CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN vào đó là các nội dung chính mà nhóm cần thực hiện để hoàn thành sản phẩm và những giới hạn mà nhóm chỉ có thể thực hiện trong đề tài này. Cơ sở lý thuyết Trình bày về giải thuật điều khiển PID và trình đặc tính, thông số kỹ thuật của các thiết bị chính được sử dụng trong đề tài này bao gồm: PIC 16F887, cảm biến đo nhiệt độ LM35, màn hình LCD 20X4, module USB UART PL2303, thanh gia nhiệt, buzzer, các linh kiện công suất … Chương 3. Tính toán và thiết kế Trình bày việc tính toán và thiết kế phần khung cơ khí dựa trên những sản phẩm đã có trên thị trường và mục tiêu của đề tài Trình bày việc xây dựng sơ đồ khối hệ thống; vẽ sơ đồ nguyên lí; tính toán, lựa chọn linh kiện dựa trên mục tiêu đề tài Mục đích của việc sử dụng chuẩn giao tiếp UART Trình bày chương trình hệ thống Chương 4. Thi công hệ thống Trình bày quá trình thi công mạch điện bao gồm: mạch in, mạch điện sau khi thi công Trình bày hình ảnh phần khung cơ khí sau khi thi công Trình bày sản phẩn hoàn thiện sau khi kết nối phần cơ khí và mạch điện Chương 5.
Kết quả, nhận xét, đánh giá Tiến hành lấy mẫu sữa chua và phân tích kết quả bằng phương pháp định định tính (cảm quan) và định lượng (kiểm tra độ pH), từ đó đánh giá hệ thống và điều chỉnh hoàn thiện hệ thống Kết luận giá trị tối ưu của các hệ số Kp, Ki, Kd, kiểm tra và đánh giá hệ thống dựa trên các tiêu chí chất lượng: độ vọt lố, sai số xác lập, thời gian đáp ứng … Chương 6. Kết luận và hướng phát triển Kết luận về ứng dụng PID trong điều chỉnh hệ thống, giá trị mà nó mang lại cho sản phẩm máy ủ sữa chua; các hướng phát triển của đề tài. 4 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Lý thuyết cơ bản về sữa chua 2.1 Giới thiệu về sữa chua và đặc tính lí hóa Sữa chua là một loại thực phẩm được sản xuất bởi quá trình lên men vi khuẩn của sữa.
Các vi khuẩn ăn đường sữa tự nhiên và giải phóng axit lactic như một chất thải. Độ axit tăng lên làm cho protein sữa đông lại thành một khối rắn (sữa đông) trong một quá trình gọi là biến tính (Robinson, R. Loài vi khuẩn thường được dùng Streptococcus salivarius subsp. thermophilus (ST) và Lactobacillus delbrueckii subsp.
Hai loại này sẽ kết hợp với vi khuẩn acid lactic khác để tạo nên hương vị hoặc ảnh hưởng đến cấu trúc sản phẩm, bao gồm Lactobacillus acidophilus (LA), Lactobacillus casei, và Bifidobacterium Hình 2. Lactobacillus delbrueckii subsp. Bulgaricus Trên thị trường hiện nay, sản phẩm sữa chua rất đa dạng về chủng loại, cấu trúc và mùi vị như: sữa chua khuấy (Stirred yogurt), sữa chua uống ngọt (Drinking sweet yogurt), sữa chua lạnh đông (Frozen yogurt),…Và loại sữa chua truyền thống (set yogurt) là sản phẩm mà nhóm hướng đến, sữa chua truyền thống có cấu trúc gel mịn, trong quy trình sản xuất yaourt truyền thống, sữa nguyên liệu sau khi được xử lý, cấy giống rồi được rót vào bao bì. Quá trình lên men diễn ra trong bao bì làm xuất hiện khối đông (coagulum) và tạo cấu trúc đặc trưng cho sản phẩm.
5 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Quá trình lên men làm thay đổi thành phần hóa học và giá trị cảm quan của sữa tươi, chuyển hóa sữa tươi thành sản phẩm yaourt.Trong quá trình lên men, acid lactic được sinh tổng hợp và làm giảm giá trị pH của sữa. Sản phẩm yaourt có giá trị pH từ 3. Giá trị pH thấp có tác dụng ức chế vi sinh vật (kể cả vi khuẩn lactic giông), góp phần kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm. Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng sữa chua như: nguyên liệu, dụng cụ chế biến, men giống, nhiệt độ lên men, điều kiện tối ưu để lên men sữa chua, nồng độ nuôi cấy, … Trong đề tài này, nhóm đánh giá mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian ủ và độ Ph làm căn cứ cho việc thi công và hiệu chỉnh hệ thống ổn định nhiệt độ ủ cho sữa chua.
Dựa theo nghiên cứu thực nghiệm lên men sữa bò thành sữa chua [5], thời gian ủ có ảnh hưởng rất lớn đến độ Ph trong sữa chua. Thí nghiệm cụ thể như sau: Bảng 2. Định lượng nguyên liệu thực nghiệm Mẫu Sữa Sữa đặc Yaourt cái Chủng Nhiệt độ ủ tươi lactic Mẫu sử dụng chủng vi khuẩn từ yaourt cái K/s M1 80g 25g 7,35g - 37oC nhiệt M2 80g 25g 7,35g - 45oC độ Mẫu sử dụng chủng vi khuẩn lactic K/s M7 80g 25g - 5,25g 37oC nhiệt M8 80g 25g - 5,25g 45oC độ Bảng 2. Mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ ủ và độ pH của sữa chua truyền thống Mẫu 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 6 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT M1 5.
Hình ảnh biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian, nhiệt độ ủ và độ pH Từ bài thí nghiệm (7) ta thấy ở nhiệt độ 45, cho dù là chủng vi khuẩn từ sữa chua cái hay vi khuẩn lactic thì độ Ph giảm nhanh và đạt pH < 4.5 nhanh hơn so với ở 37 độ. Khi thời gian ủ càng lớn thì pH sẽ giảm dần đến mức bão hòa. Dựa theo báo cáo nghiên cứu thực nghiệm làm sữa chua từ việc lên men sữa dê và sữa bò [5]. 7 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.
Ảnh hưởng nhiệt độ ủ và nồng độ nuôi cấy đến chất lượng sữa chua Ở các điều kiện tối ưu như trên, ở 46 độ trạng thái đông đặc (Average of Total Solids) của sữa thấp hơn, độ nhớt (Average of Viscosity) ở mức trung bình, độ axit chuẩn vị (Average of Titratable Adcidity ) cao nhất, độ Ph (Average of pH) thấp và ổn định nhất so với ở các thử nghiệm còn lại.2 Quy trình ủ sữa chua truyền thống 8 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Quy trình làm sữa chua truyền thống Trong đề tài này, giai đoạn ủ là giai đoạn mà nhóm thực hiện sẽ tác động vào – tức là thiết kế và thi công máy để ủ, còn các giai đoạn khác ảnh hưởng từ công thức pha chế. Lý thuyết bộ điều khiển PID PID là một bài toán điều khiển kinh điển, nó làm giúp tăng hiệu quả đáp ứng cho hệ thống. Phương pháp điều khiển PID sẽ cần một cảm biến nhiệt độ cố chức 9 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT năng đo nhiệt độ của hệ thống.
Khi đó ta sẽ kiểm tra xem nhiệt độ hệ thống đã đáp ứng 46oC chưa bằng cách tính sai số, sai số bằng 46(nhiệt độ mong muốn) trừ đi nhiệt độ cảm biến đo được hiện tại. Nếu sai số <0 thì tăng độ rộng xung lên, và ngược lại, giá tăng và giảm sẽ được nhóm giới thiệu công thức tính ở phần sau. Cứ kiếm tra và điều chỉnh như vậy thì hệ thống dần sẽ có nhiệt độ đúng hoặc gần đúng. PID là gì? PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động.
Một cách đơn giản nhất để hiểu về PID như sau: P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu. I: là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ.
Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ. D: là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.
[i] PID được coi là bộ điều khiển lý tưởng của các hệ thống điều khiển quy trình hiện đại. Nó được sử dụng hầu hết trong các ứng dụng điều khiển quá trình tự động trong công nghiệp hiện nay. Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, … Mục tiêu sử dụng bộ điều khiển PID: Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất. Hạn chế độ dao động.
Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.1 Lý thuyết PID liên tục Bộ điều khiển PID liên tục có sơ đồ khối như sau: 10 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID liên tục Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.
Sơ đồ điều khiển PID được đặt tên theo ba khâu hiệu chỉnh của nó, tổng của ba khâu này tạo thành bởi các biến điều khiển (MV). Ta có: MV(t) = Pout +Iout +Dout (2.1) Trong đó Pout, Iout, Dout là các thành phần đầu ra từ ba khâu của bộ điều khiển PID.