiện của thông tin đại chúng Sự phát triển nhanh mang tính vượt bậc của điều khiển mờ

có nguyên nhân của nó:

 Thứ nhất là trên cơ sở suy luận mờ, nguyên lý điều khiển mờ đã cho phép con người tự động hóa được kinh nghiệm điều khiển cho một quá trình, một thiết bị, … Qau đó tạo ra được những bộ điều khiển làm việc tin cậy thay thế được song vẫn mang lại chất lượng như đã từng đạt được

 Thứ hai là với nguyên tắc mờ, bộ điều khiển tổng hợp được có cấu trúc đơn giản so với những bộ điều khiển kinh điển khác có cùng chức năng

Sự đơn giản đó đã đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ tin cậy cho thiết bị, giảm giá thành sản phẩm

 Và cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng cho sự phát triển vượt bậc đó của điều khiển mờ là những cải tiến liên tiếp của kỹ thuật vi xử

lý Một cầu nối không thể thiếu giữa kết quả nguyên cứu của lý thuyết điều khiển mờ với thực tế ứng dụng

2.1 Bộ điều khiển mờ

2.1.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản

Những thành phần cơ bản của một bộ điều khiển mờ bao gồm khâu mờ hóa, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ Một bộ điều khiển mờ chỉ gồm ba

thành phần như vậy có tên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 2.11 Bộ điều khiển mờ cơ bản [3]

Khâu mờ hóa có nhiệm vụ chuyển đổi một giá trị rõ đầu vào x0 thành một

vectơ m gồm các độ phụ thuộc của giá trị rõ đó theo các tập mờ đã định nghĩa trước.

Khâu xử lý mờ xử lý vecto và cho ra tập mờ B' của biến ra

Khâu giải mờ có nhiệm vụ chuyển đổi tập mờ B' thành một giá trị rõ y' đặc

trưng cho thông tin chứa trong tập mờ đó

2.1.2 Kết luận

 Ưu điểm

 Đảm bảo được tính ổn định của hệ thống mà không cần khối lượng tính toán lớn

và phức tạp trong khâu thiết kế như các loại điều khiển cổ điển như PID, điều

chỉnh sớm trễ pha

 Có thể tổng hợp bộ điều khiển với hàm truyền đạt phi tuyến bất kỳ

 Giải quyết được các bài toán điều khiển phức tạp, các bài toán mà trước đây chưa giải quyết được như: hệ điều khiển thiếu thông tin, thông tin không chính xác hay những thông tin mà sự chính xác của nó chỉ nhận thấy giữa các quan hệ của chúng với nhau và cũng chỉ có thể mô tả được bằng ngôn ngữ Như vậy điều khiển mờ đã sao chụp được phương thức xử lý thông tin của con người và

ta có thể tận dụng được các tri thức, kinh nghiệm của con người vào trong quá trình điều khiển

 Khuyết điểm

 Cho đến nay, các lý thuyết nghiên cứu về điều khiển mờ vẫn còn chưa được hoàn thiện Vì vậy việc tổng hợp bộ điều khiển mờ hoạt động một cách hoàn thiện thì không đơn giản

 Chính vì tính phi tuyến của hệ mờ mà ta không thể áp dụng những thành tựu của lý thuyết hệ tuyến tính cho hệ mờ Và vì thế những kết luận tổng quát cho

hệ mờ hầu như khó đạt được

 Từ những ưu khuyết điểm của bộ điều khiển mờ ta rút ra kết luận:

 Không bao giờ thiết kế bộ điều khiển mờ để giải quyết một bài toán tổng hợp

mà có thể dễ dàng thực hiện bằng các bộ điều khiển kinh điển thoả mãn yêu cầu đặt ra

 Việc sử dụng bộ điều khiển mờ cho các hệ thống cần độ an toàn cao vẫn còn bị hạn chế do yêu cầu chất lượng và mục đích của hệ thống chỉ có thể xác định và đạt được qua thực nghiệm

 Bộ điều khiển mờ phải được phát triển qua thực nghiệm

 Do có khả năng điều chỉnh được tính ổn định và bền vững khi lượng thông tin thu thập không chính xác nên các bộ cảm biến có thể chọn loại rẻ tiền và không cần độ chính xác cao

2.2 Ứng dụng điều khiển mờ giải bài toán hệ thống tưới tự động

 Xây dựng hệ thống mờ điều khiển bơm tưới cho cây trồng

Ta cần xây dựng một hệ thống tưới mờ tự động, với yêu cầu như sau: Đầu vào một đầu là sai lệch độ ẩm đất e(t) [E(T)], một đầu là tốc độ thay đổi sai lệch de(t) [DE(T)], một đầu ra là tần số của biến tần kích cho bơm tưới [DF]

ET = {âm nhiều, âm vừa, âm ít, bằng không, dương ít, dương vừa, dương nhiều} hay ET = {NB, NM, NS, ZE, PS, PM, PB}

Tuy nhiên, để tập trung hơn trong khoảng sai lệch nhỏ, ta không phân bố đều 7 tập mờ này trên khoảng [-100%H,+100%H] mà chỉ phân bố đều trong khoảng [-4%, +4%]

 Tốc độ tăng giảm ẩm độ:

Là giá trị tăng hay giảm của ẩm độ hiện tại so với ẩm độ trước đó trong khoảng thời gian lấy mẫu, ký hiêu là DET

DET=(ẩm độ hiện tại – ẩm độ trước)/thời gian lấy mẫu[%H/s]

Ta định nghĩa DET với miền xác định là [-2,+2]

Cũng định nghĩa cho biến DET có 7 tập mờ với tên gọi như trên, định nghĩa trong khoảng [-2,+2]

-1 -2 -3

Các tập mờ của biến ET

-0.5 -1

Đại lượng ra của bộ điều khiển mờ chính là tần số của thiết bị biến tần kích bơm tưới (HzV )

Biến V với 6 tập mờ dạng singleton