Hệ thống điều khiển vi khí hậu trong lồng nuôi dưỡng trẻ sơ sinh

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, 67.103 e0,02 s (3)<br /> W 22 (s)=<br /> 45s  1<br /> 5,56.104 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 *103<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 />