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

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