Bài viết trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển phi tập trung và điều khiển tách kênh cho hai thông số nhiệt độ và độ ẩm của lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh.
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VI KHÍ HẬU TRONG LỒNG NI DƯỠNG TRẺ SƠ SINH Nguyễn Thu Hà * Tóm tắt: Lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh (LNDTSS) thiết bị y tế quan trọng cần thiết, nhiệm vụ lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh giữ ổn định thân nhiệt trẻ nhiệt độ thích hợp cho sống phát triển trẻ Trong LNDTSS đại trang bị thêm hệ thống điều chỉnh độ ẩm, nồng độ khí oxy thiết bị điều trị khác như: đèn tử ngoại để điều trị bệnh vàng da, cân điện tử, hệ thống theo dõi Đây đối tượng hai đầu vào hai đầu ra, hai biến điều khiển điện áp cấp cho sợi đốt phần trăm độ mở van, hai biến cần điều khiển nhiệt độ độ ẩm lồng Bài báo trình bày phương pháp thiết kế điều khiển phi tập trung điều khiển tách kênh cho hai thông số nhiệt độ độ ẩm lồng ni dưỡng trẻ sơ sinh Từ khóa: Điều khiển nhiệt độ; Điều khiển độ ẩm; Lồng ấp trẻ sơ sinh ĐẶT VẤN ĐỀ Lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh (LNDTSS) thiết bị y tế quan trọng sử dụng cho trẻ sinh mổ sinh non Tại bệnh viện, LNDTSS mua từ nước với giá thành cao ( 10000 – 27000USD/chiếc) hỏng hóc việc khơi phục gặp nhiều khó khăn khơng có vật tư thay Ở Việt Nam, có số đề tài nghiên cứu thiết kế LNDTSS [1, 2], nhiên, ứng dụng chưa rộng rãi Đây đối tượng nhiều chiều năm gần có nhiều thuật toán điều khiển đại áp dụng cho LNDTSS điều khiển mờ [3, 4], mạng nơ ron [5], điều khiển dự báo [6], etc Bài báo trình bày phần kết đề tài [2], phương pháp điều khiển phi tập trung điều khiển tách kênh cho hệ thống điều khiển nhiệt độ độ ẩm môi trường lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VI KHÍ HẬU TRONG LNDTSS 2.1 Cấu tạo LNDTSS Đối tượng nghiên cứu LNDTSS ATOM-V80 sử dụng rộng rãi Việt Nam [7] LNDTSS ATOM-V80 trình bày hình LNDTSS ATOM-V80 có kích thước 920x430x685mm, công suất đốt 300W, dải nhiệt độ điều chỉnh 25 – 37°C, độ xác: 0.25% Ưu điểm ATOM-V80 điều khiển liên tục, nhược điểm chức hiển thị điều khiển hạn chế 2.2 Hệ thống điều khiển vi khí hậu Hệ thống vi khí hậu bao gồm thành phần bản: hệ thống tuần hồn khí, hệ thống điều khiển nhiệt độ, hệ thống điều khiển độ ẩm, cấu điều khiển nồng độ ôxy hệ thống báo động Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vi khí hậu trình bày hình 150 Hình LNDTSS ATOM-V80 Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu lồng ni dưỡng trẻ sơ sinh.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vi khí hậu - Hệ thống điều khiển nhiệt độ bao gồm điều khiển nhiệt độ K1, cảm biến nhiệt độ khơng khí C1, cảm biến an tồn C2, cảm biến nhiệt độ da C3, buồng tạo nhiệt độ B1, phần tử sinh nhiệt S Hệ thống điều khiển nhiệt độ thành phần quan trọng nhất, đòi hỏi phải điều khiển giám sát với độ xác cao Có hai thành phần cần quan tâm nhiệt độ lồng nhiệt độ thân nhiệt bé Nhiệt độ lồng cho phép biến thiên từ 29 – 36oC, nhiệt độ thân nhiệt từ 36 – 39oC với bước thay đổi nhỏ 0.1oC - Hệ thống điều khiển độ ẩm bao gồm điều khiển độ ẩm K2, cảm biến đo độ ẩm C4, buồng tạo độ ẩm B2, van điều chỉnh lưu lượng khơng khí ẩm V3 Hệ thống điều khiển độ ẩm có nhiệm vụ tạo ổn định độ ẩm lồng nuôi dưỡng giá trị phù hợp với trường hợp cần chăm sóc Độ ẩm lồng trì dải từ 40 – 85% với bước thay đổi nhỏ 5% - Hệ thống điều khiển nồng độ ôxy van điều khiển lưu lượng ơxy - Hệ thống báo động gồm có khối báo động K3, rơle an toàn thiết bị thu phát tín hiệu báo động ( đèn, còi) Hệ thống thực cảnh báo nhằm đảm bảo an toàn cho trẻ trường hợp xảy cố THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Sau thiết kế, chế tạo mạch đo điều khiển, tiến hành lắp ráp mơ hình hồn chỉnh, bước phải xác định thông số điều khiển 3.1 Xác định hàm truyền đạt đối tượng Trong LNDTSS, điện áp xoay chiều cấp cho sợi đốt Sợi đốt nóng lên tạo cơng suất toả nhiệt Nhiệt đốt nóng luồng khơng khí dẫn vào lồng thay đổi nhiệt độ lồng Một phần luồng khơng khí đưa vào lồng đưa qua bình nước, làm cho nước bình bốc tạo thành ẩm Lượng ẩm cấp cho lồng thông qua van Đây đối tượng hai vào hai Hai tín hiệu vào điện áp cấp cho sợi đốt phần trăm độ mở van Hai tín hiệu nhiệt độ độ ẩm lồng Sơ đồ cấu trúc đối tượng vi khí hậu biểu diễn hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 151 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông V W11 (s) t0 W21 (s) W12 (s) % W22(s) RH Hình Sơ đồ cấu trúc đối tượng vi khí hậu Để xác định mơ tả tốn học lồng ấp dùng phương pháp giải tích thực nghiệm Tuy nhiên, phương pháp giải tích khó xác định hệ số nhiệt vật lý lồng ấp chọn phương pháp thực nghiệm Xác định hàm truyền đạt W11(s), W21(s) ta giữ % độ mở van không đổi thay đổi điện áp xoay chiều V=60VAC thu đường đặc tính hình Từ đường đặc tính ta xác định theo phương pháp điểm qui chiếu theo [8]: W11 ( s ) 0,58e 90 s 1796 s W21 ( s ) 0, 4e 92 s 1100 s (1) (2) Hình Đường đặc tính thay đổi điện áp Xác định hàm truyền đạt W22(s), W12(s) Hai hàm truyền W22(s), W12(s) thể ảnh hưởng % độ mở van nhiệt độ độ ẩm Biểu diễn hình Hình Đặc tính q độ thay đổi kênh độ ẩm 152 Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Từ đường đặc tính thu ta nhận thấy hàm truyền đạt kênh độ ẩm, ảnh hưởng kênh độ ẩm tới nhiệt độ có dạng khâu qn tính bậc có trễ, thời gian trễ vận chuyển nhỏ ta bỏ qua W 22 (s)= 1, 67.103 e0,02 s 45s (3) W 12 (s)= 5,56.104 e 0,18 s 255s (4) Ta nhận thấy nhiệt độ thay đổi (tăng) độ ẩm thay đổi theo (giảm) với thời gian quán tính nhỏ Khi độ ẩm thay đổi (tăng), nước thu nhiệt bốc làm cho nhiệt độ thay đổi (giảm) Nhưng thực tế (đồ thị thực nghiệm) ta thấy nhiệt độ lại tăng Nguyên nhân lượng nước nhỏ làm thay đổi nhiệt độ, đồng thời độ mở van lớn làm tăng lượng khơng khí nóng, đó, nhiệt độ tăng theo Tuy nhiên, thay đổi nhỏ (≈ 0,10C), đó, thiết kế điều khiển ta bỏ qua ảnh hưởng (tương tự [6] G12(s) = 0) 3.2 Thiết kế điều khiển 3.2.1 Bộ điều khiển phi tập trung Xét hệ thống hệ có hai kênh độc lập, có nghĩa không xét đến ảnh hưởng kênh với tiêu chất lượng hệ thống điều khiển vi khí hậu là: - Khơng có độ điều chỉnh : % - Không có sai lệch tĩnh: ess = - Thời gian độ nhỏ (khoảng 15 phút) - Xác định thông số điều khiển cho riêng kênh nhiệt độ: Sơ đồ khối hệ thống với riêng kênh nhiệt độ mơ tả sau: X1 PI1 W11 Y1 Hình Hệ thống điều khiển với riêng kênh nhiệt độ Với đối tượng: W11 ( s ) 0,58e 90 s 1796 s Dùng công cụ turning Matlab ta xác định thống số điều khiển là: WPI ( s ) 15(1 ) 1886 s (5) Mơ lại hệ thống ta có đặc tính đường nhiệt độ hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 153 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông 35 30 Nhiet (oC) 25 20 15 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Thoi gian (s) 3500 4000 4500 5000 Hình Đáp ứng kênh nhiệt độ - Xác định thông số điều khiển cho riêng kênh độ ẩm: Sơ đồ khối hệ thống với riêng kênh độ ẩm mô tả sau: X2 PI2 Y2 W22 Hình Hệ thống điều khiển với riêng kênh độ ẩm Dùng phương pháp tối ưu module để thiết kế điều khiển cho đối tượng W22 ( s ) 1, 67 *103 45s Sau đó, chỉnh định cơng cụ turning Matlab, ta có điều khiển: WPI ( s ) 299, 4(1 ) 45 s (6) Mơ lại hệ thống ta có đặc tính đường độ ẩm hình Dap ung duong am voi Kp=299.4 v Ti=45 80 70 60 50 40 30 20 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Hình Đáp ứng kênh độ ẩm 154 Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu lồng ni dưỡng trẻ sơ sinh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Với điều khiển thiết kế ghép nối vào hệ thống, thay đổi giá trị đặt nhiệt độ (hình 10) ta thấy đường độ ẩm bị thay đổi theo Dap ung cua he thong 90 kenh nhiet Kenh muc 80 70 60 50 40 30 20 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Hình 10 Khi thay đổi giá trị đặt củanhiệt độ độ ẩm Như vậy, có ảnh hưởng tương tác kênh với Để loại bỏ ảnh hưởng ta thiết kế điều khiển tách kênh 3.2.2 Bộ điều khiển tách kênh Do bỏ qua thành phần ảnh hưởng kênh độ ẩm lên kênh nhiệt độ nên hệ thống điều khiển bù sau: Hình 11 Sơ đồ mơ hệ thống có bù Trong đó, hàm truyền đạt mạch bù tính tốn [9] sau: W21(s)+B2.W22(s)=0 B2 W21 ( s ) 45s 92 s 239,5 e W22 ( s ) 1100 s (7) Khi đó, ta có đáp ứng hệ thống thay đổi nhiệt độ độ ẩm hình 12 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 155 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Dap ung cua he thong co bu Kenh nhiet Kenh am 80 70 60 50 40 30 20 10 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Hình 12 Khi thay đổi giá trị đặt nhiệt độ độ ẩm Mô hệ thống với thống số điều khiển xác định 3.2.1, ta thấy, kết đạt chất lượng tốt Khi thay đổi giá trị khơng ảnh hưởng tương tác kênh Với kết mô ta thấy khơng có q điều chỉnh, sai lệch tĩnh 0, thời gian độ khoảng 450s khơng ảnh hưởng tương tác sử dụng điều khiển tách kênh, kết tương tự điều khiển dự báo [6] điều khiển mờ [4] KẾT LUẬN LNDTSS đối tượng nhiều đầu vào nhiều đầu ra, thiết kế theo điều khiển phi tập trung chất lượng hệ thống có ảnh hưởng tương tác với đầu vào đầu ra, thiết kế theo nguyên tắc tách kênh chất lượng tốt Hướng phát triển tiếp nghiên cứu phát triển thuật toán đại điều khiển dự báo tuyến tính hóa đoạn mạng nơ ron bổ sung thêm hệ thống điều khiển nồng độ oxy Lời cảm ơn: Tác giả cảm ơn giúp đỡ ý tưởng khoa học TS Nguyễn Văn Hòa, nhóm sinh viên Lê Chí Kiên Nguyễn Văn Minh xây đựng mơ hình đối tượng nhiều chiều TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Diên Tập, Lê Kim Tuyến Nguyễn Kiêm Hùng (2006), "Nghiên cứu thiết kế chế tạo thử lồng ấp trẻ sơ sinh", (Đề tài NCKH QC.05.09) [2] Nguyễn Văn Hoà, Nguyễn Thu Hà, Nguyễn Việt Dũng Trịnh Miêng (2007), "Nghiên cứu điều khiển lồng ấp trẻ sơ sinh", (Đề tài B2005 -28-178) [3] Rui Lan Wang (2012), "The design of temperature and humidity control system in multi incubators based on fuzzy control", in Applied Mechanics and Materials Trans Tech Publ [4] Wei Long, Fugui Li, Liang Luo and Xingyuan Zhang (2015), "The design of temperature and humidity Control System for Incubation based on data fusion and fuzzy decoupling", in Mechatronics and Automation (ICMA), 2015 IEEE International on IEEE [5] Ghada M Amer and Kasim M Al-Aubidy (2005), "Novel Technique to Control the Premature Infant Incubator System Using ANN", in Proceedings of Third International Conference on Systems, Signals & Devices (SSD 2005), Sousse, Tunisia [6] MA Zermani, E Feki and A Mami (2013), "GPC multivariable control applied to temperature and humidity neonate incubators", in Electrical Engineering and Software Applications (ICEESA), 2013 International Conference on IEEE 156 Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [7] "Replacement parts list and service Conference manual model V80 Atom transport incubator", (1999) A.m corporation [8] Hoàng Minh Sơn (2009), "Cơ sở hệ thống điều khiển q trình", Nhà xuất Bách Khoa [9] Hồng Minh Sơn (2013), "Bài giảng Điều khiển trình nâng cao" ABSTRACT TEMPERATURE AND HUMIDITY CONTROL SYSTEM FOR A BABY INCUBATOR A baby incubator is an important and essential medical device; The primary task of the baby incubator is to keep a certain temperature for the child's body and its development The modern baby incubator is equipped with systems to adjust the oxygen level and other equipment such as UV lamps for treatment of jaundice, electronic scales, and monitoring systems This is an object of two-input and twooutput, the two control variables are the voltage supplied to the reheat coil and the percentage of the valve opening, the two controlled variables are the temperature and humidity in the baby incubator This article describes how to design methodologies of decentralized and decoupling controlfor temperature and humidity controllers of the baby incubator Keywords: Temperature controller; Humidity controller; Baby incubator; MIMO Nhận ngày 25 tháng năm 2017 Hoàn thiện ngày tháng năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2017 Địa chỉ: Bộ môn Điều khiển tự động – Viện Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Email: ha.nguyenthu3@hust.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 157 ... kênh độ ẩm 154 Nguyễn Thu Hà, Hệ thống điều khiển vi khí hậu lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Với điều khiển thiết kế ghép nối vào hệ thống, thay đổi giá trị đặt nhiệt...Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vi khí hậu - Hệ thống điều khiển nhiệt độ bao gồm điều khiển nhiệt độ K1, cảm biến nhiệt độ khơng khí C1, cảm biến an toàn C2,... Conference on IEEE 156 Nguyễn Thu Hà, Hệ thống điều khiển vi khí hậu lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ [7] "Replacement parts list and service Conference manual model V80