Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò nhiệt ấp trứng gia cầm sử dụng bộ điều khiển FuzzyPID

Nội dung đề tài được chia làm 3 phần: Phần 1. Tổng quan về lò ấp trứng gia cầm Phần 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò ấp bằng bộ điều khiển PID Phần 3: Bộ điều khiển mờ Phần 1. Tổng quan về lò ấp trứng gia cầm 1. Giới thiệu chung về đề tài. Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta có nhiều thành tựu vượt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho đất nước mà còn xuất khẩu ra thị trường thế giới. Với thành tựu to lớn đó, chúng ta phải kể đến ngành chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh tế quốc dân. Sự phát triển của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi gia cầm nói riêng đã đem lại lợi ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bước xoá đói giảm nghèo và ngày càng có nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất của mình nhờ vào kinh tế trang trại. Ngày nay, nền kinh tế trang trại được phát triển rộng rãi trên cả nước với quy mô vừa và lớn do đó vấn đề con giống là hết sức bức xúc. Ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công nghiệp là phương pháp tối ưu để sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp nở cao, đặc biệt có thể ấp được một số lượng trứng lớn, và chất lượng con giống được nâng cao. Chính vì vậy việc để đáp ứng được nhu cầu thiết thực trên nhóm chúng em đã nghiên cứu và chế tạo ra lò ấp trứng bằng bộ điều khiển PID. 1.1. Các vấn đề đặt ra. a. Đặt vấn đề Như chúng ta đã biết điều khiển tự động đã trở thành nhu cầu không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Một trong yếu tố được điều khiển tự động nhiều là nhiệt độ. Để làm được điều đó chúng ta cần phải sử dụng các thiết bị đo và điều khiển tự động ví dụ như cảm biến, rơle, ADC…Một trong những ứng dụng quan trọng và phổ biến nhất của điều khiển tự động nhiệt độ là ứng dụng để điều khiển nhiệt độ trong lò ấp trứng công nghiệp. Với ưu điểm của lò ấp trứng công nghiệp là tỉ lệ ấp thành công lớn, cho hiệu quả kinh tế cao. Vì vậy hệ thống lò ấp trứng công nghiệp ứng dụng rộng rãi trong phát triển kinh tế địa phương. b. Giải quyết vấn đề Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng phương pháp hiện đại dùng cảm biến và vi xử lý: Dùng dây maiso hoặc bóng đèn cung cấp nhiệt. Điều khiển và ổn định nhiệt độ bằng vi xử lý. Nguyên lý làm việc: sử dụng cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ lò ấp rồi chuyển tín hiệu cho khối điểu khiển thông qua rơle để điều khiển hệ thống nhiệt của lò ấp trứng và sử dụng cảm biến độ ẩm đo độ ẩm lò ấp để khối điều khiển điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt. Và cần phải có thiết bị tự động chuyển nguồn để đề phòng trường hợp xảy ra sự cố cắt điện thì hệ thống lò ấp vẫn được cấp điện đảm bảo hoạt đông bình thường. + Ưu điểm: đo và điều khiển nhiệt độ chính xác, tỷ lệ nở cao, đem lại hiệu quả kinh tế, phù hợp với sản suất số lượng lớn và các lò ấp công nghiệp chủ yếu thường sử dụng phương pháp này. + Nhược điểm: cần phải có kiến thức sâu rộng điện tử, cảm biến, vi xử lý, lập trình. 1.2 Lịch sử phát triển lò ấp trứng Trong các sách gia cầm ngày nay, chúng ta vẫn nghe nói rằng phương pháp ấp trứng nhân tạo cổ xưa nhất được phát minh ở Ai Cập. Diodorus Siculus (sử gia Hy Lạp) viết về điều này trong thời của mình – từ năm 80 đến 20 trước công nguyên. Những tác giả cổ hơn, chẳng hạn như Aristotle và Pliny, viết rằng người Ai Cập từ lâu đã sử dụng một loại “lò” đặc biệt để ấp trứng gia cầm, nhưng không ai biết rõ quy trình này. Điều duy nhất mà mọi người biết là phân lạc đà được sử dụng để cung cấp nhiệt cần thiết cho việc ấp. 2. Tổng quan về lò ấp trứng. 2.1. Tổng quan Dựa trên các yếu tố của việc ấp trứng tự nhiên do gia cầm thực hiện, máy ấp trứng đưa ra các giải pháp kỹ thuật tương tự. Với các ưu thế hơn hẳn về sản lượng ấp cho một mẻ trứng. Trong đề tài này, nhóm thực hiện xin giới thiệu về cấu trúc tổng quát của máy ấp trứng được nhóm tổng kết sau quá trình tham quan thực tế và tham khảo tài liệu. Các loại trứng gia cầm khác nhau có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ấp nở. Về cơ bản, máy ấp trứng tự động gồm bốn khâu: nhiệt độ, đảo trứng, độ ẩm và thông gió, các thông số kỹ thuật đều được điều chỉnh bằng mạch bán dẫn và vi điện tử. Để có giống khỏe mạnh, tỷ lệ nở cao, máy phải giải quyết được triệt đẻ bốn khâu trên. Khâu nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất, quả trứng ấp không đủ nhiệt thì phôi sẽ không phát triển. Đề giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức năng cách ly tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện. Trong máy có các hệ thống dây điện trở, có chức năng sinh nhiệt, mỗi dây có công suất tùy thuộc vào thể tích vủa lồng ấp. Để đóng, ngắt mạch điện và dây điện trở sinh nhiệt, có thể sử dụng relay điện từ không tiếp điểm, dung triac công suất lớn, bộ đóng ngắt hoạt đọng với độ tin cậy cao. Khâu đảo trứng là khâu thứ hai trong quá trình ấp. Thông thường trứng được đảo vài giờ một lần, một lần kéo dài khoảng 10 phút. Việc đảo trứng thực hiện chậm vì tránh hiện tượng va đập làm hư trứng. Dàn đảo sẽ dảo với một góc không quá 60O hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng. Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước. Trong qua trình tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần. Máy ấp trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được tùy ý. Thông thường máy ấp có giàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy thuốc vào từng giai đoạn của trứng. Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp. Các quạt thông gió phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động. Việc gắn với cửa chớp là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt. Việc thông gió có thể kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp.   2.2. Cấu tạo a. Thùng máy và giàn khay trứng: Thùng máy thường có dạng hình hộp bằng gỗ và có thể bọc tôn, nhôm ngoài mặt đáy để tăng cứng vững, có cửa lớn phía trước để đưa trứng vào ra, có cửa kính để quan sát trong máy, nhiệt kế, ẩm kế; có cửa sổ phía sau để mở và chăm sóc máy bên trong. Ngoài ra còn có cửa thoát gió, thoát khí thải trong máy. Giàn là một bộ khung, thường bằng kim loại, để đặt các khay trứng, có thể xoay nghiêng bên phải, bên trái để đảo trứng. Giàn thường có 2 kiểu: giàn trống và giàn tầng. Khay xếp trứng ấp (khay ấp) thường hình chữ nhật, bằng gỗ, kim loại hoặc nhựa có những thanh ngăn giữ trứng. Khe giữa các thanh có thể thay đổi rộng hẹp để phù hợp kích thước to nhỏ của các loại trứng. Khay xếp trứng nở (khay nở) cũng hình chữ nhật, có đáy bằng lưới thép (lỗ vuông hoặc tròn). Khi tới ngày nở trứng được chuyền từ các khay ấp sang khay nở để việc nở của trứng được dễ ràng. Khi đảo trứng, các khay ấp sẽ nghiêng cùng với khung giàn một góc 45O 47O so với mặt ngang, lần lượt theo 2 phía đối xứng. b. Bộ tạo nhiệt và bộ điều nhiệt Bộ tạo nhiệt làm việc theo các nguyên lý sau: Bằng nước nóng: nước đun ngoài đổ vào bình tạo nhiệt đặt trong máy, phía trên. Nước nóng đun bằng đèn dầu: nước nóng lưu thông theo ống dẫn trong máy bằng cách đối lưu để cấp nhiệt cho trứng. Bằng điện: dùng các dây điện trở đốt nóng, khi có dòng điện qua sẽ toả nhiệt cho máy. Bộ điều nhiệt thường gồm một bộ cảm biến nhiệt đặt trong máy, tác động vào bộ đóng ngắt mạch điện cung cấp cho dây điện trở tạo nhiệt. Ở máy ấp trứng bằng nước nóng và đun đèn dầu thường dùng bộ cảm biến nhiệt kiểu bầu ête để tác động vào bộ phận đóng mở ống khói nóng của đèn dầu đun nước, nhờ đó mà tự động điều nhiệt được.   c. Bộ tạo ẩm Làm việc theo nguyên lý sau: Dẫn nước hay đổ nước vào máng tạo ẩm đặt trong máy để nước bốc hơi tạo ẩm. Cách này thủ công, đơn giản, không đảm bảo tốt yêu cầu độ ẩm ổn định, khó điều ẩm tốt được. Vung nước qua cánh quạt trong máy, nước từ bình chứa đặt cao hay từ mạng ống cung cấp chung của trại, qua van nước, ống dẫn vào bầu, để rồi theo ống dẫn hàn dọc các cánh quạt gió mà vung ra xung quanh, xuyên qua các lỗ nhỏ của vành lưới thép bao xung quanh, sẽ tạo thành lớp sương mù gây ẩm trong máy. d. Bộ thông gió và bộ điều gió Bộ thông gió ở các máy ấp trứng đều là quạt hướng trục, lắp ở giữa thành sau bên trong máy. Cửa hút gió được bố trí gần trục quạt có nắp điều gió, điều chỉnh độ mở bằng tay. Cửa thoát gió thường bố trí trên nóc máy hay ở thành trước máy, có nắp điều gió, đóng mở bằng tay. e. Bộ đảo trứng Bao gồm có các nguyên lý làm việc sau: Động cơ điện quay: dùng cho mọi kiểu giàn trứng, thường gồm động cơ điện, bộ giảm tốc, bộ truyền động và cụm tiếp điểm cuối. Dây kéo: dùng ở một số máy ấp trứng cỡ nhỏ, trong đó khay trứng có các đũa tròn xoay được, quấn một dây chung sao cho khi đảo, ta kéo một đầu dây thì các đũa xoay đủ để khay trứng xoay theo một góc nào đó. Tay quay: dùng ở máy ấp trứng có giàn trống, dùng tay quay trống nghiêng một góc 45O 47O (so với mặt nằm ngang) lần lượt cả hai phía theo từng thời gian quy định. f. Bộ điều khiển và báo hiệu Thường bao gồm: những bộ khởi động từ, những cụm tiếp điểm tổng, những rơle điện từ, cầu chì, nút bấm, cụm đầu nối điện, chuông đèn báo hiệu. g. Bộ phận phụ trợ Máy ấp trứng còn có những bộ phận phụ trợ như: giàn chuyển trứng, bộ bánh xe chuyển giàn trứng, bàn chuyển trứng, thang, dụng cụ soi trứng. 3. Phân loại lò ấp trứng. 3.1. Lò ấp trứng thủ công Thực chất là việc sắp các kệ trứng xen kẽ giữa các bóng đèn, trong một không gian rộng. Phương pháp ấp trứng gia cầm mà việc điều chỉnh chế độ nhiệt độ, độ ẩm qua các giai đoạn ấp hoàn toàn nhờ vào kinh nghiệm, cảm giác của người chủ ấp thì gọi là ấp trứng thủ công. a. Ưu điểm của phương pháp ấp trứng thủ công Lò ấp trứng được làm bằng “bồ” đan bằng tre nứa, thóc lép hoặc trấu, chăn, màn (ủ trứng) … là những thứ rẻ tiền sẵn có ở bất cứ vùng nào. Nhà xưởng để lắp đặt lò đơn giản, có thể sử dụng nhà bếp, nhà ở, nhà kho … Quy mô trứng ấp từ ít đến nhiều, không bị phụ thuộc vào quy mô máy, rất thuận thiện vì vậy trứng luôn được cho vào ấp, không cần bảo quản dài ngày. Có thể sử dụng được bất cứ loại lao động nào trong gia đình hoặc thôn xóm để tham gia vận hành lò ấp. Nhất thiết phải có người chịu trách nhiệm kỹ thuật ấp: ông chủ lò ấp hoặc một chuyên gia về ấp thủ công … b. Nhược điểm của phương pháp ấp trứng thủ công Hoàn toàn không có khả năng tự động. Khả năng trứng nỏ phụ thuộc vào kinh nghiệm người làm việc, do vậy hiệu quả kinh tế không cao. Sử dụng nhiều nhân công khi ấp trứng. c. Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc hoàn toàn thủ công và hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm: dung đèn thắp sang để cung cấp nhiệt độ cho lò ấp, đảo trứng 5 – 7 lần trên 1 ngày trong 10 ngày đầu và 3 – 4 lần trong các ngày còn lại, tiến hành phun nước cho lò cứ cách vài ngày phun một lần (độ ẩm khoảng 80%). Tất cả các quá trình trên hoàn toàn không tự động. Giá thành rẻ do các nguyên vật liệu làm lò hoàn toàn dễ kiếm tại các địa phương. 3.2. Lò ấp trứng bán thủ công. Biên độ nhiệt: trong khoảng tăng 0,1O C – giảm 0,1O C. Nhiệt độ được điều khiển tự động, ổn định bằng vi xử lý, tạo độ ẩm tự động, đảo trứng tự động. Có thể ấp theo chế độ đa kỳ (mỗi tuần vào trứng một lần) hoặc đơn kỳ (vào trứng một lần). a. Ưu điểm. Hệ thống nhỏ gọn dễ lắp đặt. Giá thành rẻ, dễ chế tạo. Làm việc liên tục nhiều ngày. Làm việc được ở điện áp 220V. Công suất tiêu thụ thấp, giảm được một lượng lớn nhân công. Có khả năng tự động hóa 1 phần, người sử dụng có thể cài các chế độ tự động theo một số phần mềm định sẵn. b. Nhược điểm. Không có khả năng báo lỗi và hoạt động khi mất điện. Hoạt động trong một quy mô nhỏ khoảng 1000 trứng. Cần giám sát khi hệ thống hoạt động. 3.3. Lò ấp trứng công nghiệp Đây là một hệ thống hoàn toàn tự động. Tất cả các thông số được nhập vào một lần và sẽ được sử lý trong suốt quá trình làm việc. a. Ưu điểm Hệ thống hoàn toàn tự động. Hoạt động lên tục. Có thông báo khi có sự cố. Khả năng tự xử lý sự cố. Khả năng chống bị phá hoại cao. Hệ thống bền, tái sử dụng cao. Sử dụng điện áp 220V hoặc 380V. b. Nhược điểm Hệ thống khá đắt. Sử dụng ở quy mô sản xuất lớn. c. Nguyên lý làm việc. Bằng việc sử dụng vi xử lý kết hợp các linh kiện điện tử cũng như lập trình từ phái người thiết kế, khối xử lý trung tâm sẽ nhận các thông số đầu vào từ cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm trong máy và các chế độ, thông số từ phía giao diện người dùng, từ đó cho ra các tín hiệu hợp lý đưa tới các khối hệ thống riêng biệt để các hệ thống thực hiện chức năng, nhiệm vụ của mình. Nguyên lý hoạt động chung của các máy ấp trứng công nghiệp được mô tả như sơ đồ khối bên dưới.

Lời nói đầu

Thế kỷ 21 mở ra một thời đại mới, thời đại khoa học công nghệ đòi hỏi con người luôn luôn không ngừng tìm tòi học tập để tiến bộ Thiết bị và công nghệ luôn được đổi mới tiên tiến hiện đại để góp phần nâng cao chất lượng cũng như các máy móc, thiết bị hoạt động có hiệu quả, an toàn ổn định Ngày nay các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hóa và điều khiển từ xa

Trong hoạt động sản xuất nông nghiệp hiện nay, việc tự động khâu sản xuất

là rất quan trọng Nhiều năm trở lại đây, có rất nhiều ứng dụng của vi điều khiển vào hoạt động chăn nuôi, …Một trong những yếu tố của ngành nông nghiệp là chăn nuôi gia cầm với một khâu quan trọng là ổn định trong khâu sản xuất con giống, mà

cự thể là việc ấp nở con giống từ trúng gia cầm Từ thực tế thấy được tầm quan trọng của việc ấp nở con giống từ trứng gia cầm và đặc biệt là việc ổn định nhiệt độ lò ấp trứng Vì thế chúng em lựa chọn đề tài thiết kế lò ấp trứng tự động

Với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn, cùng với sự nỗ lực của bản thân, đến nay đề tài nghiên cứu khoa học của chúng em đã hoàn thành Trong quá trình làm bài do kinh nghiệm còn hạn chế, các tài liệu tham khảo có hạn nên chúng

em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em mong được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô để bài làm của chúng em hoàn thiện hơn

Chúng em cin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Quách Đức Cường đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp chúng em hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này với kết quả tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

Nội dung đề tài được chia làm 3 phần:

Phần 1 Tổng quan về lò ấp trứng gia cầm

Phần 2: Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò ấp bằng bộ điều khiển PID

Phần 3: Bộ điều khiển mờ

Phần 1 Tổng quan về lò ấp trứng gia cầm

1 Giới thiệu chung về đề tài

Trong nhiều năm qua ngành nông nghiệp nước ta có nhiều thành tựu vượt bậc, không chỉ đủ cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho đất nước mà còn xuất khẩu ra thị trường thế giới Với thành tựu to lớn đó, chúng ta phải kể đến ngành chăn nuôi gia cầm đã góp phần quan trọng cho nền kinh tế quốc dân Sự phát triển của ngành chăn nuôi nói chung và ngành chăn nuôi gia cầm nói riêng đã đem lại lợi ích kinh tế cho các hộ nông dân, từng bước xoá đói giảm nghèo và ngày càng có nhiều hộ gia đình làm giàu trên mảnh đất của mình nhờ vào kinh tế trang trại Ngày nay, nền kinh tế trang trại được phát triển rộng rãi trên cả nước với quy mô vừa và lớn do đó vấn đề con giống là hết sức bức xúc Ấp trứng nhân tạo bằng máy ấp công nghiệp là phương pháp tối ưu để sản xuất con giống trong thời gian ngắn, tỷ lệ ấp

nở cao, đặc biệt có thể ấp được một số lượng trứng lớn, và chất lượng con giống được nâng cao Chính vì vậy việc để đáp ứng được nhu cầu thiết thực trên nhóm chúng em đã nghiên cứu và chế tạo ra lò ấp trứng bằng bộ điều khiển PID

b Giải quyết vấn đề

Để giải quyết vấn đề trên ta sử dụng phương pháp hiện đại dùng cảm biến và vi

xử lý:

- Dùng dây maiso hoặc bóng đèn cung cấp nhiệt Điều khiển và ổn định nhiệt

+ Ưu điểm: đo và điều khiển nhiệt độ chính xác, tỷ lệ nở cao, đem lại hiệu quả kinh

tế, phù hợp với sản suất số lượng lớn và các lò ấp công nghiệp chủ yếu thường sử dụng phương pháp này

+ Nhược điểm: cần phải có kiến thức sâu rộng điện tử, cảm biến, vi xử lý, lập trình

1.2 Lịch sử phát triển lò ấp trứng

Trong các sách gia cầm ngày nay, chúng ta vẫn nghe nói rằng phương pháp

ấp trứng nhân tạo cổ xưa nhất được phát minh ở Ai Cập Diodorus Siculus (sử gia

Hy Lạp) viết về điều này trong thời của mình – từ năm 80 đến 20 trước công nguyên Những tác giả cổ hơn, chẳng hạn như Aristotle và Pliny, viết rằng người Ai Cập từ lâu đã sử dụng một loại “lò” đặc biệt để ấp trứng gia cầm, nhưng không ai biết rõ quy trình này Điều duy nhất mà mọi người biết là phân lạc đà được sử dụng để cung cấp nhiệt cần thiết cho việc ấp

Hình I.1 Lò ấp trứng cổ đại

Vào thời đó, nhiều nhà phát minh cố gắng chế tạo máy ấp trứng dựa trên phương pháp của người Ai Cập Nỗ lực đầu tiên được thực hiện bởi Jean Baptiste Della Porta vào năm 1588 ở Ý Ông bị buộc phải ngưng công việc bởi Tòa án Dị giáo Tây Ban Nha Ở Mỹ, Lyman Byce, một thanh niên 26 tuổi người Canada, người đến Petaluma để chữa bệnh, đã phát minh ra lò ấp điều khiển nhiệt độ vào năm 1879 cùng với Isaac Dias, một nha sĩ địa phương Cha của Byce nuôi gà và dùng phân gia súc để sưởi ấm chuồng Với hình ảnh đó trong đầu, anh phát minh ra cách ấp nhân tạo trứng gà Lò ấp này là một đột phá trong ngành công nghiệp gia cầm Mỹ, nhanh chóng đánh dấu Petaluma trên bản đồ như là “Rổ trứng của thế giới”

Và với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp hiện nay lò ấp trứng đã được cải tiến nhân rộng về hiệu quả và năng suất cao khác xa vưới lò ấy trứng của nhà phát minh ra nó và đây là kết quả đã được kết tụ của nhiều năm qua

Hình I.2 Lò ấp trứng hiện đại

Các loại trứng gia cầm khác nhau có các yêu cầu khác nhau về nhiệt độ, độ

ẩm và thời gian ấp nở Về cơ bản, máy ấp trứng tự động gồm bốn khâu: nhiệt độ, đảo trứng, độ ẩm và thông gió, các thông số kỹ thuật đều được điều chỉnh bằng

mạch bán dẫn và vi điện tử Để có giống khỏe mạnh, tỷ lệ nở cao, máy phải giải quyết được triệt đẻ bốn khâu trên

Khâu nhiệt độ đóng vai trò quan trọng nhất, quả trứng ấp không đủ nhiệt thì phôi sẽ không phát triển Đề giữ nhiệt, các vỏ máy được thiết kế dày và có chức năng cách ly tốt, góp phần lưu nhiệt khi mất điện Trong máy có các hệ thống dây điện trở, có chức năng sinh nhiệt, mỗi dây có công suất tùy thuộc vào thể tích vủa lồng ấp Để đóng, ngắt mạch điện và dây điện trở sinh nhiệt, có thể sử dụng relay điện từ không tiếp điểm, dung triac công suất lớn, bộ đóng ngắt hoạt đọng với độ tin cậy cao

Khâu đảo trứng là khâu thứ hai trong quá trình ấp Thông thường trứng được đảo vài giờ một lần, một lần kéo dài khoảng 10 phút Việc đảo trứng thực hiện chậm

vì tránh hiện tượng va đập làm hư trứng Dàn đảo sẽ dảo với một góc không quá

60O hoặc thấp hơn tùy vào thiết kế của giá để trứng

Một quả trứng bình thường chứa 6,5% đến 6,6% lượng nước Trong qua trình tiếp nhiệt độ để phát triển thành con giống, lượng nước sẽ bị bay hơi dần Máy ấp trứng phải có hệ thống cung cấp độ ẩm tự động và điều chỉnh được tùy ý Thông thường máy ấp có giàn phun nước tự động để giữ cho độ ẩm không thay đổi tùy thuốc vào từng giai đoạn của trứng

Thông gió là phần không thể thiếu trong quá trình ấp Các quạt thông gió phải gắn với cửa chớp mở tự động mỗi khi quạt hoạt động Việc gắn với cửa chớp

là để đảm bảo việc cách ly với môi trường bên ngoài, đảm bảo việc giữ nhiệt Việc thông gió có thể kết hợp với việc giảm nhiệt cho máy ấp

2.2 Cấu tạo

a Thùng máy và giàn khay trứng:

- Thùng máy thường có dạng hình hộp bằng gỗ và có thể bọc tôn, nhôm ngoài mặt đáy để tăng cứng vững, có cửa lớn phía trước để đưa trứng vào ra, có cửa kính

để quan sát trong máy, nhiệt kế, ẩm kế; có cửa sổ phía sau để mở và chăm sóc máy bên trong Ngoài ra còn có cửa thoát gió, thoát khí thải trong máy

- Giàn là một bộ khung, thường bằng kim loại, để đặt các khay trứng, có thể xoay nghiêng bên phải, bên trái để đảo trứng Giàn thường có 2 kiểu: giàn trống và giàn tầng

- Khay xếp trứng ấp (khay ấp) thường hình chữ nhật, bằng gỗ, kim loại hoặc nhựa có những thanh ngăn giữ trứng Khe giữa các thanh có thể thay đổi rộng hẹp

để phù hợp kích thước to nhỏ của các loại trứng

- Khay xếp trứng nở (khay nở) cũng hình chữ nhật, có đáy bằng lưới thép (lỗ vuông hoặc tròn) Khi tới ngày nở trứng được chuyền từ các khay ấp sang khay nở

để việc nở của trứng được dễ ràng Khi đảo trứng, các khay ấp sẽ nghiêng cùng với khung giàn một góc 45O - 47O so với mặt ngang, lần lượt theo 2 phía đối xứng

b Bộ tạo nhiệt và bộ điều nhiệt

Bộ tạo nhiệt làm việc theo các nguyên lý sau:

- Bằng nước nóng: nước đun ngoài đổ vào bình tạo nhiệt đặt trong máy, phía trên

- Nước nóng đun bằng đèn dầu: nước nóng lưu thông theo ống dẫn trong máy bằng cách đối lưu để cấp nhiệt cho trứng

- Bằng điện: dùng các dây điện trở đốt nóng, khi có dòng điện qua sẽ toả nhiệt cho máy Bộ điều nhiệt thường gồm một bộ cảm biến nhiệt đặt trong máy, tác động vào bộ đóng ngắt mạch điện cung cấp cho dây điện trở tạo nhiệt Ở máy ấp trứng bằng nước nóng và đun đèn dầu thường dùng bộ cảm biến nhiệt kiểu bầu ête để tác động vào bộ phận đóng mở ống khói nóng của đèn dầu đun nước, nhờ đó mà tự động điều nhiệt được

c Bộ tạo ẩm

Làm việc theo nguyên lý sau:

- Dẫn nước hay đổ nước vào máng tạo ẩm đặt trong máy để nước bốc hơi tạo

ẩm Cách này thủ công, đơn giản, không đảm bảo tốt yêu cầu độ ẩm ổn định, khó điều ẩm tốt được

- Vung nước qua cánh quạt trong máy, nước từ bình chứa đặt cao hay từ mạng ống cung cấp chung của trại, qua van nước, ống dẫn vào bầu, để rồi theo ống dẫn hàn dọc các cánh quạt gió mà vung ra xung quanh, xuyên qua các lỗ nhỏ của vành lưới thép bao xung quanh, sẽ tạo thành lớp sương mù gây ẩm trong máy

d Bộ thông gió và bộ điều gió

- Bộ thông gió ở các máy ấp trứng đều là quạt hướng trục, lắp ở giữa thành sau bên trong máy Cửa hút gió được bố trí gần trục quạt có nắp điều gió, điều chỉnh độ

mở bằng tay Cửa thoát gió thường bố trí trên nóc máy hay ở thành trước máy, có nắp điều gió, đóng mở bằng tay

e Bộ đảo trứng

Bao gồm có các nguyên lý làm việc sau:

- Động cơ điện quay: dùng cho mọi kiểu giàn trứng, thường gồm động cơ điện,

bộ giảm tốc, bộ truyền động và cụm tiếp điểm cuối

- Dây kéo: dùng ở một số máy ấp trứng cỡ nhỏ, trong đó khay trứng có các đũa tròn xoay được, quấn một dây chung sao cho khi đảo, ta kéo một đầu dây thì các đũa xoay đủ để khay trứng xoay theo một góc nào đó

- Tay quay: dùng ở máy ấp trứng có giàn trống, dùng tay quay trống nghiêng một góc 45O - 47O (so với mặt nằm ngang) lần lượt cả hai phía theo từng thời gian quy định

f Bộ điều khiển và báo hiệu

Thường bao gồm: những bộ khởi động từ, những cụm tiếp điểm tổng, những rơle điện từ, cầu chì, nút bấm, cụm đầu nối điện, chuông đèn báo hiệu

a Ưu điểm của phương pháp ấp trứng thủ công

Lò ấp trứng được làm bằng “bồ” đan bằng tre nứa, thóc lép hoặc trấu, chăn, màn (ủ trứng) … là những thứ rẻ tiền sẵn có ở bất cứ vùng nào

Nhà xưởng để lắp đặt lò đơn giản, có thể sử dụng nhà bếp, nhà ở, nhà kho … Quy mô trứng ấp từ ít đến nhiều, không bị phụ thuộc vào quy mô máy, rất thuận thiện vì vậy trứng luôn được cho vào ấp, không cần bảo quản dài ngày

Có thể sử dụng được bất cứ loại lao động nào trong gia đình hoặc thôn xóm

để tham gia vận hành lò ấp Nhất thiết phải có người chịu trách nhiệm kỹ thuật ấp: ông chủ lò ấp hoặc một chuyên gia về ấp thủ công …

b Nhược điểm của phương pháp ấp trứng thủ công

- Hoàn toàn không có khả năng tự động

- Khả năng trứng nỏ phụ thuộc vào kinh nghiệm người làm việc, do vậy hiệu quả kinh tế không cao

- Sử dụng nhiều nhân công khi ấp trứng

c Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc hoàn toàn thủ công và hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm: dung đèn thắp sang để cung cấp nhiệt độ cho lò ấp, đảo trứng 5 – 7 lần trên 1 ngày trong 10 ngày đầu và 3 – 4 lần trong các ngày còn lại, tiến hành phun nước cho lò

cứ cách vài ngày phun một lần (độ ẩm khoảng 80%) Tất cả các quá trình trên hoàn toàn không tự động

Giá thành rẻ do các nguyên vật liệu làm lò hoàn toàn dễ kiếm tại các địa phương

- Làm việc liên tục nhiều ngày

- Làm việc được ở điện áp 220V

- Công suất tiêu thụ thấp, giảm được một lượng lớn nhân công

- Có khả năng tự động hóa 1 phần, người sử dụng có thể cài các chế độ tự động theo một số phần mềm định sẵn

b Nhược điểm

- Không có khả năng báo lỗi và hoạt động khi mất điện

- Hoạt động trong một quy mô nhỏ khoảng 1000 trứng

- Cần giám sát khi hệ thống hoạt động

Bằng việc sử dụng vi xử lý kết hợp các linh kiện điện tử cũng như lập trình

từ phái người thiết kế, khối xử lý trung tâm sẽ nhận các thông số đầu vào từ cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm trong máy và các chế độ, thông số từ phía giao diện người dùng, từ đó cho ra các tín hiệu hợp lý đưa tới các khối hệ thống riêng biệt để các hệ thống thực hiện chức năng, nhiệm vụ của mình Nguyên lý hoạt động chung của các máy ấp trứng công nghiệp được mô tả như sơ đồ khối bên dưới

Hình I.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống

3.4 Giới thiệu một số máy ấp trứng trên thị trường hiện nay

- Công suất tiêu thụ: 10 kw / 1 kỳ ấp

- Phun ẩm: tùy chỉnh, tự động đóng ngắt khi quá % quy định

- Hệ thống cung cấp nhiệt: bóng đèn halozen chuyên dùng cho ấp trứng

- Đảo trứng: tự động chọn hẹn giờ từ 30 phút – 120 giờ

- Nhiệt độ được điều khiển tự động, ổn định bằng vi xử lý

- Tạo độ ẩm tự động

- Đảo trứng tự động (có thể tùy chọn thời gian đảo từ 1 giờ - 120 giờ)

- Có thể ấp theo chế độ đa kỳ (mỗi tuần vào trứng một lần)

Phần 2 Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ lò ấp bằng điều khiển PID

1 Tổng quan về bộ điều khiển PID

Một hệ thống điều khiển PID nói chung đều có mô hình tổng quan dưới dạng:

Quá trình điều khiển theo mô hình trên là một quá trình khép kín Giá trị setpoint – SP là giá trị đặt trước mà hệ thống phải làm việc xung quanh giá trị đó tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng của hệ thống Việc đảm bảo tính ổn định cũng như chất lượng của hệ thống thực chất là đưa hệ thống luôn bám sát SP với độ sai lệch nhỏ nhất và thời gian quá độ nhanh nhất

Bộ điều khiển PID gồm 3 thành phần: Tỉ lệ (P), Vi phân (D), Tích phân (I) Mỗi thành phần có tác động khác nhau tới quá trình điều khiển của hệ thống Cụ thể:

1.1 Thành phần tỉ lệ (P):

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tín hiệu sai lẹch e(t)

Phương trình sai phân mô tả động học:

( ) = ( )

Trong đó: u(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển

e(t): tín hiệu vào Km: hệ số khuếch đại của bộ điều khiển

+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

Từ các đặc tính trên ta thấy quy luật tỉ lệ phản ứng như nhau đối với tín hiệu

ở mọi dải tần số, góc lệch pha giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra bằng 0, tín hiệu ra sẽ tác động ngay khi có tín hiệu vào

+ Sai lệch hệ thống:

Hình II.2 Sai lệch hệ thống được tính:

Tín hiệu điều khiển u(t) tỉ lệ với tích phân của tín hiệu sai lệch e(t)

Phương trình vi phân mô tả động học:

( ) = ∫ ( ) = ∫ ( )

Trong đó: U(t): tín hiệu điều khiển

e(t): tín hiệu vào của bộ điều khiển Ti: hằng số thời gian tích phân

+ Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy luật điều khiển tích phân tác động kém với các tín hiệu có tần số cao

Trong tất cả các giải tần số, tín hiệu ra phản ứng chậm pha so với tín hiệu vào một góc 90O, điều này có nghĩa là luật tích phân tác động chậm, do vậy hệ thống

dễ bị dao động, phụ thuộc vào hằng số thời gian tích phân Ti

1.3 Thành phần vi phân (D):

Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỉ lệ với vi phân tín hiệu sai lệch e(t) Phương trình vi phân mô tả động học:

( ) = ( )

Trong đó: e(t): tín hiệu vào của bộ điều khiển

U(t): tín hiệu điều khiển Td: hằng số thời gian vi phân + Hàm truyền đạt trong miền ảnh Laplace:

( ) = ( )

( ) = + Hàm truyền đạt trong miền tần số:

( ) = =

Trong đó:

A(w) = Td.w ; ( ) = + Hàm quá độ:

( ) = ( )= ( )

+ hàm quá độ xung:

( ) = ( )= ( )

+ Đồ thị đặc tính:

+ Sai lệch của hệ thống:

Hình II.6

Sai lệch của hệ thống được tính:

+ Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân có đặc tính tác động nhanh, đây là một đặc tính

mà trong điều khiển tự động thường rất mong muốn

+ Nhược điểm: khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển có luật vi phân thì hệ thống

dẽ bị tác động bởi nhiễu cao tần, đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp

( ) = ( ) + ( ) + ( )

( ) = ( ) + 1 ( ) + ( )

Trong đó:

e(t): tín hiệu vào của bộ điều khiển U(t): tín hiệu ra của bộ điều khiển

= : hệ số khuếch đại

= / : hằng số thời gian vi phân

= hằng số thời gian tích phân

+ Hàm truyền đạt trong miền tần số:

( ) = ( )

( ) = 1 +

1 + . .

+ Đồ thị đặc tính:

Hình II.8

Từ đồ thị đặc tính ta nhận thấy rằng đặc tính làm việc của bộ điều khiển PID rất linh hoạt, mềm dẻo

- Ở dải tần số thấp thì bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỷ lệ tích phân

- Ở dải tần số cao thì bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỉ lệ vi phân,

Khi =

. bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỷ lệ

- Bộ điều khiển có 3 tham số Km, Ti, Td

+ Khi ta cho Ti = ∞, Td = 0 thì bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỷ lệ + Khi Ti = ∞ bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỷ lệ - vi phân

+ Khi Td = 0 bộ điều khiển làm việc theo quy luật tỷ lệ - tích phân

- Tín hiệu ra của bộ điều khiển lệch pha so với tín hiệu một góc

2 < < 2

Đây là đặc tính mềm dẻo của bộ điều khiển

Nếu ta lựa chọn được bộ tham số phù hợp cho bộ điều khiển PID thì hệ thống cho ta những đặc tính như mong muốn, đáp ứng cho các hệ thống trong công nghiệp

Đặc biệt nếu ta chọn bộ tham số tốt, bộ điều khiển sẽ đáp ứng được tính tác động nhanh, đây là đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển

Trong bộ điều khiển có thành phần tích phân nên hệ thống triệt tiêu được sai lệch dư Bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết ta xác định tham số Km, Ti, Td để bộ điều khiển đáp ứng đặc tính hệ thống

1.5 Các phương pháp xác định tham số K m , T i , T d cho hệ thống điều khiển sử dụng thuật toán PID

Mô hình:

Hình II.10

+ Km: thay đổi trực tiếp giá trị tín hiệu ra ↔ thay đổi sai lệch tĩnh, đáp ứng nhanh,

bị ảnh hưởng bởi nhiễu ở mọi tần số

+ Ti: sai lệch tĩnh bằng 0 khi hệ được kích thích bằng tín hiệu hằng, giảm độ quá điều chỉnh

+ Td: phản ứng nhanh với sự thay đổi của e(t), tăng độ quá điều chỉnh, nhạy cảm với nhiễu tần số cao

2 Quy tắc Ziegler – Nichol cho các bộ điều khiển PID

Ziegler và Nichols đề nghị các qui tắc để xác định các giá trị hệ số khuếch đại tỷ lệ Kp, thời gian tích phân Ti, và thời gian vi phân Td dựa trên các đặc tính đáp ứng quá độ của một đối tượng cho trước Việc xác định các thông số của bộ điều khiển PID hay chỉnh định các bộ điều khiển PID có thể được chỉnh định bởi các kỹ

sư về đối tượng

Có hai phương pháp chỉnh định của Ziegler-Nichol Trong tất cả hai phương pháp này chúng ta đặt mục đích độ vượt cực đại bằng 25% trong đáp ứng bước

Hình II.11 Đường cong đáp ứng bước đơn vị, độ vượt cực đại 25%

a Ziegler-Nichol 1

Trong phương pháp này chúng ta đạt được bằng thực nghiệm đáp ứng của đối tượng với tín hiệu vào bước đơn vị Nếu đối tượng không có khâu tích phân và cũng không có các cực liên hợp phức trội, thì đường cong đáp ứng bước đơn vị trông giống đường cong chữ S (nếu đáp ứng không có dạng chữ S thì phương pháp này không áp dụng được) Các đường cong đáp ứng bước này có thể được tạo ra bằng thực nghiệm hoặc từ mô phỏng động học của đối tượng

Đường cong chữ S có thể được đặc tính hóa bởi hai hằng số, thời gian trễ L

và hằng số thời gian T Thời gian trễ và hằng số thời gian được xác định bằng cách

vẽ tiếp tuyến tại điểm uốn của đường cong chữ S Xác định giao điểm của tiếp tuyến với trục thời gian và đường C(t)=K Hàm truyền C(s)/U(s) khi đó có thể được xấp

xỉ bằng một hệ thống bậc nhất có trễ truyền đạt

1 )

(

) (

U s