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

i 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 ii 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 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhằm mục tiêu cung cấp nƣớc cho cây trồng một cách phù hợp và chính xác. Dựa trên hệ thống điều khiển tƣới nƣớc tự động, luận văn này đã mô phỏng và thiết kế một hệ thống điều khiển tƣới 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 đƣợc xem nhƣ đầu vào. Đầu ra là tốc độ mở bơm tƣới. 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. iv 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 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 5 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 5 1.2 Các phƣơng pháp tƣới 7 1.2.1 Tƣới phun 7 1.2.2 Tƣới nhỏ giọt 9 1.2.3 Tƣới ngầm 10 1.2.4 Tƣới rãnh 11 1.2.5 Tƣới 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 chƣơng 1 15 Chƣơng 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 tƣới tự động 19 v CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TƢỚI 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 tƣới 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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 49 4.1. KẾT QUẢ THỰC HIỆN 49 4.2. KẾT LUẬN 53 4.3. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 53 vi TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vii 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 tƣợng điều khiển ET Sai lệch đầu vào FAO Tổ chức nông lƣơng 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 SP SetPoint TBĐK Thiết bị điều khiển TBĐL Thiết bị đo lƣờng USB Universal Serial Bus viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Tƣới phun mƣa cho ruộng lạc mới mọc mầm 9 Hình 1.2. Tƣới phun mƣa cho ruộng lạc trồng trên đất gò đồi 9 Hình 1.3 . Một hệ thống dàn tƣới phun mƣa 9 Hình 3.1 Mô hình hệ thống tƣới tổng quát 24 Hình 3.2 Mô hình vật lý 24 Hình 3.3 Mô hình điều khiển tƣới mờ 29 Hình 3.4 Hình luật mờ tƣới 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 đƣờng 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 Lƣu đồ thuật giải Auto 43 Hình 3.14. Lƣu đồ thuật giải Manual 44 Hình 3.15 Sơ đồ điều khiển Hệ thống PID – Fuzzy 44 Hình 3.16 Lƣu đồ thuật giải Fuzzy 45 Hình 3.17 Giao diện chính 46 Hình 3.18 Giao diện tƣới 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 ix 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 x DANH MỤC BẢNG Bảng 4.1 Bảng kết quả thử nghiệm phƣơng pháp Auto 52 Bảng 4.2 Bảng kết quả thử nghiệm phƣơng pháp Manual 52 [...]... 2: Điều khiển mờ trong hệ thống tƣới tự động Trong chƣơng 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 tƣới tự động Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống tƣới tự động Chƣơng này trình bày việc ứng dụng phần mềm Matlap 2010b để mô phỏng hệ thống, ... nghiệm  Bộ điều khiển mờ phải đƣợc phát triển qua thực nghiệm  Do có khả năng điều chỉnh đƣợc tính ổn định và bền vững khi lƣợng 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 tƣới tự động  Xây dựng hệ thống mờ điều khiển bơm tƣới cho cây trồng Ta cần xây dựng một hệ thống tƣới mờ tự động, ... đa chi phí và sức ngƣời nhằm nâng cao hiệu quả trong sản xuất, việc Ứng dụng điều khiển mờ trong việc xây dựng hệ thống điều khiển tƣới tự động đƣợc sử dụng kết hợp phƣơng pháp-logic mờ và hệ thống điều khiển tƣới tự động bao gồm các thiết bị nhƣ cảm biến nhƣ cảm biến độ ẩm đƣợc sử dụng nhằm kiểm soát độ ẩm đất để từ đó các hệ thống tƣới nƣớc kiểm soát mực nƣớc trong vƣờn là một trong những giải... dung nhƣ sau: - Xây dựng các thông số đầu vào và ra cho hệ thống - Thiết kế một bộ điều khiển tƣới mờ - Xây dựng các thành phần cho một hệ thống điều khiển tƣới cây tự động - Tiến hành lắp ráp các thành phần thiết bị - Kết nối các thành phần 3 - Thử nghiệm và kết luận Phƣơng pháp thực hiện  Xây dựng các thông số đầu vào và ra cho hệ thống - Các thông số đầu vào đƣợc sử dụng bởi hệ thống là:  Sai... khi sử dụng logic mờ để thiết kế bộ điều khiển gặp một số hạn chế trong việc tối ƣu 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 chƣơng này cho thấy một hệ thống ứng dụng điều khiển mờ vào trong hệ thống tƣới tự động là rất hợp lý và kinh tế Hệ thống tƣới tự động sẽ tiết kiệm đƣợc nƣớc sẽ cung cấp cho cây không lãng phí; giảm bớt... với thực tế ứng dụng 2.1 Bộ điều khiển mờ 18 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 nhƣ 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... hạt nhân 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 15 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,1980đây là ứng dụng thực sự đầu tiên vào sản xuất... mềm lập trình Step 7, xây dựng hệ thống tƣới tự động thực tế, sau đó vận hành và giám sát thực tế qua phần mềm WinCC Chƣơng 4: Kết luận Trình bày kết quả thu đƣợc, sau đó, nhận xét về việc ứng dụng bộ điều khiển mờ vào hệ thống tƣới; cũng nhƣ về tình trạng hoạt động, độ chính xác, sai số trong điều khiển Cuối cùng đƣa ra kết luận về tính ổn định sự kết hợp giữa bộ điều khiển mờ và mô đun mềm PID 5... phỏng tính và nhận dạng hệ thống 3.1.2 Xây dựng mô hình 24 3.1.2.1 Yêu cầu cụ thể Xây dựng một hệ thống tƣới tự động, gồm một đầu vào là ẩm độ đất, một đầu vào là giai đoạn sinh trƣởng Đầu ra sẽ là điều khiển tốc độ mở van Sai lệch Ẩm độ đất Tốc độ thay đổi Ẩm độ đất BỘ ĐIỀU KHIỂN Biến tần Bơm Hình 3.1 Mô hình hệ thống tƣới tổng quát 3.1.2.2 Mô hình vật lý Ƣng dụng để điều khiển thời gian mở valve... 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 tƣợng phức tạp, các đối tƣợng mà việc mô tả mô hình đối tƣợng là cực kỳ khó khăn, là cho phép thiết kế hệ thống đơn giản, tiết kiệm nhiều công sức, thời gian, giảm đƣợc giá thành, … Bên cạnh những điểm mạnh trên khi sử dụng logic mờ để thiết kế bộ điều khiển gặp một . trong sản xuất, việc Ứng dụng điều khiển mờ trong việc xây dựng hệ thống điều khiển tƣới tự động đƣợc sử dụng kết hợp phƣơng pháp-logic mờ và hệ thống điều khiển tƣới tự động bao gồm các. đánh giá bộ điều khiển mờ, và việc ứng dụng bộ điều khiển mờ vào giải bài toán xây dựng hệ thống tƣới tự động. Chƣơng 3: Thiết kế hệ thống tƣới tự động Chƣơng này trình bày việc ứng dụng phần. 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 chƣơng 1 15 Chƣơng 2 ĐIỀU KHIỂN MỜ 17 2.1. Bộ điều khiển mờ