Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển nồng độ ph cho hệ thống tưới nước và phân bón trong nhà kính

Hình 1.5 Tưới nhỏ giọt Hình 1.6 Sơ đồ một hệ thống tưới nhỏ giọt [20] Trong các hệ thống tưới hiện đại ngày nay, cho dù sử dụng kiểu tưới nhỏ giọt, tưới phun mưa hay phun sương thì tron

-

NGUYỄN HOÀNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NỒNG ĐỘ pH CHO HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC VÀ PHÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS NGUYỄN TẤN TIẾN

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

- -oOo -

Tp HCM, ngày 14 tháng 2 năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN HOÀNG Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 04/06/1985 Nơi sinh : Tp Đà Nẵng

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2009

1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NỒNG ĐỘ pH CHO HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC VÀ PHÂN BÓN TRONG NHÀ KÍNH

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Nghiên cứu hệ thống tưới nước và phân bón ( hòa tan trong nước) trong các

nhà kính trồng rau

- Thiết kế hệ thống điều khiển pH

- Thực nghiệm và đánh giá kết quả

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 04/07/2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS NGUYỄN TẤN TIẾN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tấn Tiến đã tận tình hướng dẫn, góp

ý và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường ĐH Bách Khoa Tp HCM, phòng Đào tạo sau đại học đã tại điều kiện cho tôi hoàn thành đề tài luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô trong bộ môn Cơ điện tử, khoa

Cơ khí, trường ĐH Bách khoa Tp HCM đã tận tình dạy bảo và trang bị cho tôi những kiến thức quý báu, xin chân thành cảm ơn các bạn trong nhóm Hi_tech Mechatroncs Lab và các bạn trong lớp cao học Cơ điện tử K2009 đã nhiệt tình giúp

đỡ tôi trong suốt thời gian khóa học và thực hiện thực nghiệm luận văn này

Xin nói lên lời biết ơn sâu sắc với ông bà, cha mẹ đã chăm sóc và nuôi dạy tôi nên người Và chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên động viên và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành luận văn trong khả năng và phạm

vi cho phép nhưng chắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được sự thông cảm và lời chỉ bảo tận tình của quý thầy cô

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011

Nguyễn Hoàng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin xam đoan rằng:

Đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ thầy hướng dẫn và những người tôi đã cảm ơn, trích dẫn trong luận văn này

Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là hoàn toàn trung thực

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011

Nguyễn Hoàng

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Mục lục 03

Danh mục các bảng 07

Danh mục các hình vẽ 08

Lời mở đầu 12

Chương 1: Tổng quan đề tài 13

1.1 Một số định nghĩa 13

1.1.1 pH là gì? 13

1.1.2 Hệ thống tưới 14

1.2 Tổng quan đề tài nghiên cứu 16

1.2.1 Thế giới 17

1.2.2 Trong nước 18

1.2.3 Thảo luận về tổng quan đề tài 19

1.3 Tính cấp thiết, ý nghĩa, mục tiêu của đề tài 19

1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài 19

1.3.2 Ý nghĩa của đề tài 20

1.3.3 Mục tiêu của đề tài 20

Chương 2: Đặt vấn đề 21

2.1 Yêu cầu bài toán 21

2.1.1 Nồng độ pH yêu cầu cho các loại cây trồng 21

2.1.1.1 Ảnh hưởng của pH 21

2.1.1.2 Nồng độ pH của một số loại cây trồng 22

2.1.2 Yêu cầu về lưu lượng, thể tích dung dịch tưới 22

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ pH của đất 23

2.3 Pha trộn một số loại dung dịch hóa chất để tạo ra các dung dịch có nồng độ pH mong muốn 23

2.4 Phân bón 24

2.5 Yêu cầu bài toán thiết kế 25

Chương 3: Phương án giải quyết bài toán 26

3.1 Các phương pháp điều khiển 26

3.1.1 Các nghiên cứu học thuật 26

3.1.2 Các phương pháp thực tế 26

3.1.2.1 Mô hình A: Batch processing_ Xử lý theo khối, xử lý từng đợt 27

3.1.2.2 Mô hình B: Continuous with Tank_ Điều khiển liên tục với thùng chứa 28

3.1.2.3 Mô hình C: Continuous, Online Control_ Điều khiển trực tuyến 1 29

3.1.2.4 Mô hình D: Continuous, Online Control_ Điều khiển trực tuyến 2 29

3.1.3 Tham khảo mô hình sản phẩm trên thị trường 30

3.2 Lựa chọn phương án 31

3.3 Giải thuật điều khiển 33

3.3.1 Xây dựng mô hình toán 33

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ 35

3.3.2.1 Xác định biến vào – ra 35

3.3.2.2 Xác định biến ngôn ngữ 36

3.3.2.3 Xây dựng các hàm liên thuộc 36

3.3.2.4 Xây dựng hệ luật điều khiển cho bộ điều khiển mờ 39

3.4 Mô phỏng luật điều khiển 40

3.4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 40

3.4.2 Kết quả mô phỏng 42

Chương 4: Thiết kế hệ thống 44

4.1 Thiết kế cơ khí 44

4.1.1 Tính toán lưu lượng cần tưới 45

4.1.2 Tính toán và lựa chọn bơm 45

4.1.2.1 Tính toán và lựa chọn bơm chính 45

4.1.2.2 Tính toán ống Venturi 47

4.1.2.3 Lựa chọn bơm phụ 50

4.1.2.4 Mô hình bố trí hệ thống 50

4.2 Cảm biến pH 51

4.2.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến pH 51

4.2.2 Khuếch đại tín hiệu của cảm biến pH 53

4.2.3 Bù nhiệt độ 53

4.3 Thiết kế mạch điện điều khiển 54

4.3.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp RS485 54

4.3.2 Thiết kế mạch điều khiển 55

4.3.3 Thiết kế mạch công suất 56

Chương 5: Thực nghiệm và kết quả 58

5.1 Hệ thống thực nghiệm 58

5.2 Thông số thực nghiệm 62

5.3 Kết quả thực nghiệm 63

5.3.1 Kết quả điều khiển nồng độ pH 63

5.3.2 So sánh với kết quả mô phỏng bằng Simulink Matlab 64

5.3.3 Kết quả tại vườn 65

Chương 6: Kết luận 68

6.1 Ưu nhược điểm của hệ thống 68

6.1.1 Ưu điểm 68

6.1.2 Khuyết điểm 68

6.2 Định hướng phát triển đề tài 68

Tài liệu tham khảo 70

Phụ lục A: Chuyển đổi một số đơn vị đo có sử dụng trong luận văn 72

Phục lục B: Bảng số liệu một số lần chạy thực nghiệm đã trình bày trong luận văn 73

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Nồng độ pH thích hợp cho một số loại cây trồng 22

Bảng 2.2 Hỗn hợp đệm của một số hóa chất 23

Bảng 2.3 Tỉ lệ pha trộn Na2HPO4 và Axit Xitric 24

Bảng 2.4 Một số hỗn hợp đệm sinh học 24

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của một số loại phân bón đến pH của môi trường 25

Bảng 3.1 Bảng hệ luật điều khiển đối với biến Control1 (axit) 39

Bảng 3.2 Bảng hệ luật điều khiển đối với biến Control2 (bazơ) 40

Bảng 3.3 Bảng hệ luật điều khiển đối với biến Control3 (muối/phân) 40

Bảng 4.1 Giá trị pH sai lệch phụ thuộc nhiệt độ 53

Bảng 4.2 Các đặc tính kỹ thuật của RS-485 54

Bảng 5.1 So sánh kết quả điều khiển nồng độ pH giữa mô phỏng và thực nghiệm

65

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số giá trị pH phổ biến 13

Hình 1.2 Hệ thống tưới tiêu 14

Hình 1.3 Hình ảnh hệ thống tưới phun 1 15

Hình 1.4 Hình ảnh hệ thống tưới phun 2 15

Hình 1.5 Tưới nhỏ giọt 16

Hình 1.6 Sơ đồ một hệ thống tưới nhỏ giọt 16

Hình 1.7 Ba dạng đường cong chuẩn độ 17

Hình 3.1 Mô hình nghiên cứu của McAvoy 26

Hình 3.2 Mô hình A 27

Hình 3.3 Mô hình B 28

Hình 3.4 Mô hình C 29

Hình 3.5 Mô hình D 30

Hình 3.6 NetaJet PL Family 31

Hình 3.7 NetaJet ST Family 31

Hình 3.8 Sản phẩm của HANNA@Instruments 31

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý của máy xử lý pH 32

Hình 3.10 Nguyên lý điều khiển mờ 33

Hình 3.11 Quá trình điều khiển pH 33

Hình 3.12 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến e_pH 37

Hình 3.13 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến de_pH 38

Hình 3.14 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến Control1, Control2 38

Hình 3.15 Xây dựng các dạng hàm liên thuộc cho biến Control3 39

Hình 3.16 Mô hình mô phỏng bộ điều khiển mờ bằng Simulink Matlab 41

Hình 3.17 Khối tính toán H+ 41

Hình 3.18 Khối chuyển đổi H+ thành pH 42

Hình 3.19 Khối Fuzzy Logic Controller 42

Hình 3.20 Kết quả mô phỏng độ pH với giá trị mong muốn pH=7 và nồng độ nước

tưới C w = 10 -5.5 mol/l 43

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng độ pH với giá trị mong muốn pH=7 và nồng độ nước tưới C w = 10 -8 mol/l 43

Hình 4.1 Mô hình hệ thống các máy bơm và van 44

Hình 4.2 Mô hình minh họa sử dụng ống nhỏ giọt trong hệ thống tưới 45

Hình 4.3 Đồ thị Moody 47

Hình 4.4 Máy bơm Pentax CM100/00 47

Hình 4.5 Thông số ống Venturi 48

Hình 4.6 Máy bơm phụ 50

Hình 4.7 Mô hình thiết kế hệ thống xử lý pH 51

Hình 4.8 Hệ thống xử lý nước 51

Hình 4.9 Cấu tạo của pH sensor 52

Hình 4.10 Ví dụ một mạch khuếch đại tín hiệu pH 53

Hình 4.11 Chuẩn giao tiếp RS-485 55

Hình 4.12 Phần mạch điều khiển IC Master 55

Hình 4.13 Kết nối vi điều khiển với RS-485 56

Hình 4.14 Giao tiếp máy tính với RS-485 56

Hình 4.15 Mạch công suất 57

Hình 5.1 Nhà kính tiến hành thực nghiệm 58

Hình 5.2 Mô hình hệ thống được thiết kế bằng phần mềm Solid Work 58

Hình 5.3 Mô hình thi công thực tế tại Đà Lạt 59

Hình 5.4 Hệ thống ống Venturi 59

Hình 5.5 Hệ thống van Solenoid 60

Hình 5.6 Vị trí gắn cảm biến đo pH 60

Hình 5.7 Module khối mạch lấy tín hiệu 61

Hình 5.8 Module khối mạch điều khiển Role và hiển thị giá trị đo 61

Hình 5.9 Nồng độ pH của dung dịch bazo được kiểm tra bằng máy đo pH 62

Hình 5.10 Nồng độ pH của dung dịch phân được kiểm tra bằng máy đo pH 62

Hình 5.11 Đồ thị pH lần chạy 1 63

Hình 5.12 Đồ thị pH lần chạy 2 63

Hình 5.13 Đồ thị pH lần chạy 3 63

Hình 5.14 Kết quả pH mô phỏng 64

Hình 5.15 Kết quả pH thực nghiệm 64

Hình 5.16 Nồng độ pH=5.9 tại đất trước khi tưới được kiểm tra bằng máy đo pH

65

Hình 5.17 Nồng độ pH=6.1 tại đất ngay khi tưới được kiểm tra bằng máy đo pH

66

Hình 5.18 Nồng độ pH=6.0 tại đất 12h sau khi tưới được kiểm tra bằng máy đo pH

66

LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta là một nước phát triển nông nghiệp, hàng năm các sản phẩm nông nghiệp mang lại cho đất nước một nguồn thu nhập ngoại tệ đáng kể Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm thì sản phẩm nông nghiệp phải đáp ứng những yêu cầu rất khắc khe Điều này buộc nông dân phải cải tiến phương pháp sản xuất, cải thiện môi trường trồng trọt Do đó, nhu cầu trồng cây trong nhà kính là hoàn toàn hợp lý

Bên cạnh đó, việc bón phân và tưới nước theo phương pháp kinh nghiệm, ước lượng cũng làm cho năng suất, chất lượng sản phẩm kém vì không kiểm tra được nồng

độ pH trong nguồn nước Trong khi nhu cầu điều khiển nồng độ pH trong nguồn nước

và phân tưới và rất cần thiết vì mỗi loại cây trồng tùy thuộc vào điều kiện môi trường, quá trình phát triển mà sẽ yêu cầu nồng độ pH khác nhau Đồng thời giá thành đắt và chế độ bảo trì phức tạp đã làm cho nông dân ta ngại sử dụng các máy móc nhập ngoại

dù biết lợi ích của nó, trong khi đó, sản phẩm máy móc sản xuất trong nước phục vụ cho mục đích này hầu như chưa có

Nội dung luận văn này giới thiệu, thiết kế một mô hình hệ thống tưới tự động có khả năng điều chỉnh nồng độ pH Đề tài thành công sẽ cung cấp cho nông dân một công

cụ để phục vụ sản xuất và gợi mở cho các nghiên cứu khác về vấn đề này

Kết quả thực nghiệm được trình bày trong luận văn này cũng cho thấy hệ thống này hoàn toàn có thể ứng dụng trong thực tế sản xuất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Một số định nghĩa:

1.1 1 pH là gì?

pH là chỉ số đo độ hoạt động của các ion hiđrô (H+) của một dung dịch, cho nên chỉ số pH thể hiện tính axit hay bazo của dung dịch đó Số đo pH được tính dựa trên độ hoạt động của các ion H+ trong dung dịch Công thức tính:

 



[H+] biểu thị độ hoạt động của các ion hiđrô H+ Đơn vị mol/l

Log10 biểu thị logarit cơ số 10, vì vậy nên pH còn có thể được định nghĩa là thang đo logarit của tính axit

Hình 1.1 Một số giá trị pH phổ biến

Bên cạnh đó, hằng số điện ly cũng là một trong các yếu tố ảnh hưởng đến độ pH của dung dịch, chính vì hằng số điện ly này nên một dung dịch được gọi là trung hòa (độ hoạt động của các ion H+ cân bằng với độ hoạt động của các ion OH- hay [H+] =

[OH-]) khi có chỉ số pH xấp xỉ bằng 7 ( H 107) Các dung dịch nước có giá trị pH nhỏ hơn 7 ( H 107) được coi có tính axit, trong khi các dung dịch có giá trị pH lớn hơn 7 ( H  10  7) được coi có tính kiềm Trị số pH càng lớn thì tính kiềm của dung dịch càng cao

1.1.2 Hệ thống tưới

Tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt để đảm bảo cây trồng sinh trưởng, phát triển bình thường Vì vậy hệ thống tưới là một bộ phận quan trọng không thể thiếu, cần phải lưu tâm trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển nhà kính

Hiện nay, việc tưới nước và bón phân của nông dân Việt Nam chủ yếu vẫn bằng tay, theo cảm tính và kinh nghiệm Phương pháp này hiệu quả không cao, không đảm bảo được những yêu cầu kỹ thuật khắt khe như lượng nước tưới, chất lượng nước, lượng phân bón cũng như nồng độ pH theo yêu cầu của cây trồng… Vì vậy việc cài đặt

hệ thống tưới nước và phân bón tự động sẽ rất thuận tiện để phát triển cây trồng Hệ thống tưới này phải kết hợp với hệ thống trộn phân dạng lỏng và hệ thống điều chỉnh

pH tự động nhằm cung cấp lượng phân bón cần thiết và nồng độ pH

Hình 1.2 Hệ thống tưới tiêu [27]

Trên thế giới hiện nay sử dụng nhiều hệ thống tưới khác nhau trong điều khiển

hệ thống nhà kính cũng như ở ngoài trời, nổi bật lên là 2 hệ thống tưới nhỏ giọt và tưới

phun Tưới phun đáp ứng tốt yêu cầu sinh lý của cây trồng về nước cũng như lớp đất có

bộ rễ cây hoạt động, bề mặt lá đều được tưới và làm sạch bụi bẩn trên lá, tuy nhiên hệ thống tưới phun thường sử dụng lượng nước rất lớn Hệ thống tưới nhỏ giọt cung cấp nước và tạo độ ẩm cho vùng rễ cây, hệ thống này tiết kiệm nước tối đa và cung cấp nước vừa đủ cho cây trồng phát triển, không gây thoái hóa đất, không gây ô nhiễm môi trường, tiết kiệm phân bón, cung cấp chuẩn xác độ ẩm, tạo điều kiện tốt nhất cho cây trồng phát triển, hạn chế sâu bệnh, thuận lợi cho việc điều khiển thiết bị tưới

Hình 1.3 Hình ảnh hệ thống tưới phun 1

Hình 1.4 Hình ảnh hệ thống tưới phun 2

Hình 1.5 Tưới nhỏ giọt

Hình 1.6 Sơ đồ một hệ thống tưới nhỏ giọt [20]

Trong các hệ thống tưới hiện đại ngày nay, cho dù sử dụng kiểu tưới nhỏ giọt, tưới phun mưa hay phun sương thì trong các hệ thống tưới này luôn kết hợp với một hệ thống pha trộn phân và điều chỉnh nồng độ pH nhằm đảm bảo đầu ra của hệ thống tưới luôn là dung dịch đạt được độ pH mong muốn phù hợp với cây trồng và thời kỳ phát triển của cây

1.2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Điều kiện về nồng độ pH trong nước tưới, trong phân bón cùng với các điều kiện

về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, CO2 là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng phát triển của cây trồng, hiệu quả và năng suất của mùa vụ Chính vì vậy

điều khiển ổn định nồng độ pH trong nước tưới, trong phân luôn là một vấn đề cần phải quan tâm khi thiết kế hệ thống điều khiển cho nhà kính

Điều khiển nồng độ pH thực sự là một vấn đề điều khiển khó bởi vì đặc tính biến đổi phi tuyến của nó và nồng độ pH hết sức nhạy cảm với nhiễu trong quá trình điều khiển, chỉ một lượng tác động nhỏ của các yếu tố điều khiển cũng có thể làm cho độ pH thay đổi một lượng lớn Tính phi tuyến đó được thể hiện qua đường cong chuẩn độ (hình 1.8) Dựa vào đường đặc tuyến này, ta có thể nhìn thấy rõ đường cong đồ thị tại điểm pH=7 có độ dốc rất lớn, cho nên để điều khiển ổn định được nồng độ pH=7 là rất khó, chỉ cần một lượng thay đổi nhỏ của hóa chất cũng có thể gây nên sự biến đổi lớn của nồng độ pH

Hình 1.7 Ba dạng đường cong chuẩn độ [11]

(a) Hệ thống với Axit mạnh- bazo mạnh (b) Hệ thống với Axit yếu- bazo mạnh (c) Hệ thống với Axit mạnh, axit yếu- bazo mạnh

hệ thống này luôn được bảo mật Hầu như chưa có tài liệu, bài báo khoa học nào báo cáo cụ thể về hệ thống điều khiển ổn định độ pH của nước tưới, phân tưới trong hệ thống nhà kính

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới giải quyết vấn

đề này, tuy nhiên các tài liệu nghiên cứu, bài báo khoa học đều được viết cho hệ thống điều khiển sử dụng các bồn chứa các dung dịch axit, bazo để tạo ra dung dịch có độ pH mong muốn chứ không sử dụng các bồn chứa phân cho hệ thống tưới

Đã có nhiều mô hình, nhiều phương pháp khác nhau được đưa ra để nghiên cứu vấn đề này Ứng với từng mô hình và phương pháp đó, các nhà nghiên cứu đã áp dụng các thuật toán điều khiển khác nhau, tạo ra nhiều bộ điều khiển khác nhau nhằm tìm ra những bộ điều khiển tốt nhất

Rất nhiều các nghiên cứu sử dụng mô hình hệ thống có thùng chứa hoặc thùng khuấy để thiết kế các bộ điều khiển, ổn định nồng độ pH Trong đó, một số bộ điều khiển phi tuyến sử dụng mô hình theo lối kinh nghiệm của McAvoy và các đồng nghiệp [1], một số khác lại sử dụng bộ điều khiển Adaptive như [2] Sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển Adaptive và các lý thuyết điều khiển Fuzzy làm tăng khả năng thích ứng của

hệ thống [3] Hay là việc ứng dụng lý thuyết điều khiển H_inf dựa trên các mô hình phi tuyến trước đó để giải quyết bài toán điều khiển pH đối với hệ thống acid mạnh_ bazo mạnh [4]

Giải thuật di truyền cũng được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển, nó có thể được

sử dụng theo lối thông thường [7] hay sử dụng Neutral Network điều khiển pH và sự kết hợp tiếp sau đó của mô hình Nơ ron trong một chiến lược điều khiển dự đoán [8]

Một số nghiên cứu ứng dụng mô hình điều khiển độ pH trực tuyến cũng đã được thực hiện trong [5], [6]

1.2.2 Trong nước

Hiện nay, nghiên cứu điều khiển ổn định nồng độ pH là một vấn đề rất ít được

đề cập trong nhiên cứu khoa học của nước ta Đặc biệt là điều khiển pH cho hệ thống tưới trong nhà kính thì càng rất hiếm

Lý do có thể là do điều khiển hệ thống nhà kính chưa được quan tâm đúng mức

ở nước ta, và một phần cũng vì các bộ điều khiển được nhập từ nước ngoài có chất

lượng tốt, đáp ứng được yêu cầu của vấn đề điều khiển Các tài liệu về vấn đề này ở nước ta thật sự là rất hiếm

1.2.3 Thảo luận về tổng quan đề tài

Điều khiển ổn định nồng độ pH luôn là một đề tài khó cho các bài toán về điều khiển vì tính phi tuyến của nó và khả năng rất nhạy cảm với nhiễu Hiện nay trên thế giới đã nhiều mô hình điều khiển được sử dụng và nhiều thuật toán, nhiều lý thuyết điều khiển được đưa ra nhằm tạo ra bộ điều khiển tốt nhất Đã có nghiên cứu sử dụng các mô hình thực nghiệm và cho kết quả tốt Điều này có giá trị tham khảo rất lớn đối với các nghiên cứu sau này

Các nghiên cứu chủ yếu được thực hiện đối việc pha trộn với các dung dịch axit, bazơ Còn việc điều khiển ổn định pH cho hệ thống tưới nước, tưới phân trong điều khiển hệ thống nhà kính thì có rất ít tài liệu nghiên cứu đề cập đến Trên thị trường thực

tế, một số công ty sản xuất máy móc, thiết bị nông nghiệp cũng đã chủ trọng đến vấn đề này và cũng đã bán ra các sản phẩm liên quan Tuy nhiên vấn đề này có thế được xem

là tài liệu bí mật, bản quyền của các công ty nên các tài liệu cho nghiên cứu vấn đề tại chỉ tồn tại trong nội bộ các công ty và không được đưa ra bên ngoài

Thêm nữa, các nghiên cứu điều khiển pH hầu hết đều sử dụng các bồn chứa, bồn khuấy trung gian Vì vậy, sử dụng mô hình điều khiển trực tuyến không có bồn chứa trung gian cũng sẽ là một vấn đề nghiên cứu mới cần quan tâm

1.3 Tính cấp thiết, ý nghĩa, mục tiêu của đề tài

1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nồng độ pH là một trong các yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển và năng suất cây trồng Độ pH ảnh hưởng đến khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây Phản ứng đất ảnh hưởng trực tiếp đến hệ vi sinh vật trong đất và hoạt động của chúng Ngoài ra, độ pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến sự hấp thu chất khoáng của rễ cây, ảnh hưởng đến độ hòa tan và khả năng di động của các chất khoáng Độ pH rất quan trọng vì chỉ trong khoảng trung tính thì các nguyên tố mới dễ tan trong đất để cây hấp thụ Do đó, việc điều khiển để đảm bảo được nồng độ pH thích hợp cho cây trồng

là điều kiện qua trọng để có một mùa vụ thành công

Tưới nước đúng, tưới đủ theo yêu cầu sẽ giúp hạn chế sâu bệnh, giúp cây phát triển tốt hơn Tuy nhiên nguồn nước tưới tự nhiên không phải lúc nào cũng đạt được độ

pH mà cây trồng mong muốn, cho nên việc điều khiển ổn định nồng độ pH cho cây trồng cũng phải được thực hiện đối với nguồn nước tưới

Các sản phẩm nông nghiệp phải đặc biệt tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về lượng chất độc hại có trên sản phẩm Hàm lượng các chất độc hại này chủ yếu được quyết định bởi lượng thuốc trừ sâu, phân bón được sử dụng trong quá trình trồng trọt Bón phân dư thừa cũng sẽ gây ảnh hưởng đến nồng độ pH trong đất và làm chất lượng đất xấu đi Vì vậy nhu cầu điều chỉnh ổn định nồng độ pH trong hệ thống tưới có khả năng pha trộn phân bón theo tỉ lệ yêu cầu và đảm bảo được nồng độ pH là rất cần thiết, nhằm nâng cao năng suất cây trồng và chất lượng sản phẩm

1.3.2 Ý nghĩa của đề tài

Phần lớn nông dân Việt Nam trồng trọt và sản xuất mùa vụ theo lối kinh nghiệm

và ước lượng, ngại sử dụng máy móc thiết bị hỗ trợ hiện đại, dẫn đến năng suất mùa vụ thấp, chất lượng sản phẩm không cao, không đủ tiêu chuẩn xuất khẩu Đề tài thành công sẽ mang đến cho người nông dân một lựa chọn hữu ích để phát triển sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, cải thiện đời sống

Các thiết bị nhập từ nước ngoài hoạt động ổn định, đảm bảo yêu cầu của người

sử dụng, tuy nhiên, các bộ điều khiển mua từ các nhà sản xuất nước ngoài thường có giá thành đắt và mang tính đồng bộ, cục bộ, bản quyền, thường được bán theo trọn gói

hệ thống Điều này gây khó khăn, bất lợi cho người mua khi chỉ có nhu cầu một bộ phận nhỏ hoặc thay thế, sửa chữa Nếu đề tài này nghiên cứu thành công thì sẽ cung cấp cho nông dân hệ thống điều khiển với giá thành rẻ hơn, dễ sử dụng và sửa chữa hơn Đồng thời giúp cho người nông dân xóa bỏ dần tâm lý ngại sử dụng máy móc hiện đại, mạnh dạn đầu tư khoa học kỹ thuật vào sản xuất, tăng năng xuất, đảm bảo chất lượng cây trồng

Sự thành công của đề tài kết hợp với các công trình nghiên cứu điều khiển nhà kính khác, nhằm hướng đến xây dựng một hệ thống điều khiển nhà kính hoàn thiện đầy

đủ các chức năng chứ không chỉ dừng lại ở việc điều khiển ổn định nồng độ pH cho hệ thống tưới

1.3.3 Mục tiêu của đề tài

- Xây dựng giải thuật điều khiển nồng độ pH

- Thiết kế, chế tạo thành công hệ thống điều khiển ổn định nồng độ pH

CHƯƠNG 2: ĐẶT VẤN ĐỀ

2.1 Yêu cầu của bài toán

Ở các vùng nông thôn Việt Nam, tùy thuộc vào hoàn cảnh địa lý, điều kiện môi trường mà ứng với từng vùng thì tính chất của nước lại khác nhau, tỉ lệ giữa các khoáng chất và các ion kim loại trong nước cũng không giống nhau Điều kiện về thời tiết cũng như tính chất của đất cũng là những thành tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng, nồng độ pH trong nước tưới

Mỗi loại cây trồng lại yêu cầu một tỉ lệ dinh dưỡng khác nhau, dẫn đến việc sử dụng phân bón khác nhau Mỗi loại phân bón tùy thuộc vào tỉ lệ của các thành phần ion

có trong nó mà nồng độ pH sẽ khác nhau Khi pha trộn các loại phân này, các yếu tố hóa học trong hỗn hợp có thể phản ứng với nhau làm thay đổi nồng độ pH

Vì vậy yêu cầu của bài toán là sử dụng một số loại hóa chất nhất định để làm cho nước tưới có nồng độ pH ở mức trung hòa, đồng thời sử dụng các loại phân thích hợp

để pha trộn với nhau nhằm cung cấp cho cây trồng lượng phân theo yêu cầu với tỉ lệ các chất dinh dưỡng hợp lí và nồng độ pH trong phạm vi cho phép

2.1.1 Nồng độ pH yêu cầu cho loại cây trồng

2.1.1.1 Ảnh hưởng của pH

Độ pH của đất là tiêu chí để xác định tính axit (độ pH nhỏ hơn 7) và tính bazơ (độ pH lớn hơn 7) của đất trồng, độ pH = 7 là thích hợp nhất, đây là độ pH phù hợp với hầu hết các loại cây trồng Yếu tố acid hay kiềm rất quan trọng vì chỉ trong khoảng

trung tính thì các nguyên tố mới dễ tan trong đất để cây hấp thụ

Độ pH ảnh hưởng đến khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho cây Phản ứng đất ảnh hưởng trực tiếp đến hệ vi sinh vật trong đất và hoạt động của chúng, quan hệ chặt chẽ với sự phân giải xác hữu cơ và sự chuyển hóa các chất như đạm trong đất

Độ pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến sự hấp thu chất khoáng của rễ cây, lên sự hút khoáng của rễ có thể là trực tiếp hoặc cũng có thể là gián tiếp Độ pH của môi trường ảnh hưởng đến sự xâm nhập ưu thế anion hay cation Trong môi trường kiềm việc hút cation mạnh hơn anion, còn trong môi trường acid thì ngược lại

Độ pH còn ảnh hưởng đến độ hòa tan và khả năng di động của các chất khoáng

và do đó ảnh hưởng đến khả năng hút khoáng của rễ Khi độ pH của môi trường vượt quá giới hạn sinh lý (quá kiềm hay quá acid) thì mô rễ đặc biệt là lông hút bị thương tổn

Bảng 2.1 Nồng độ pH thích hợp cho một số loại cây trồng

Phạm vi thích ứng của pH đất đối với các loại thực vật rất rộng nhưng cũng có một số yêu cầu chặt chẽ: chúng chỉ sinh trưởng và phát triển tốt ở loại đất có phản ứng nhất định Chính vì vậy có thể điều chỉnh độ pH sao cho phù hợp với loại cây mà mình

Nước cũng là phương tiện chuyên chở các chất dinh dưỡng từ rễ đến các bộ phận của cây Những cây đang trong giai đoạn tăng trưởng cần lượng nước rất nhiều, cây lớn trong giai đoạn phát triển có thể sử dụng 360 lít nước mỗi ngày

Ở những thời điểm sinh trưởng khác nhau thì cây trồng cần một lượng nước khác nhau, còn phụ thuộc vào nhiệt độ, ánh sáng mà cây nhận được, độ ẩm không khí Cần tưới nước khi bề mặt đất khô ráo và lượng nước tưới cần đủ để nuớc ngấm xuống những tầng đất có rễ cây

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ pH của đất

Ban đầu, nồng độ pH của đất do thành phần và tính chất của đất quyết định Vấn

đề về tuổi của đất và việc sử dụng các loại phân bón lâu dài cũng làm thay đổi nông độ

pH đất Không những vậy, nồng độ pH của đất còn bị ảnh hưởng bởi nguồn nước tưới, các loại hóa chất được bón vào để cải thiện tính chất đất của cây trồng

Việc sử dụng các loại phân thích hợp và bón phân theo đúng chế độ yêu cầu góp phần cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng cho cây, làm tăng năng suất cây trồng, cải thiện tích chất của đất

2.3 Pha trộn một số loại dung dịch hóa chất để tạo ra các dung dịch có nồng độ pH mong muốn

Để giữ nồng độ pH của một dung dịch ở một mức cố định, trong phòng thí nghiệm và trong một số lĩnh vực ngoài thực tế, người ta sử dụng các dung dịch như:

Hỗn hợp đệm

HCl, Natri xitrat 1 - 5 Axit xitric, Natri xitrat 2,5 - 5,6 Axit axetic, Natri axetat 3,7 - 5,6

Na2HPO4, NaH2PO4 6 - 9 Borac, Natri hidroxit 9,2 - 11

Bảng 2.2 Hỗn hợp đệm của một số hóa chất Hỗn hợp đa năng

Bằng cách kết hợp các chất tan có pKa cách biệt nhau khoảng 2 đơn vị thì ta có thể thu được một dung dịch có khoảng đệm rất rộng Axit xitric là hợp chất được dùng

rất phổ biến vì nó có 3 nấc pKa Khoảng đệm có thể rộng hơn tuỳ thuộc vào chất thêm vào Hỗn hợp dưới đây cho một khoảng đệm dài từ pH 3 đến 8

0,2M Na 2 HPO 4 /mL 0,1M Axit xitric/mL pH

Khoảng đệm

Tác động nhiệt d(pH)/dT trong (1/K) **

Khối lượng mol

Tên đầy đủ

TAPS 8,43 7,7–9,1 −0,018 243,3

axit {[tri(hidroxymetyl)methyl]amino}pr

3-opansulfonic Bicine 8,35 7,6–9,0 −0,018 163,2 N,N-bis(2-hidroxyetyl)glycin Tris 8,06 7,5–9,0 −0,028 121,14 tri(hidroxymetyl)metylamin Tricine 8,05 7,4–8,8 −0,021 179,2 N-tri(hidroxymetyl)metylglycin HEPES 7,48 6,8–8,2 −0,014 238,3 axit 4-2-hidroxyetyl-1-

piperazineetansulfonic

TES 7,40 6,8–8,2 −0,020 229,20

axit {[tri(hidroxymetyl)metyl]amino}etan

2-sulfonic MOPS 7,20 6,5–7,9 −0,015 209,3 axit 3-(N-morpholino)propansulfonic PIPES 6,76 6,1–7,5 −0,008 302,4 piperazine-N,N′-bi(axit 2-

etansulfonic) Cacodyl

ate 6,27 5,0–7,4 138,0 axit dimetylarsinic

MES 6,15 5,5–6,7 −0,011 195,2 axit 2-(N-morpholino)etansulfonic

Bảng 2.4 Một số hỗn hợp đệm sinh học

2.4 Phân bón

Phân bón nhằm bổ sung các thành phần dinh dưỡng cho cây Trong các hệ thống tưới, phân bón dạng lỏng được trộn cùng với nguồn nước tưới

Lựa chọn phân bón dựa vào các yếu tố sau: pH mong muốn, tốc độ sinh trưởng của cây, loại cây được trồng, lượng canxi và magie đã được cung cấp bởi nguồn nước tưới, đất trồng

Thành phần phân bón được thể hiện bởi tỷ số NPK hay có thể viết đầy đủ là N(Nitơ) : P(P O ) : K 2 5 K O ) Chẳng hạn N.P.K 17-4-17 chứa 17% N, 4% P và 17% K 2

Bên cạnh đó, phân bón thường có tính axit hoặc bazơ Điều này nghĩa là khi bón phân vào môi trường, phân bón sẽ làm tăng tính axit hoặc tính bazơ của môi trường (xem bảng 2.5) Tùy theo phân bón có tính axit hoặc tính bazơ mà pH của đất sẽ giảm hoặc tăng tương ứng

Bảng 2.5 Ảnh hưởng của một số loại phân bón đến pH của môi trường[12]

()Lượng CaCO3 cần dùng để trung hòa tính axit do 1000 kg N-P-K 20-10-20 gây ra (2) Lượng CaCO3 tương đương do 1000 kg N-P-K 15-0-15 gây ra

Có những loại phân không trộn lẫn với nhau được, bởi vì khi trộn, loại phân này

có thể làm mất hoặc giảm các nguyên tố dinh dưỡng có ở trong loại phân kia, hoặc tạo

thành các chất có hại cho cây, làm xấu đất

2.5 Yêu cầu bài toán thiết kế

Đề tài có liên kết với Công ty Đà Lạt GAP để tiến hành thực nghiệm mô hình hệ thống bằng cách trồng thử một đợt rau tại nhà kính của công ty

Mô hình nhà kính trồng rau thí điểm ở Đà Lạt có diện tích là 10x12 m Hệ thống tưới phân phối nước tưới đến các luống rau bằng các ống nhỏ giọt được bán sẵn trên thị trường được thiết kế đặc biệt để lượng nước thoát ra chậm và chống giảm áp ở cuối dòng Ta chọn loại ống nhỏ giọt có khoảng cách giữa các lỗ là 20cm, lưu lượng qua mỗi

lỗ là 1.5 L/h và yêu cầu áp suất là 1bar Trên mỗi mét chiều ngang nhà kính, ta lắp đặt 4 ống nhỏ giọt

Yêu cầu đầu ra là một dung dịch nước tưới hoặc phân bón có nồng độ pH đúng theo yêu cầu tại thời điểm tưới

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN

3.1 Các phương pháp điều khiển

3.1.1 Các nghiên cứu học thuật

Thông thường, mô hình của Mac Avoy [1] được sử dụng làm mô hình toán cơ bản Sau đó, các giải thuật điều khiển được áp dụng để tạo ra các bộ điều khiển khác nhau Vấn đề ở đây là tùy thuộc vào cách đặt vấn đề, các điều kiện đầu vào của bài toán như nồng độ các hóa chất sẽ dùng, nguồn nước, lưu lượng của máy bơm nước, nhiệt độ môi trường… mà mỗi giải thuật điều khiển sẽ có ưu khuyết điểm riêng

Hình 3.1 Mô hình nghiên cứu của McAvoy

Một số bộ điều khiển phi tuyến sử dụng mô hình theo lối kinh nghiệm của McAvoy và các đồng nghiệp [1], một số khác lại sử dụng bộ điều khiển Adaptive như [2], hoặc kết hợp lý thuyết điều khiển Adaptive và các lý thuyết điều khiển Fuzzy làm tăng khả năng thích ứng của hệ thống [3] Bên cạnh đó, có những nghiên cứu ứng dụng

bộ điều khiển H_inf dựa trên các mô hình phi tuyến trước đó để giải quyết bài toán điều khiển pH đối với hệ thống acid mạnh_ bazo mạnh [4]

Hoặc áp dụng giải thuật di truyền để thiết kế bộ điều khiển, có thể được sử dụng theo lối thông thường [7] hay sử dụng Neutral Network điều khiển pH và sự kết hợp tiếp sau đó của mô hình Nơ_ron trong một chiến lược điều khiển dự đoán [8]

Hầu hết cách giải quyết bài toán sử dụng mô hình của Mac Avoy đều điều khiển

độ pH thông qua bình chứa, tuy nhiên cũng có một số nghiên cứu ứng dụng mô hình điều khiển độ pH trực tuyến [5], [6]

3.1.2 Các phương pháp điều khiển thực tế

Bên cạnh các nghiên cứu học thuật và các phương pháp, mô hình điều khiển được xây dựng trong phòng thí nghiệm, một số công ty sản xuất các thiết bị hỗ trợ nông nghiệp đã tự đưa ra các kiểu mô hình điều khiển nông độ pH theo các nghiên cứu của riêng họ Các mô hình này có thể không tối ưu bằng các mô hình trong phòng thí nghiệm nhưng cũng rất đáng được tham khảo vì chúng đã được sản xuất và sử dụng trong thực tế

3.1.2.1 Mô hình A: Batch processing _ Xử lý theo khối, xử lý từng đợt

Hình 3.2 Mô hình A [21]

Mô hình này sử dụng bộ điều khiển các Role ON/OFF cho quá trình xử lý theo đợt Hệ thống hoạt động theo thứ tự sau: đầu tiên các dung dich nước tưới được bơm vào một thùng chứa cho đến khi nó đầy, sau đó các dung dịch hóa chất được thêm vào (bằng cách bật tắt bộ điều khiển Role để bật tắt các bơm hoặc van solenoid) để dung dịch đạt được nồng độ pH mong muốn, sau cùng dung dịch xử lý này sẽ được bơm ra khỏi thùng chứa để tưới cho cây trồng Trong hệ thống này, thật sự cần thiết phải có các cảm biến mức để hệ thống nhận biết thùng chứa đã đầy hay còn trống, để tắt bộ trộn khi dung dịch không đạt được mức thích hợp

Ưu điểm:

- Điều khiển đơn giản

- Dung dịch đầu ra cho độ pH sát giá trị mong muốn

Khuyết điểm:

- Luôn có vài sự trễ từ lúc bắt đầu điền hóa chất cho tới lúc cảm biến nhận được sự biến đổi nồng độ pH Thời gian trễ của hệ thống này lớn

- Không điều khiển dòng liên tục

- Vấn đề tiết kiệm hóa chất

để điều chỉnh lượng hóa chất cần thêm vào chỉnh định độ pH Dòng dung dịch tưới chạy trong đường ống và được pha trộn với hóa chất điều chỉnh nồng độ pH thông qua một bộ trộn tĩnh, chính bộ trộn này sẽ làm cho thời gian trễ của hệ thống giảm đi đáng

kể

Mô hình hệ thống này được sử dụng để điều chỉnh nhẹ nồng độ pH hoặc điều chỉnh ở các giá trị pH xa 7 (ví dụ pH nhỏ hơn 4 hoặc lớn hơn 10)

Ưu điểm:

- Thời gian trễ ngắn do không phải đợi khuấy hóa chất trong bồn

- Kết quả cho ra dung dịch có độ pH sát giá trị mong muốn

Hình 3.5 Mô hình D [21]

Hệ thống này giống với mô hình hệ thống C, tuy nhiên nếu như ở hệ thống C chỉ dùng một loại hóa chất để điểu chỉnh nồng độ pH thì trong hệ thống này số lượng hóa chất có thể là hai hoặc nhiều hơn

Ưu điểm:

- Thời gian trễ ngắn do không phải đợi khuấy hóa chất trong bồn

- Kết quả cho ra dung dịch có độ pH sát giá trị mong muốn và sai số xác lập nhỏ

Khuyết điểm:

- Vẫn tồn tại sai số giữa giá trị pH đạt được và giá trị pH mong muốn

- Điều khiển khó bởi vì khi pha trộn 2 hay nhiều loại hóa chất thì nồng độ pH biến đổi khá phức tạp

3.1.3 Tham khảo mô hình sản phẩm trên thị trường

Công ty NetafimTM cung cấp hai dòng sản phẩm chính NetaJet PL Family và NetaJet ST Family Cả hai dòng sản phẩm đều có khả năng điều khiển chính xác và nhanh chóng liều lượng phân bón và axit được bơm vào trong nước tưới Chúng có thể cho phép sử dụng từ 3 đến 5 bồn hóa chất để hòa trộn vào nước tưới Tùy vào qui mô sản xuất, người dùng có thể chọn lựa từng chủng loại với lưu lượng tưới và tỷ lệ hóa chất pha vào nước tưới sao cho phù hợp Chẳng hạn, NetaJet IL đáp ứng lưu lượng từ 0.5 – 20 m3/h với tỷ lệ hóa chất 30-300 L/h, NetaJet Bypass đáp ứng đến 400 m3/h với

tỷ lệ hóa chất và nước là 2 L/m3 Cả hai dòng sản phẩm có thể kết hợp với bộ điều khiển NMC cho phép thực hiện chương trình tưới theo bức xạ của mặt trời, thời gian và

các điều kiện khí hậu khác NetaJet PL Family hoạt động ở áp suất 3-8.5 bar còn NetaJet ST Family hoạt động ở áp suất tùy theo nhu cầu người dùng

Hình 3.6 NetaJet PL Family [24] Hình 3.7 NetaJet ST Family [24]

Sản phẩm của công ty HANNA® Instruments cho phép điều khiển liên tục và chính xác độ pH cũng như liều lượng phân bón hòa trộn vào nước tưới Hệ thống HANNA cung cấp đến 10 chương trình cho phép lựa chọn giá trị pH khác nhau cho từng loại cây trồng Mỗi hệ thống HANNA có khả năng hòa trộn vào nước tưới phân bón với tỷ lệ phần trăm thành phần N-P-K linh động

Hình 3.8 Sản phẩm của HANNA® Instruments [25]

3.2 Lựa chọn phương án

Dựa trên sự tham khảo từ các sản phẩm trên thị trường, các phân tích ưu khuyết điểm từ mô hình từ các mô hình nghiên cứu và thực nghiệm, ta đưa ra sơ đồ nguyên lý hoạt động của các dòng sản phẩm được trình bày như hình sau:

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý của máy xử lý pH

Hệ thống điều chỉnh nồng độ pH trực tuyến nhằm đáp ứng yêu cầu về thời gian

và tiết kiệm hóa chất Hệ sử dụng các bồn chứa các loại hóa chất (có tính axit, bazơ, phân) để điều chỉnh nồng độ pH Nước tưới được lấy từ nguồn đi qua một bộ lọc nhằm làm sạch nước, sau đó nó được trộn với các loại hóa chất được hút từ các bồn bằng các ống Venturi (hoạt động nhờ tín hiệu từ bộ điều khiển) để đạt được dung dịch nước tưới hoặc phân có nồng độ pH theo yêu cầu Trước khi được bơm ra ngoài, nồng độ pH của dung dịch này được đo bởi các cảm biến pH, tín hiệu đo được gửi về bộ điều khiển so sánh và đưa ra tín hiệu điều khiển tiếp theo

Nguyên lý dùng ống venturi tạo chân không hút hóa chất vào hòa trộn với nước

đã đảm bảo được các yêu cầu tưới tiêu trong nông nghiệp như lưu lượng hóa chất, độ chính xác… Nguyên lý này lại rẻ tiền, tương đối đơn giản, dễ chế tạo trong điều kiện nước ta hiện nay

Trong mô hình này, ta sử dụng 3 loại hóa chất để điểu chỉnh nồng độ pH, các loại hóa chất này khi tác động với nhau sẽ làm cho độ pH biến đổi rất khó lường làm cho vấn đề xây dựng mô hình toán chính xác là rất khó Đồng thời do tính phi tuyến đặc biệt của đường cong chuẩn độ pH, có khi chỉ cần một sự thay đổi nhỏ về lượng chất cũng dẫn đến sự biến đổi rất lớn của nồng độ pH cho nên ở trong hệ thống này, bộ điều khiển các ống Venturi hoạt động được xây dựng dựa trên lý thuyết Mờ (Fuzzy Logic)

Lý thuyết Mờ thực sự hữu dụng với các đối tượng mà ta chưa biết rõ hàm truyền,

lý thuyết Mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được

Một hệ thống điều khiển mờ có rất nhiều ưu điểm như dễ dàng thiết kế, không nhất thiết cần có kiến thức chuyên sâu về lý thuyết điều khiển, dễ dàng hiệu chỉnh và

được xây dựng dựa trên kinh nghiệm điều khiển của chuyên gia Giải thuật mờ phù hợp trong điều khiển các quá trình phi tuyến và tập dữ liệu đầu vào không rõ ràng

Nguyên lý điều khiển mờ cũng giống như nguyên lý điều khiển cổ điển, chỉ khác

là ở đây sử dụng lý thuyết mờ để xây dựng bộ điều khiển cho hệ thống Nguyên lý điều khiển được thể hiện qua hình sau:

Hình 3.10 Nguyên lý điều khiển mờ

3.3 Giải thuật điều khiển

3.3.1 Xây dựng mô hình toán

Dựa trên sự tham khảo từ các sản phẩm trên thị trường, các phân tích ưu khuyết điểm từ các mô hình nghiên cứu và thực nghiệm, ta đã đưa ra sơ đồ nguyên lý hoạt động của mô hình như đã trình bày trong hình 3.9 ở mục 3.1.4

Trên cơ sở mô hình đã chọn và nghiên cứu các mô hình trong tài liệu tham khảo,

ta xây dựng mô hình điều khiển nồng độ pH dựa trên mô hình của Mc Avoy như hình 3.13 bên dưới

Hình 3.11 Quá trình điều khiển pH

Bởi vì lựa chọn phương pháp điều khiển nồng độ pH trực tuyến nên trong mô hình này ta không sử dụng bồn chứa để làm nơi lưu giữ và pha trộn dung dịch, thay vào

đó các hóa chất được hút lên với tốc độ cao nhờ ống Venturi và hòa trộn với nhau trên một hệ thống ống dài Nên ta có thể xem thể tích của hệ thống ống dẫn trước đầu ra giống như thể tích của bồn chứa trong mô hình của Mc Avoy

Tương tự như mô hình toán mà Mc Avoy đã xây dựng [1], ta có đưa ra mô hình toán của hệ thống như sau:

 w a a b b  a

a a a a

X T t F T t F F C T t F dt

dX

V  (  )   (  ) (  ) (3.7)

X T t F T t F F C T t F dt

w F C F F t T F t T X dt

F lưu lượng của dòng nước (dòng chất lỏng đầu vào), L/s

F a , F b , F s lần lượt lưu lượng của dung dịch axit mạnh và bazơ mạnh và dung dịch muối KCl L/s

F o = F a + F b + F w + F s lưu lượng ra khỏi bình chứa, L/s

C w là nồng độ ion Hcủa dòng nước, mol/L

C a là nồng độ của dung dịch axit mạnh HCl, mol/L

C b là nồng độ của bazơ mạnh NaOH, mol/L

T a , T b , T s lần lượt là thời gian trễ do quãng đường và trộn đều

Ta đặt x [H] [  OH], độ chênh lệch nồng độ của hai ion, mol/L

Từ (3.7) – (3.9), ta xét sự biến đổi nồng độ ion H+ trong dung dịch:

)((

)()

()

(

t x T t F T t F F T t F Ca T t F C F

dt

t

dx

Với x0 là độ chênh lệch nồng độ ban đầu

Nếu ban đầu, thùng chứa có độ pH là p0thì 0 14 0

[H][OH] K w  10Suy ra:

 Với các thông số của hệ thống như V T, s được thiết lập sẵn và giá trị tới hạn của lưu lượng dòng hóa chất F a, F b, giá trị của nồng độ C a và C bsẽ xác định được phạm vi

pH mà ta có thể điều khiển được

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ

3.3.2.1 Xác định biến vào – ra