Đề tài Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh - Nguyễn Thu Hà

Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh.” 150 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VI KHÍ HẬU TRONG LỒNG NUÔI DƯỠNG TRẺ SƠ SINH Nguyễn Thu Hà * Tóm tắt: Lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh (LNDTSS) là một thiết bị y tế quan trọng và cần thiết, nhiệm vụ chính của chiếc lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh là giữ ổn định thân nhiệt của trẻ ở một nhiệt độ thích hợp cho sự sống và sự phát triển của trẻ. Trong các LNDTSS hiện đại còn được trang bị thêm các hệ thống điều chỉnh độ ẩm, nồng độ khí oxy cùng các thiết bị điều trị khác như: đèn tử ngoại để điều trị bệnh vàng da, cân điện tử, các hệ thống theo dõi. Đây là một đối tượng hai đầu vào và hai đầu ra, hai biến điều khiển là điện áp cấp cho sợi đốt và phần trăm độ mở của van, hai biến cần điều khiển là nhiệt độ và độ ẩm trong lồng. Bài báo 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. Từ khóa: Điều khiển nhiệt độ; Điều khiển độ ẩm; Lồng ấp trẻ sơ sinh. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh (LNDTSS) là một thiết bị y tế quan trọng và được sử dụng cho trẻ sinh mổ hoặc sinh non. Tại các bệnh viện, LNDTSS được mua từ nước ngoài với giá thành khá cao ( 10000 – 27000USD/chiếc) nhưng khi hỏng hóc thì việc khôi phục gặp nhiều khó khăn do không có vật tư thay thế. Ở Việt Nam, cũng đã có một số đề tài nghiên cứu thiết kế LNDTSS [1, 2], tuy nhiên, các ứng dụng vẫn chưa rộng rãi. Đây là đối tượng nhiều chiều và trong những năm gần đây có rất nhiều thuật toán điều khiển hiện đại được áp dụng cho LNDTSS như điều khiển mờ [3, 4], mạng nơ ron [5], điều khiển dự báo [6], etc. Bài báo này trình bày về phần kết quả tiếp theo của đề tài [2], đó là các phương pháp điều khiển phi tập trung và điều khiển tách kênh cho hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm môi trường của lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh. 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VI KHÍ HẬU TRONG LNDTSS 2.1. Cấu tạo LNDTSS Đối tượng nghiên cứu là LNDTSS ATOM-V80 được sử dụng khá rộng rãi ở Việt Nam [7]. LNDTSS ATOM-V80 được trình bày trên hình 1. LNDTSS ATOM-V80 có kích thước 920x430x685mm, công suất đốt là 300W, dải nhiệt độ điều chỉnh là 25 – 37°C, độ chính xác: 0.25%. Ưu điểm của ATOM-V80 có thể điều khiển liên tục, nhược điểm của nó là chức năng hiển thị cũng như điều khiển còn hạn chế. 2.2. Hệ thống điều khiển vi khí hậu Hệ thống vi khí hậu bao gồm các thành phần cơ bản: hệ thống tuần hoàn khí, hệ thống điều khiển nhiệt độ, hệ thống điều khiển độ ẩm, cơ cấu điều khiển nồng độ ôxy và hệ thống báo động. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vi khí hậu được trình bày trên hình 2. Hình 1. LNDTSS ATOM-V80. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 151 Hình 2. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển vi khí hậu. - Hệ thống điều khiển nhiệt độ bao gồm bộ điều khiển nhiệt độ K1, cảm biến nhiệt độ không khí C1, cảm biến an toàn C2, cảm biến nhiệt độ da C3, buồng tạo nhiệt độ B1, phần tử sinh nhiệt S. Hệ thống điều khiển nhiệt độ là thành phần quan trọng nhất, đòi hỏi phải được điều khiển và giám sát với độ chính xác cao. Có hai thành phần chúng ta cần quan tâm đó là nhiệt độ của lồng và nhiệt độ thân nhiệt của bé. Nhiệt độ của lồng cho phép biến thiên từ 29 – 36oC, còn nhiệt độ thân nhiệt từ 36 – 39oC với bước thay đổi nhỏ nhất là 0.1oC. - Hệ thống điều khiển độ ẩm bao gồm bộ điều khiển độ ẩm K2, cảm biến đo độ ẩm C4, buồng tạo độ ẩm B2, van điều chỉnh lưu lượng không khí ẩm V3. Hệ thống điều khiển độ ẩm có nhiệm vụ tạo và ổn định độ ẩm trong lồng nuôi dưỡng ở các giá trị phù hợp với từng trường hợp cần chăm sóc. Độ ẩm trong lồng duy trì trong dải từ 40 – 85% với bước thay đổi nhỏ nhất là 5%. - Hệ thống điều khiển nồng độ ôxy và van điều khiển lưu lượng ôxy. - Hệ thống báo động gồm có các khối báo động K3, các rơle an toàn và thiết bị thu phát tín hiệu báo động ( đèn, còi). Hệ thống thực hiện cảnh báo nhằm đảm bảo an toàn cho trẻ trong trường hợp xảy ra sự cố. 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Sau khi thiết kế, chế tạo các mạch đo và điều khiển, tiến hành lắp ráp được một mô hình hoàn chỉnh, bước tiếp theo phải xác định thông số của bộ điều khiển. 3.1. Xác định hàm truyền đạt của đối tượng. Trong LNDTSS, điện áp xoay chiều được cấp cho sợi đốt. Sợi đốt nóng lên và tạo ra một công suất toả nhiệt. Nhiệt này sẽ đốt nóng luồng không khí dẫn vào lồng thay đổi nhiệt độ trong lồng. Một phần của luồng không khí đưa vào lồng được đưa qua một bình nước, làm cho nước trong bình bốc hơi và tạo thành ẩm. Lượng ẩm này được cấp cho lồng thông qua van. Đây là đối tượng hai vào hai ra. Hai tín hiệu vào là điện áp cấp cho sợi đốt và phần trăm độ mở của van. Hai tín hiệu ra là nhiệt độ và độ ẩm trong lồng. Sơ đồ cấu trúc của đối tượng vi khí hậu được biểu diễn trên hình 3. Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh.” 152 Hình 3. Sơ đồ cấu trúc đối tượng vi khí hậu. Để xác định mô tả toán học của lồng ấp có thể dùng phương pháp giải tích hoặc thực nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp giải tích rất khó xác định các hệ số nhiệt vật lý của lồng ấp cho nên ở đây chọn phương pháp thực nghiệm. Xác định hàm truyền đạt W11(s), W21(s) ta giữ % độ mở van không đổi và thay đổi điện áp xoay chiều V=60VAC thu được đường đặc tính trên hình 4. Từ đường đặc tính trên ta xác định được theo phương pháp một điểm qui chiếu theo [8]: 90 11 0,58 ( ) 1796 1 se W s s (1) 92 21 0, 4 ( ) 1100 1 se W s s (2) Hình 4. Đường đặc tính khi thay đổi điện áp. Xác định hàm truyền đạt W22(s), W12(s). Hai hàm truyền W22(s), W12(s) thể hiện sự ảnh hưởng của % độ mở van đối với nhiệt độ và độ ẩm. Biểu diễn trên hình 5. Hình 5. Đặc tính quá độ khi thay đổi kênh độ ẩm. W11 (s) W21 (s) W12 (s) W22(s) V t 0 RH % Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 153 Từ đường đặc tính thu được ta nhận thấy hàm truyền đạt của kênh độ ẩm, và ảnh hưởng của kênh độ ẩm tới nhiệt độ có dạng là khâu quán tính bậc nhất có trễ, thời gian trễ vận chuyển rất nhỏ ta có thể bỏ qua. W 22 (s)= 3 0,021,67.10 45 1 se s (3) W12 (s)= 4 0,185,56.10 255 1 se s (4) Ta nhận thấy khi nhiệt độ thay đổi (tăng) thì độ ẩm cũng thay đổi theo (giảm) nhưng với thời gian quán tính nhỏ hơn. Khi độ ẩm thay đổi (tăng), nước sẽ thu nhiệt và bốc hơi và làm cho nhiệt độ sẽ thay đổi (giảm). Nhưng trên thực tế (đồ thị thực nghiệm) ta thấy nhiệt độ lại tăng. Nguyên nhân là do lượng hơi nước nhỏ làm thay đổi rất ít nhiệt độ, đồng thời khi độ mở van lớn sẽ làm tăng lượng không khí nóng, và do đó, nhiệt độ cũng tăng theo. Tuy nhiên, sự thay đổi này rất nhỏ (≈ 0,10C), do đó, khi thiết kế bộ điều khiển ta có thể bỏ qua sự ảnh hưởng này (tương tự như bài [6] G12(s) = 0). 3.2. Thiết kế bộ điều khiển 3.2.1. Bộ điều khiển phi tập trung Xét hệ thống như là hệ có hai kênh độc lập, có nghĩa là không xét đến sự ảnh hưởng giữa các kênh với các chỉ tiêu chất lượng đối với hệ thống điều khiển vi khí hậu là: - Không có độ quá điều chỉnh : .0%  - Không có sai lệch tĩnh: ess = 0. - Thời gian quá độ nhỏ (khoảng 15 phút). - Xác định thông số bộ điều khiển cho riêng kênh nhiệt độ: Sơ đồ khối hệ thống với riêng kênh nhiệt độ được mô tả như sau: Hình 6. Hệ thống điều khiển với riêng kênh nhiệt độ. Với đối tượng: 90 11 0,58 ( ) 1796 1 se W s s Dùng công cụ turning trong Matlab ta xác định được thống số bộ điều khiển là: 1 1 ( ) 15(1 ) 1886 PIW s s (5) Mô phỏng lại hệ thống ta có được đặc tính đường nhiệt độ như hình 7 PI1 W11 Y1 X1 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh.” 154 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 5 10 15 20 25 30 35 Thoi gian (s) N hi et d o (o C ) Hình 7. Đáp ứng kênh nhiệt độ. - Xác định thông số bộ điều khiển cho riêng kênh độ ẩm: Sơ đồ khối hệ thống với riêng kênh độ ẩm được mô tả như sau: Hình 8. Hệ thống điều khiển với riêng kênh độ ẩm. Dùng phương pháp tối ưu module để thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng 3 22 1,67*10 ( ) 45 1 W s s Sau đó, chỉnh định bằng công cụ turning trong Matlab, ta có bộ điều khiển: 2 1 ( ) 299, 4(1 ) 45 PIW s s (6) Mô phỏng lại hệ thống ta có được đặc tính đường độ ẩm như hình 9. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Dap ung duong do am voi Kp=299.4 v Ti=45 Hình 9. Đáp ứng kênh độ ẩm. PI2 W22 Y2 X2 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 155 Với bộ điều khiển thiết kế được khi ghép nối vào hệ thống, thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ (hình 10) ta thấy đường độ ẩm cũng bị thay đổi theo. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Dap ung cua he thong kenh nhiet do Kenh muc Hình 10. Khi thay đổi giá trị đặt củanhiệt độ và độ ẩm. Như vậy, có sự ảnh hưởng tương tác giữa các kênh với nhau. Để loại bỏ sự ảnh hưởng này ta thiết kế bộ điều khiển tách kênh. 3.2.2. Bộ điều khiển tách kênh Do bỏ qua thành phần ảnh hưởng của kênh độ ẩm lên kênh nhiệt độ nên hệ thống điều khiển bù sẽ như sau: Hình 11. Sơ đồ mô phỏng hệ thống có bù. Trong đó, hàm truyền đạt của mạch bù được tính toán [9] như sau: W21(s)+B2.W22(s)=0 9221 2 22 ( ) 45 1 239,5 ( ) 1100 1 sW s sB e W s s (7) Khi đó, ta có đáp ứng của hệ thống khi thay đổi nhiệt độ và độ ẩm như trên hình 12. Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Nguyễn Thu Hà, “Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh.” 156 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Dap ung cua he thong khi co bu Kenh nhiet do Kenh do am Hình 12. Khi thay đổi giá trị đặt của nhiệt độ và độ ẩm. Mô phỏng hệ thống với các thống số của bộ điều khiển xác định trong 3.2.1, ta thấy, kết quả đạt chất lượng tốt. Khi chúng ta thay đổi giá trị thì không còn sự ảnh hưởng tương tác giữa các kênh. Với kết quả mô phỏng ta thấy rằng không có quá điều chỉnh, sai lệch tĩnh bằng 0, thời gian quá độ khoảng 450s không còn ảnh hưởng tương tác khi sử dụng bộ điều khiển tách kênh, kết quả tương tự như điều khiển dự báo trong [6] và điều khiển mờ [4]. 4. KẾT LUẬN LNDTSS là đối tượng nhiều đầu vào nhiều đầu ra, khi thiết kế theo bộ điều khiển phi tập trung thì chất lượng của hệ thống sẽ kém do có sự ảnh hưởng tương tác với nhau giữa đầu vào và đầu ra, khi thiết kế theo nguyên tắc tách kênh thì chất lượng tốt hơn. Hướng phát triển tiếp là sẽ nghiên cứu phát triển các thuật toán hiện đại như điều khiển dự báo tuyến tính hóa từng đoạn và mạng nơ ron cũng như bổ sung thêm hệ thống điều khiển nồng độ oxy. Lời cảm ơn: Tác giả cảm ơn giúp đỡ về ý tưởng khoa học của TS. Nguyễn Văn Hòa, nhóm sinh viên Lê Chí Kiên và Nguyễn Văn Minh đã xây đựng được mô hình đối tượng nhiều chiều. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ngô Diên Tập, Lê Kim Tuyến và 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 và 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. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017 157 [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 quá trình", Nhà xuất bản Bách Khoa. [9]. Hoàng Minh Sơn (2013), "Bài giảng Điều khiển quá 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 two- output, 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 bài ngày 25 tháng 4 năm 2017 Hoàn thiện ngày 7 tháng 5 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 7 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