Thiết kế hệ thống điều chỉnh quá trình tưới tiêu rau màu sạch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH QUÁ TRÌNH TƯỚI TIÊU RAU MÀU SẠCH Người hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN HOA LƯ Sinh viên thực : MAI SỸ CÔNG Lớp : 54K1 – KTĐK&TĐH Nghệ An, 05-2018 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ĐỒ ÁN DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SẢN XUÂT RAU MÀU 1.1.Thực trạng sản xuất rau Việt Nam giới 1.2.Các phương pháp tưới 1.3.Vai trò tự động hóa q trình sản xuất 1.4.Ứng dụng tự động hóa sản xuất 1.5.Thành tựu tự động hóa q trình sản xuất 1.6.Mục đích ý nghĩa việc điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu 1.7 Logic mờ ứng dụng 1.8.Ứng dụng điều khiển mờ 1.9.Kết luận CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG TƯỚI PHUN RAU SẠCH 2.1 Chế độn tưới nước cho rau 2.2 Bố trí sơ đồ hệ thống tưới phun mưa thông số kỹ thuật 2.3 Thiết kế hệ thống tưới phun mưa 2.4.Tính tốn thực tế kết thực nghiệm 2.5.Thiết kế giao diện mô 2.5.1.Xây dựng mô 2.5.2.Mô matlab 2.5.3.Mô wincc 2.6.Kết luận KẾT LUẬN CHUNG 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Nguyễn Hoa Lư trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ em hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn đến thầy cô chuyên ngành Kỹ Thuật - Ðiều Khiển & Tự Ðộng Hóa, Viễn Kỹ Thuật - Cơng Nghệ trường Ðại học Vinh giảng dạy giúp đỡ em suốt năm học vừa qua để em nhắm vững kiến thức để thực đồ án tốt nghiệp Em xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè nguồn động viên giúp đỡ em trình học tập thực đồ án Do nhiều hạn chế kiến thức thời gian nên cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý q thầy bạn bè để em hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn.! Người thực Mai Sỹ Cơng TĨM TẮT ÐỒ ÁN Ðồ án “Thiết kế hệ thống điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu sạch” đáp ứng yêu cầu cần thiết cho công tác sản xuất nông nghiệp Qua đề tài em hoàn thành mục tiêu hệ thống điều khiển ngày nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Hệ thống hoạt động ổn định đảm bảo độ xác có nhiều ứng dụng thực tế SUMMARY OF THE PROJECT " Design the irrigation process control system of vegetables " meets the requirements for agricultural production Through this project, the goal of the control system is to improve the quality of automated control systems The system is stable and has a lot of practical applications DANH MỤC HÌNH Em xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS Nguyễn Hoa Lư trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn đến thầy cô chuyên ngành Kỹ Thuật - Ðiều Khiển & Tự Ðộng Hóa, Viễn Kỹ Thuật - Công Nghệ trường Ðại học Vinh giảng dạy giúp đỡ em suốt năm học vừa qua để em nhắm vững kiến thức để thực đồ án tốt nghiệp Em xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè nguồn động viên giúp đỡ em trình học tập thực đồ án Do nhiều hạn chế kiến thức thời gian nên cịn nhiều thiếu sót Em mong nhận góp ý q thầy bạn bè để em hồn thiện đồ án Em xin chân thành cảm ơn.! Người thực Mai Sỹ Công TÓM TẮT ÐỒ ÁN Ðồ án “Thiết kế hệ thống điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu sạch” đáp ứng yêu cầu cần thiết cho công tác sản xuất nông nghiệp Qua đề tài em hoàn thành mục tiêu hệ thống điều khiển ngày nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Hệ thống hoạt động ổn định đảm bảo độ xác có nhiều ứng dụng thực tế SUMMARY OF THE PROJECT MỞ ĐẦU 1.1.Thực trạng sản xuất rau Việt Nam giới 10 Hình 1.2 Rau bị nhiễm bẩn Việt Nam 10 Hình 1.3 Cơng nghệ trồng rau Israel 12 1.2.Các phương pháp tưới 13 Bảng 1.1 Quan hệ độ dốc mức tưới 17 Bảng 1.2 Hệ số K 19 1.3.Vai trò tự động hóa q trình sản xuất 19 1.4.Ứng dụng tự động hóa sản xuất 20 1.5.Thành tựu tự động hóa trình sản xuất 22 1.6.Mục đích ý nghĩa việc điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu 22 1.7 Logic mờ ứng dụng 23 1.8 Ứng dụng điều khiển mờ 23 1.9.Kết luận 24 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG TƯỚI PHUN RAU SẠCH 25 Bảng 2.1 Hệ số hoa màu 26 2.2 Bố trí sơ đồ hệ thống tưới phun mưa thông số kỹ thuật 27 Bảng 2.2 Cường độ phun mưa 28 2.3 Thiết kế hệ thống tưới phun mưa 30 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí tổ hợp vịi phun 31 Bảng 2.3 Chỉ số lưu lượng đường kính 34 2.4.Tính toán thực tế kết thực nghiệm 34 Hình 2.2 Sơ đồ vịi phun 36 2.5.Thiết kế giao diện mô 38 Hình 2.3 Mơ hình hệ thống tưới tổng quát 39 Hình 2.4 Mơ hình vật lý 39 Hình 2.6 Tập mờ 41 Hình 2.8 Biến sai lệch độ ẩm ET 43 Hình 2.10 Miền tần số biến tần 44 Hình 2.12 Mơ hình điều khiển tưới mờ 45 Hình 2.14 Luật điều khiển không gian 46 KẾT LUẬN CHUNG 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Quan hệ độ dốc mức tưới 15 Bảng 1.2 Hệ số K 17 Bảng 2.1 Hệ số hoa màu 23 Bảng 2.2 Cường độ phun mưa 25 Bảng 2.3 Chỉ số lưu lượng đường kính 29 MỞ ĐẦU Từ xưa người sinh sống với dụng cụ thô sơ rìu, búa đá, dùng dụng cụ tự nhiên dân số người cịn thấp tài nguyên thiên nhiên dồi Thế ngày giới ngày phát triển tài nguyên thiên nhiên dần cạn kiệt môi trường ô nhiễm khắp nơi nhu cầu sống hưởng thụ người ngày cao, dân số giới ngày tăng vọt làm cho nhu cầu sử dụng sản phẩm ngày lớn Để giải vấn đề có đường ứng dụng tự động hóa vào sản xuất Các nước giới sớm nhận biết điều ứng dụng tự động hóa vào sớm, kết họ sớm có sản xuất đại cơng nghiệp đưa thị trường hang loạt sản phẩm số lượng lớn, chất lượng cao tăng thu nhập chon quốc gia Anh, Pháp, Mỹ…chính cơng nghệ tự động hóa cao ứng dụng vào sản xuất đưa quốc gia trở thành cường quốc giàu mạnh có vị cao trường quốc tế Nước ta thuộc nhóm nước đàng phát triển với kinh tế nông nghiệp truyền thống, qua nhiều thập niên trở lại nông nghiệp Việt Nam ngày phát triển mạnh, đến kinh tế giới chuyển mạnh sang ngành công nghiệp dịch vụ đặc biệt dịch vụ công nghệ thông tin, với Việt Nam nơng nghiệp ngành có đóng góp đáng kể vào tổng thu nhập quốc dân Tuy nhiên ngày nhu cầu sản phẩm nông nghiệp khơng đơn giản số lượng mà cịn đảm bảo số lượng chất lượng môi trường ô nhiễm trầm trọng, việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật bừa bãi làm ô nhiễm vào sản phẩm nông nghiệp vấn đề xúc tồn thể xã hội Do tiến hành nghiên cứu đề tài “Thiết kế hệ thống điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu ” Em mong nhận nhiều đóng góp, bổ sung ý kiến thầy cô bạn để đồ án ngày hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Nghệ An, tháng năm 2018 Người thực Mai Sỹ Công CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT RAU 1.1 Thực trạng sản xuất rau Việt Nam giới 1.1.1 Thực trạng Việt Nam Nông nghiệp nước ta chiếm vị trí quan trọng kinh tế quốc dân đạt thành tựu vô to lớn, từ chỗ thiếu lương thực tới trở thành nước xuất gạo đứng hàng đầu giới Hàng loạt trồng có xuất cao ngắn ngày thay cổ truyền suất thấp vùng chuyên canh rau công nghiệp ngắn ngày hình thành thay cho cơng thức đa canh, xen canh Tất thay đổi tạo điều kiện cho nhiều loại sâu bênh phát triển bùng phát thành dịch Để đề phong sâu hại, nâng cao nắng suất chất lượng sản phẩm, người nghiên cứu đưa vào nhiều ứng dụng nhiều công thức trồng mà đặc biệt công nghệ sản xuất rau an tồn khơng dùng đất nhà lưới Với phát triển kinh tế nước ta đời sống nhân dân ngày cải thiện nhu cầu dinh dưỡng ngày cao, bữa ăn hàng ngày rau chiếm phần quan trọng rau có chứa hợp chất như: protein, lipit, axit hữu cơ… Con người yêu cầu rau ngày cao chủng loại rau ngày phong phú, đa dạng, đủ số lường tốt chất lượng đảm bảo an toàn thực phẩm Trong năm gần sản xuất nông nghiệp Đảng nhà nước quan tâm nên giải vấn đề an ninh lương thực thực phẩm phát triển chung ngành nông nghiệp, ngành sản xuất rau quan tâm phát triển mạnh theo thống kê diện tích trồng rau năm 2000 450.000 tăng 70% so với năm 1990 Trong tỉnh phía bắc có 249.000 chiếm 56% diện tích nước, tỉnh phía nam có 196.000 chiếm 44% diện tích canh tác Sản lượng rau đất nơng nghiệp hình thành từ hai vùng sản xuất Vùng sản suất rau chuyên canh ven thành phố khu cơng nghiệp chiếm 38-40% diện tích 45-50% sản lượng phcuj vụ cho tiêu dùng dân cư tập trung chủ yếu, chủng loại rau vùng đa dạng phong phú suất cao Vùng sản xuất luân canh với trồng khác chủ yếu vụ đơng-xn tỉnh phía bắc miền đông nam vùng sản xuất rau lớn cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến suất Hiện rau bị ô nhiễm nghiêm trọng nhiều nguyên nhân khác có Ơ nhiễm hóa chất bảo vệ thực vật theo viện bảo vệ thực vật Viêt Nam sử dụng 270 loại thuốc trừ bệnh, 160 loại thuốc trừ cỏ, 12 loại thuốc diệt chuột, 26 loại thuốc kích thích sinh trưởng với số lượng ngày tăng Tuy chủng loại nhiều thói quen sợ rủi ro hay hiểu biết mức độ độc hại hóa chất bảo vệ thực vật nên đa số hộ nông dân hay dùng số loại thuốc quen có độc tính cao,thậm chí bị cấm như: monitor, wofatox, DDT Dẫn tới ngày làm cho sản phẩm rau ngày ô nhiễm nặng Hàm lượng NO3 rau cao theo WHO hàm lượng NO3 liều lượng 4G/ngày gây ngộ độc 8g/ngày gây chết người nước ta Việc sử dụng phân hóa học khơng cao so với nước khu vực ảnh hưởng phân hóa học tới tích lũy rau nguyên nhân làm rau không nước ta quy định hàm lượng NO3 rau rau cải bắp 500 mg kilôgam cà chua 150 mg kilôgam dưa chuột 150 mg kilôgam Tồn dư kim loại nặng sản phẩm rau lạm dụng hóa chất bảo vệ thực vật với phân bón loại làm lượng NPK hóa học bảo vệ thực phẩm rửa tội xâm nhập vào mạch nước làm ô nhiễm mạch nước ngầm Theo Phạm Bình Quân hàm lượng kim loại nặng đặc biệt Asean Mai Dịch Mường tươi cao hẳn so với ruộng lúa nước kim loại nặng tiềm ẩn đất từ nguồn nước ô nhiễm qua nước tươi rau hấp thụ Vi sinh vật gây hại dầu sử dụng nước tươi có vi sinh vật gây hại tùy chưa thống kê tác hại lớn Do rau nguồn thực phẩm quan trọng đời sống người nên giải pháp ngành trồng rau nhanh chóng đưa tiến vào sản xuấtđặc điểm chung rau yêu cầu độ ẩm cao thường từ 85 đến 90% thiếu nước rau không sinh trưởng phát triển chúng cần nhiệt độ ổn định đưa rau vào sản xuất thủy canh không dùng đất phù hợp phương pháp nâng cao cách đáng kể suất cải thiện tương đối mặt ô nhiễm Để thực phương pháp thủy canh khâu quan trọng cung cấp dịch cho việc nên áp dụng tự động hóa cụ thể hệ thống tưới tự động tạo bước đột phá cho ngành sản xuất rau an toàn nước ta Hình 1.1 Mơ hình trồng sau rạch 10 2.5.1.2 Mơ hình tốn học Từ mơ hình vật lý ta xác định mơ hình tốn học phần tử riêng lẻ: • Khâu A/D: khâu giữ bậc không (ZOH) Hàm truyền : Chuyển sang hệ rời rạc: - Khâu D/A: khâu lấy mẫu với thời gian lấy mẫu T 2.5.1.3 Bộ điều khiển số(BĐK) Để cải thiện chất lượng hệ ta chọn thêm khâu điều khiển I ngõ vào kết hợp với khấu Fuzzy để điều khiển Khâu I thực nhờ phần mềm điều khiển gồm khâu sau Hình 2.5 Khâu Fuzzy Khâu I: khâu tích phân Hàm truyền: Khâu Fuzzy: Bước Định nghĩa biến vào Biến vào: 40 - Ta gọi sai lệch độ ẩm đất ET Sai lệch độ ẩm đất thay đổi khoảng (-4, +4)% - Ta gọi tốc độ sai lệch độ ẩm đất DET Tốc độ lệch ẩm thay đổi khoảng DET (-2, +2) Biến ra: - Tín hiệu ngõ điều khiển mờ tần số biến tần F (0,50)Hz Bước Chọn số lượng tập mờ Ta chọn giá trị cho biến ngõ vào - Đối với ET: NB,NM,NS,ZERO,PS,PM,PB - Đối với DET: NB,NM,NS,ZERO,PS,PM,PB - Chọn giá trị cho biến ngõ V: V1, V2, V3, V4, V5, V6 Bước 3: xác địn hàm liên thuộc Ta chọn tập mờ có hình thang tam giác 41 Hình 2.6 Tập mờ Bước 4: xây dựng luật điều khiển 42 Hình 2.7 Luật điều khiển Rời rạc hóa hàm liên thuộc Đối với biến vào sai lệch độ ẩm ET: Hình 2.8 Biến sai lệch độ ẩm ET Đối với biến vào sai lệch độ ẩm DET 43 Hình 2.9 Biến sai lệch độ ẩm DET Đối với biến V miền tần số biến tần Hình 2.10 Miền tần số biến tần Bước 5: giải mờ Dùng phương pháp trọng tâm Biểu diễn mơ hình với biến dạng vecto Đặt X=(x1, x2), y=( y1, y2) Mơ hình trở thành 44 Hình 2.11 Quan hệ vào đối tượng Với f(u) quan hệ vào đối tượng 2.5.2 Mơ matlab FIS Editor chương trình tạo lập điều khiển mờ bản, có chƣơng trình tạo lập hàm liên thuộc, chương trình soạn thảo hàm liên thuộc, … FIS Editor cho phép xác định số đầu vào, số đầu ra, đặt tên biến vào, biến Hình 2.12 Mơ hình điều khiển tưới mờ Để kiểm tra lại hoạt động điều khiển mờ ta vào view chọn view rules 45 Hình 2.13 Hoạt động luật tưới mờ Tại ô Input, ta nhập giá trị biến ngã vào để quan sát giá trị biến ngã Dựa sở luật điều khiển mờ, để xem luật điều khiển không gian, chọn View Surface menu View Hình 2.14 Luật điều khiển không gian Để mô tả cho mối liên hệ biến đầu vào đầu ra, áp dụng công thức Đặt 46 Trong biến đầu vào, t tốc độ bơm y1,x1 xác định qua thực nghiệm thực tế Sơ đồ hệ thơng điều khiển Hình 2.15 Mơ Simulink Hình 2.16 Khi hệ thống chưa thông qua điều khiển Thiết lập giá trị độ ẩm 37%, đường cong đầu mô điều khiển mờ mô điều khiển PID thể hình Từ đồ thị mơ thấy tốc độ phản ứng điều khiển PID nhanh so 47 với điều khiển mờ, tỷ lệ vượt qua lớn, hệ thống điều khiển mờ có tính ổn định hơn, phù hợp để kiểm sốt tưới Hình 2.17 Mơ đường cong PID Fuzzy 2.5.3 Mô wincc Hình 2.18 Chương trình PLC 48 Hình 2.19 Chương trình PLC Hình 2.20 Mơ wincc 49 Hình 2.21 Mơ báo đủ độ ẩm 2.6 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu đề tài gặp nhiều khó khăn với nộ lực cảu thân với hướng dẫn tẫn tình thầy giáo PGS TS Nguyễn Hoa Lư bạn đến đề tài tốt nghiệp hoàn thành Từ kết nghiên cứu đề tài “ Thiết kế điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu ” Chúng tơi đưa số kết luận • Đề tài nêu trình phát triển ngành tự động hóa q trình sản xuất rau nước giới, phân tích vai trị ý nghĩa ứng dụng hạn chế sản xuất • Nghiên cứu thiết bị phần cứng PLC S7-300 cụ thể điều khiển logic khả trình CPU312 • Nghiên cứu phần mềm S7-300 từ lập trình điều chỉnh hệ thống với sơ đồ công nghệ thực tiễn 50 • Mơ hệ thống • Do cịn nhiều hạn chế tài • Q trình nghiên cứu tìm hiểu tài liệu để thực đề tài hiểu biết quan trọng phát triển cơng nghệ tự động hóa vào sản xuất đề tài cịn giúp tơi tiếp cận nhận thức điều khiển phần mềm lập trình ứng dụng rộng rãi hệ thống điều khiển tự động simatic, matlab… • Hơn đề tài giúp tơi có thêm kiến thức thực tế áp dụng tự động hóa nơng nghiệp lĩnh vực vô quan trọng nhiệm vụ kỹ sư tự động hóa nơng nghiệp ❖ Kiến nghị Trong q trình thiết kế mơ hình điều chỉnh thời gian nhận thức hạn chế nên việc tìm hiểu xây dựng mơ hình viết chương trình điều khiển chưa với thực tế Một số khâu cải tiến cách thuận tiện Kính mong mơn viện Cơng Nghệ Kỹ Thuật tạo điều kiện tốt để đề tài hồn thành tốt có tính ứng dụng cao vào thực tế KẾT LUẬN CHUNG Qua đề tài em hoàn thành mục tiêu hệ thống điều khiển ngày nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động Trên thực tế có nhiều đối tượng cần điều khiển, đối tượng thơng thường khơng có đủ tham số cần thiết, nên việc thiết kế điều khiển dựa lý thuyết điều khiển kinh điển gặp nhiều khó khăn Chính lý đòi hỏi phải ứng dụng lý thuyết điều khiển ðại vào thực tế Ðồ án tốt nghiệp đóng góp vấn đề sau: - Ðã xây dựng thiết kế điều chỉnh cho điều chỉnh hệ thống tưới nước 51 - Quá trình thực đồ án với thời gian hạn chế kiến thức hạn hẹp nên đồ án cịn nhiều hạn chế việc tính tốn thơng số điều khiển Em mong nhận thông cảm góp ý từ thầy TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoa Lư, Lê Văn Chương, Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, NXB Ðại học Vinh, 2017 [2] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2004 52 [4] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2009 [5] Nguyễn Thương Ngô, Lý thuyết điều khiển đại, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2009 53 ... TẮT ÐỒ ÁN Ðồ án ? ?Thiết kế hệ thống điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu sạch? ?? đáp ứng yêu cầu cần thiết cho công tác sản xuất nơng nghiệp Qua đề tài em hồn thành mục tiêu hệ thống điều khiển ngày... Ðồ án ? ?Thiết kế hệ thống điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu sạch? ?? đáp ứng yêu cầu cần thiết cho công tác sản xuất nông nghiệp Qua đề tài em hoàn thành mục tiêu hệ thống điều khiển ngày... nghĩa việc điều chỉnh trình tưới tiêu rau màu 1.7 Logic mờ ứng dụng 1.8.Ứng dụng điều khiển mờ 1.9.Kết luận CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THƠNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG TƯỚI PHUN RAU SẠCH 2.1