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