Nghiên cứu bộ điều khiển pid kiểm soát vi khí hậu 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... DANH M

-

NGUYỄN VĂN HUẤN

NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KIỂM SOÁT

-

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

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:

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

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

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)

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

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

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

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

2.1.3 Cấu trúc của các kiểu nhà trồng cây điển hình 6

2.3.2 Các phương pháp xác định tham số bộ điều khiển PID 22

2.4 Cơ sở của thiết kế hệ thống điều khiển trong đề tài 30Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KỸ THUẬT 313.1 Thiết kế kỹ thuật các cơ cấu chấp hành của hệ thống 31

3.2 Thiết kế kỹ thuật các cảm biến thu nhận dữ liệu 44

3.2.3 Cảm biến ánh sáng (Ambient Light Sensor) 51

3.3.3 Giải thuật điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, cường độ chiếu sáng theo PID 593.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển vi khí hậu trong nhà kính 603.5 Thiết kế kỹ thuật mạch điện tử xử lý trung tâm - ECU 63

4.1.3 Hệ thống làm mát bằng cooling pad 71

5.2.2 Tiểu khí hậu trong nhà kính dưới tác dụng của điều khiển 84

Phụ lục 2: Một số kết quả khảo nghiệm từ ngày 12/10 đến ngày 25/11/2014 d

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU

PID – Propotional – Integral – Derivative – Bộ điều khiển theo giải thuật PID

T a : Nhiệt độ trung bình bên ngoài trong những ngày thực nghiệm

T ref : Nhiệt độ tham chiếu của bộ điều khiển

T : Nhiệt độ trong nhà kính

RH a : Độ ẩm tương đối trung bình bên ngoài trong những ngày thực nghiệm

RH ref : 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

e RH : Sai số giữa ẩm độ thực tế và độ ẩm tham chiếu

e T : 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

K P : hệ số khuếch đại

K I : hằng số tích phân

K D : hằng số vi phân

R dir : nhiệt bức xạ trực tiếp từ mặt trời

R dif : nhiệt bức xạ phân tán

R lw : nhiệt bức xạ có bước sóng dài

R ref : nhiệt bức xạ có bước sóng ngắn

H s : nhiệt đối lưu giữa cây trồng và không khí

H w : ẩn nhiệt thoát ra từ cây

P : năng lượng quang hợp

M : năng lượng thải ra từ hô hấp của cây trồng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 2.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 23Bảng 2.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai 24Bảng 2.3: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-1 24Bảng 2.4: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-2 25Bảng 2.5: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-3 25Bảng 2.6: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick–4 25

Bảng 3.3: Kết quả khảo nghiệm được thực hiện ngày 25/11/2014 42

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ - ĐỒ THỊ - SƠ ĐỒ - HÌNH ẢNH

Trang

Hình 2.3: Mô hình nhà trồng cây theo công nghệ hiện đại 6Hình 2.4: Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu trong nhà kính 8Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý xác định nhiệt hấp thụ của cây trồng trong nhà kính 10

Hình 2.10: Biểu đồ thể hiện vùng không phù hợp sử dụng cooling pad 14

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý thông thoáng cho nhà kính theo Hanan, 1998 16Hình 2.13: Sơ đồ thông thoáng khí tự nhiên và cưỡng bức bằng dùng quạt 17Hình 2.14: Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt 17Hình 2.15: Hệ thống quạt thông thoáng trong nhà kính 17Hình 2.16: Phân bố gió cưỡng bức nhờ bố trí quạt trong nhà kính 18Hình 2.17: Dạng quạt thông khí nhà kính cưỡng bức từ vách hông 18

Hình 2.21: Giao diện điều khiển tự động nhà kính lắp đặt ở Dalat_Hasfarm 21

Hình 2.26: Đáp ứng nấc thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick 24

Hình 2.29: Xấp xỉ tích phân của sai số e 29Hình 3.1: Thiết kế kỹ thuật cơ cấu đóng/mở của thông khí nhà kính 31

Hình 3.5: Thiết kế kỹ thuật hệ thống làm mát bằng cooling pad 39

Hình 3.8: Hệ thống quạt thông thoáng trong nhà kính 43

Hình 3.10: Đặc tuyến nhiệt độ đối với điện trở của cảm biến PT100 45

Hình 3.12: Đồ thị tương quan giữa điện áp ra của tín hiệu đo được với nhiệt độ 46Hình 3.13: Đồ thị tương quan giữa độ ẩm với điện dung của cảm biến HS1100 47

Hình 3.15: Tương quan giữa điện dung và tần số ngõ ra đối với độ ẩm 49Hình 3.16: Tương quan giữa độ ẩm và điện áp ra của mạch đo 49Hình 3.17: Mạch điện đo độ ẩm bằng cảm biến HS1100 50Hình 3.18: Sơ đồ khối của cảm biến ánh sáng OPT3010 51

Hình 3.20: Cách bố trí cảm biến ánh sáng trong nhà kính 52Hình 3.21: Dụng cụ đo ULAB 006p CMA dùng cho hiệu chuẩn các cảm biến 52Hình 3.22: Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo giải thuật PID 55Hình 3.23: Xấp xỉ vi phân của sai số nhiệt độ (eT) 56Hình 3.24: Xấp xỉ tích phân của sai số nhiệt độ (eT) 57Hình 3.25: Giải thuật của khối PID điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng 59Hình 3.26: Lưu đồ giải thuật điều khiển của Master MCU 61Hình 3.27: Lưu đồ giải thuật điều khiển của Slave MCU 62

Hình 3.30: Sơ đồ mạch điện giao tiếp ngõ vào của các công tắc tín hiệu 66

Hình 3.31: Mạch công suất ngõ ra 67Hình 3.32: Mạch điện điều khiển đảo chiều quay motor màn che nắng 68Hình 3.33: Nguyên lý mạch truyền dữ liệu giữa ECU và PC 69

Hình 4.5: Mức giảm nhiệt độ trong ngày bằng hệ thống làm mát cooling pad 72Hình 4.6: Chế tạo và lắp đặt hệ thống làm mát cooling pad 73Hình 4.7: Kết cấu hệ thống đóng/mở cửa thông khí trên mái nhà kính 73Hình 4.8: Hệ thống điều khiển trung tâm sau khi lắp đặt hoàn chỉnh 74

Hình 5.1: Nhà kính lắp hệ thống kiểm soát vi khí hậu khi thực nghiệm 76Hình 5.2: Dụng cụ đo ULAB 006p CMA và các cảm biến ghi lại dữ liệu thời tiết 77Hình 5.3: Dụng cụ đo bức xạ mặt trời và đo nhiệt độ bầu ướt, bầu khô 77

Hình 5.5: Ghi dữ liệu thực nghiệm tự động trên máy tính 78Hình 5.6: Nhiệt độ trong nhà kính ứng với các giá trị tham chiếu khác nhau 80Hình 5.7: Ẩm độ trong nhà kính ứng với các giá trị tham chiếu khác nhau 82Hình 5.8: Nhiệt độ và ẩm độ trong nhà kính khi thực nghiệm 83Hình 5.9: Ảnh hưởng của các giải pháp làm mát đến nhiệt độ trong nhà kính 84Hình 5.10: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường 85Hình 5.11: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của bức xạ và nhiệt độ bên ngoài

Hình 5.12: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của bức xạ và ẩm độ tương đối

Hình 5.13: Các giải pháp làm mát dưới ảnh hưởng của ẩm độ tương đối bên ngoài

Hình 5.14: Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào nhiệt độ và ẩm độ

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

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:

- 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

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

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

- 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

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

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)

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

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

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

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]

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý xác định nhiệt hấp thụ của cây trồng trong nhà kính

Theo Joe J Hanan, 1998, nhiệt độ mà cây trồng hấp thụ được xác định bởi

mô hình (2.4) và theo phương trình :

R dir + R dif – R ref ± R lw ± H s – H w – P + M ± S = 0 (2.1) Trong đó :

R dir : nhiệt bức xạ trực tiếp từ mặt trời

R dif : nhiệt bức xạ phân tán

R lw : nhiệt bức xạ có bước dài

R ref : nhiệt bức xạ có bước ngắn

H s : nhiệt đối lưu giữa cây trồng và không khí

H w : ẩn nhiệt thoát ra từ cây

P : năng lượng quang hợp

M : năng lượng thải ra từ hô hấp

S : năng lượng tích tụ trên cây trồng

Theo Bùi Hải (2004), Tính toán thiết kế hệ thống điều hòa không khí theo

phương pháp mới, nhiệt lượng do bức xạ mặt trời gây nên trong nhà kính được tính

(2.3)

t N.ef : nhiệt độ không khí thực trên mái

t T : nhiệt độ không khí trong phòng

t N : là nhiệt độ ngoài trời

Tổng lượng nhiệt cần phải khử để thông thoáng cho nhà kính là:

C s – hằng số bức xạ mặt trời C s = 1360 (W/m 2 )

K s – hệ số phụ thuộc theo mùa Mùa hè Ks = 0,97 Mùa đông Ks = 1

h và  - tương ứng là góc phương vị mặt trời, độ

F – diện tích bề mặt nhận bức xạ (theo phương nằm ngang), m 2

s – hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của bề mặt nhận bức xạ

k – hệ số truyền nhiệt qua kết cấu bao che, W/m 2 K

N – hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt bao che tới không khí ngoài trời, W/m 2 K Nhiệt truyền qua thành vách do thẩm thấu qua kết cấu bao che chủ yếu do

có thể được bao gồm trong cấu trúc nhà kính

Hình 2.6: Mô hình làm mát nhà kính

Màng phủ giảm sáng và lưới cắt nắng aluminet:

Hình 2.7: Lưới cắt nắng Aluminet

Vòi phun làm mát coolnet:

Hình 2.8: Vòi phun sương làm mát nhà kính

Hệ thống làm mát cooling pad: [7]

Hình 2.9: Làm mát kiểu cooling pad

Lưới cắt nắng Aluminet

Nguyên lý làm mát kiểu cooling pad là làm tăng độ ẩm bên trong nhà kính nhờ luồng không khí khô từ bên ngoài đi qua tấm đệm phun ẩm, do vậy làm giảm nhiệt độ bên trong nhà kính Tuy nhiên, phương pháp này làm tăng ẩm trong nhà nên dễ gây bệnh cho cây, do đó không phù hợp cho vùng có ẩm độ tương đối không khí cao (RH > 80%) Được thể hiện qua biểu đồ:

Hình 2.10: Biểu đồ thể hiện vùng không phù hợp sử dụng cooling pad 2.1.4.2 Ẩm độ

Độ ẩm tuyệt đối của không khí là khối lượng của hơi nước có trong 1m3không khí ẩm, (kg/m3 không khí ẩm) Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối trên độ ẩm tuyệt đối lớn nhất ứng với nhiệt độ nào đó của không khí ẩm

Độ ẩm không khí thấp sẽ làm cho cây bị khô do hiện tượng chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong cây và trong không khí Ngược lại, ẩm độ quá cao làm cho cây trồng trong nhà kính dễ bị bệnh Độ ẩm cần thiết phụ thuộc vào yêu cầu nông học của từng loại cây trồng, ứng với từng thời điểm sinh trưởng cụ thể

2.1.4.3 Ánh sáng

Ánh sáng là yếu tố quan trọng và cần thiết khi sản xuất trong nhà lưới, nhà kính Có đến 90 - 95% năng suất cây trồng do quang hợp mà có Ánh sáng đầy đủ làm tăng bề dày của mô, tăng hàm lượng diệp lục trong lá, thúc đẩy quá trình quang hợp Yêu cầu ánh sáng của cây rất khác nhau Có những cây cần ánh sáng mạnh, có những cây cần ánh sáng yếu Hầu hết các loại rau phát triển tốt với cường độ ánh sáng từ 10,000 lux – 20,000 lux, khi đó sẽ cho năng suất cao và chất lượng tốt

Trong ánh sáng tán xạ có nhiều thành phần ánh sáng đỏ và lam tím Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ nhiều nhất, kế đến là ánh sáng lam tím Ánh sáng lam tím còn làm tăng hàm lượng vitamin và làm tăng phẩm thành phẩm

Ánh sáng thay đổi sẽ làm diễn biến các quá trình quan trọng như: quang tổng hợp, sự nảy mầm của hạt, sự lớn lên của lá, sự thoát hơi nước và sự ra hoa.v.v… thay đổi theo Ánh sáng đầy đủ sẽ làm tăng bề dầy của mô, tăng hàm lượng diệp lục, thúc đẩy quá trình quang hợp Trái lại,trong điều kiện thiếu ánh sáng cây sinh trưởng khó khăn, hàm lượng diệp lục giảm, thịt lá mềm và xốp, gian bào chứa đầy nước, do đó làm giảm khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi Quá trình quang

hợp của cây bị ngừng ở cường độ ánh sáng 4.31 lux [6]

2.1.4.4 Thông thoáng

Hệ thống thông khí giúp làm loãng không khí có chứa hơi nước và các chất gây độc hại do phân, cây trồng thải vào không khí Tạo ra sự trao đổi không khí bên trong và bên ngoài nhà kính, giúp cây trồng hô hấp, quang hợp và sinh trưởng trong điều kiện tối ưu nhất

Khi gió thổi vào nhà kính sẽ tạo ra trên mặt nhà những trị số áp suất khác nhau Áp suất tuyệt đối trên mái nhà khi có gió thổi vào sẽ được biểu diễn bằng công thức:

- Vgió : vận tốc gió thổi, m/s

-  : trọng lượng riêng của không khí, kG/m 3

- g : gia tốc trọng trường, m/s 2

- k : hệ số khí động của gió trên bề mặt nhà

(k là hệ số được xác định bằng thực nghiệm, nó không phụ thuộc vào vận tốc gió mà chỉ phụ thuộc vào góc gió thổi  so với trục của nhà Đầu gió: kmax = 0,8, thường lấy k = 0,5 – 0,6.)

(Gió thổi vuông góc với trục nhà) (Gió thổi với góc  < 90 0 )

Hình 2.11: Áp suất gió tác động vào nhà

Ghi chú:

- Vùng I - vùng chuyển động ổn định được phục hồi sau khi bị rối loạn; áp

suất tĩnh tương đối = 0;

- Vùng II - vùng quẩn gió, trong vùng này áp suất gió âm;

- Vùng III - vùng hãm gió, áp suất gió dương

Mô hình thông thoáng cho nhà kính được Hanan, 1998 đưa ra theo hai kiểu dòng không khí thổi ngang theo và dòng không khí thổi dọc theo nhà lưới:

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý thông thoáng cho nhà kính theo Hanan, 1998 Phương pháp thông thoáng trong nhà kính

Có hai phương pháp chính thông thoáng cho nhà kính là thông thoáng tự nhiên (natural ventilation) và thông thoáng cưỡng bức (force ventilation) Sơ đồ được cho trong hình 2.13:

Hình 2.13: Sơ đồ thông thoáng khí tự nhiên và cưỡng bức bằng dùng quạt

Thông thoáng hợp lý không những giảm nhiệt độ mà còn phân bố nhiệt trong nhà đồng đều (hình 2.14):

Hình 2.14: Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt

Hình 2.15: Hệ thống quạt thông thoáng trong nhà kính

Bố trí quạt để tạo đối lưu cưỡng bức làm giảm nhiệt độ, ẩm độ trong nhà:

Hình 2.16: Phân bố gió cưỡng bức nhờ bố trí quạt trong nhà kính

Hình 2.17: Dạng quạt thông khí nhà kính cưỡng bức từ vách hông

Ngoài ra khi trời nóng không mưa, rèm mái và rèm hông có thể được cuốn lên để tăng thông thoáng trong nhà kính:

Hình 2.18: Cấu trúc rèm mái và rèm hông

2.2 Điều khiển tự động cho nhà trồng cây

Hệ thống điều khiển tự động cơ bản sử dụng trong nhà kính gồm có:

- Bộ phận chính là một hệ đo và chuyển đổi các đại lượng: nhiệt độ, độ ẩm, thông lượng ánh sáng Nhà màng hiện đại còn đo cả tốc độ gió, báo mưa

- Khối xử lý chuyên dụng (specific) hoặc xử lý theo các giải thuật điều khiển

đã được lập trình nạp vào (programmable)

- Phần động lực tác động đến các phần tử chấp hành như đóng/mở cửa, màn chắn, quạt, sưởi nóng và tưới

- Phần hiển thị các thông số điều khiển

Khối ghi dữ liệu Khối xử lý

Hình 2.19: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển

Tùy theo mức độ hiện đại của nhà trồng cây mà hệ điều khiển sẽ là:

- Loại đơn giản nhất là hệ điều khiển mở- đóng (On-Off controller) Ngõ ra

hoặc đóng hoặc mở và đương nhiên không có trang thái trung gian Hệ điều khiển

mở/đóng chỉ chuyển khóa khi nhân tố điều khiển ψ(t) vượt qua một giá trị đặt trước Tuy nhiên, hệ điều khiển sẽ mở đóng liên tục khi ψ(t) tăng giảm quanh giá trị đặt trước Lúc ấy cần phải thêm vào hệ điều khiển bộ phận vi sai mở-đóng (On-Off

differential) Nhờ đó ψ(t) sẽ vượt qua điểm đặt trước một khoảng đáng kể trước khi

ngõ ra đóng hoặc mở trở lại Hệ thống điều khiển theo phương pháp đóng-mở thường được sử dụng khi không cần độ chính xác quá cao

- Khi cần độ chính xác cao và làm việc ổn định, hệ điều khiển sẽ sử dụng các

giải pháp điều khiển phức tạp hơn như: Điều khiển tỷ lệ (Proportional controller) hay điều khiển tỷ lệ với hai thành phần điều chỉnh là tích phân (Integral) và đạo hàm (Derivative) để tạo thành bộ điều khiển PID hoàn chỉnh

Một số thiết kế của mô hình điều khiển tự động trong nhà kính:

Nghiên cứu của Nguyễn Văn Hùng, 2008, Trường ĐH Nông Lâm Tp.HCM:

Mô hình hệ thống được lựa chọn có kích thước 12mx24mx4,5m được thiết

kế cải tiến từ mô hình của Netafim (hình 2.18) Hệ thống tưới và các yếu tố tiểu khí hậu bên trong gồm nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng được điều khiển tự động Đồng thời

hệ thống có mái đón gió nâng hạ linh hoạt, lưới cắt nắng và hệ thống thông thoáng kèm theo

Các yếu tố môi trường bên trong nhà kính như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng được đo và chuyển về bộ phận điều khiển bằng các cảm biến với mức ổn định cao (sai số nhỏ hơn 5%) Nhiệt độ, gió thông thoáng được điều khiển bằng cách nâng

hạ (đóng, mở) mái thông thoáng và quạt hút Ẩm độ được điều khiển bằng hệ thống phun sương kết hợp với các bộ phận trên Chu kỳ tưới được điều khiển tùy theo loại cây trồng được điều khiển bằng PLC

Theo đó, điều khiển các yếu tố tiểu khí hậu bên trong thông qua các cơ cấu chấp hành như đóng mở cửa thông thoáng, phun sương làm mát, đóng mở lưới cắt nắng và điều khiển hệ thống quạt thông thoáng có thể giảm nhiệt độ trong nhà kính

từ 3 đến 50C khi khí hậu nóng bức và làm ấm không khí, tăng khoảng 2 đến 30C khi khí hậu lạnh Đồng thời ẩm độ trong nhà kính có thể được khống chế không cho tăng quá 85%, tránh gây hại cho cây trồng

Nguồn: Nguyễn Văn Hùng, 2008, Trường ĐH Nông Lâm Tp.HCM

1-Cửa ra vào 2-Lưới chống côn trùng 3-Cửa thông khí 4-Lưới cắt nắng 5-Thanh giằng

Hình 2.20: Nhà kính điều khiển tự động bằng PLC

Nghiên cứu của Wei Fang, Yu-Wei Chen and Ching-Yuan Lin Dept, năm

2007, lắp đặt tại Dalat_Hasfarm dùng PLC, có giao diện điều khiển:

Nguồn: Wei Fang, 2007

Hình 2.21: Giao diện điều khiển tự động nhà kính lắp đặt ở Dalat_Hasfarm

2.3 Giải thuật PID [33][35]

2.3.1 Tổng quan giải thuật PID

PID – Propotional – Integral – Derivative tuy xuất hiện rất lâu, nhưng đến

nay vẫn được xem là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng

điều khiển tự động với yêu cầu chính xác (accurate), đáp ứng nhanh (fast response),

ổn định (small overshot) Tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt: giá trị tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D), viết tắt là P, I, và D

Giá trị tỉ lệ (P) xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân (I) xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân (D) xác định tác động

của tốc độ biến đổi sai số Tổng của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình

thông qua một phần tử điều khiển P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay

đổi hiện tại Sơ đồ khối của giải thuật được cho trong sơ đồ sau:

Hình 2.22: Sơ đồ khối của giải thuật PID

Trong đó:

Error (e): là sai số của yếu tố điều khiển trên thực tế với giá trị mong muốn

K P , K I , K D: là các hằng số ứng với từng khâu trong bộ điều khiển

Đáp ứng của bộ điều khiển được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số, giá trị mà

bộ điều khiển vọt lố so với giá trị mong muốn và giá trị dao động của hệ thống

Bộ PID được mô tả bằng mô hình vào/ra:

dt

t de T d e T t e K t u

0

1 ) ( )

Phương pháp Ziegler- Nichols là phương pháp thực nghiệm để xác định tham

số của bộ điều khiển, bằng cách dựa vào đáp ứng quá độ của đối tượng điều khiển Tùy theo đặc điểm của đối tượng điều khiển mà Ziegler-Nichols đã đưa ra hai phương pháp lựa chọn tham số:

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: phương pháp này áp dụng cho các

đối tượng có đáp ứng đối với tín hiệu vào là hàm nấc có dạng chữ S (hình 2.13) như điều khiển nhiệt độ, tốc độ động cơ…

Hình 2.23: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng chữ S

Thông số của bộ điều khiển được cho trong bảng sau:

Bảng 2.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất

9.0

kT

T

3.0

2.1

kT

T

1

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp này áp dụng cho đối

tượng có khâu tích phân lý tưởng như mực chất lỏng trong bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… Đáp ứng quá độ của hệ hở tăng đến vô cùng Phương pháp này được thực hiện như sau:

k th Đối tượng điều khiển

Hình 2.24: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn

- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại tới hạn:

- Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên ổn định,

tức là hàm đầu ra có dạng dao động điều hòa

- Xác định chu kỳ Tth của dao động

Hình 2.25: Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth

Thông số của bộ điều khiển được cho trong bảng sau:

Bảng 2.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai

Hình 2.26: Đáp ứng nấc thích hợp cho phương pháp Chien-Hrones-Reswick

Phương pháp Chien-Hrones-Reswick đưa ra bốn cách xác định tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau:

Bảng 2.3: Các tham số PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick-1

h lim ( ):