Thiết kế và chế tạo hệ thống tự động chưng cất rượu theo công nghệ dân gian

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Trước hết mục tiêu của đề tài là xây dựng được mô hình tái tạo nấu rượu thu nhỏ theo công nghệ dân gian trong đó tích hợp tự động hóa hệ thống điều khiển và giám sát

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM THỊ THÙY DƯƠNG

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CHƯNG CẤT RƯỢU THEO

CÔNG NGHỆ DÂN GIAN

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn, đầu tiên Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới PGS.TSKH Trần Hoài Linh, thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô đã giảng dạy em trong suốt quá trình học cao học vừa qua

Cảm ơn gia đình, anh em bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ, đóng góp ý kiến giúp em hoàn thành luận văn này

Dù đã rất cố gắng nhưng với trình độ hiểu biết và thời gian nghiên cứu thực

tế có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những lời chỉ dẫn, góp ý của các thầy/cô và bạn đọc để luận văn của em được hoàn thiện hơn

Em trân trọng cảm ơn!

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình của riêng tôi, do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TSKH Trần Hoài Linh Kết quả đạt được là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 28 tháng 2 năm 2018

Học viên thực hiện

Phạm Thị Thùy Dương

Trang 4

Mục lục

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 Phương pháp nghiên CỨU 2

3 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐỀ TÀI 2

4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 2

Chương 1: KHẢO SÁT MỘT SỐ CÔNG NGHỆ NẤU RƯỢU DÂN GIAN Ở KHU VỰC TÂY BẮC 4

1.1 RƯỢU GẠO 4

1.1.1 Chọn gạo để làm rượu 4

1.1.2 Men rượu 5

1.1.3 Nấu chín gạo 6

1.1.4 Rắc men 6

1.1.5 Ủ cơm 7

1.1.6 Chưng cất rượu 7

1.1.7 Lọc và trữ rượu 8

1.2 RƯỢU SAN LÙNG 9

1.2.1 Luộc thóc 11

1.2.2 Vào men 11

1.2.3 Ủ rượu 11

1.2.4 Chưng cất 11

1.2.5 Trữ rượu 12

1.3 RƯỢU NGÔ 12

1.3.1 Luộc ngô 13

1.3.2 Ủ men ngô 13

1.3.3 Chưng cất rượu ngô 14

1.3.4 Trữ rượu 15

1.4 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ QUY TRÌNH NẤU RƯỢU DÂN GIAN VÀ ĐỀ XUẤT 15

Chương 2: PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN CẢI THIỆN CÔNG NGHỆ NẤU RƯỢU DÂN GIAN 16

2.1 LỰA CHỌN KHÂU CẢI THIỆN 16

Trang 5

Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO KHÂU ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ 27

3.1 TÓM TẮT VỀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID 27

3.2 THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 32

3.2.1 Xác định tham số bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu mô đun 32

3.2.2 Xác định tham số bộ điều khiển PID theo phương pháp Zeigler –Nichols 34

3.2.3 Xác định tham số PID cho đối tượng quán tính bằng phương pháp tối ưu mô đun mở rộng 38

3.2.4 Xác định tham số bộ điều khiển bằng phương pháp dự báo Smith 40

3.3 ĐIỀU KHIỂN KHÂU Ủ 41

3.3.1 Đối tượng điều khiển 41

3.3.2 Xác định tham số bộ điều khiển cho khâu ủ 45

3.4 ĐIỀU KHIỂN KHÂU CHƯNG CẤT 45

3.4.1 Xác định đối tượng điều khiển 45

3.4.2 Tham số bộ điều khiển cho khâu chưng cất 47

Chương 4: LỰA CHỌN THIẾT BỊ 49

4.1 LỰA CHỌN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 49

4.1.1 Một số loại cảm biến nhiệt thông dụng 50

4.1.2 Lựa chọn của Luận văn 55

4.2 BỘ ĐIỀU KHIỂN PID SỐ 58

4.3 NGUỒN CẤP NHIỆT 64

4.3.1 Giới thiệu chung 64

4.3.2 Cấu tạo của lò nhiệt điện trở 64

4.4 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN KHÂU Ủ VÀ KHÂU CHƯNG CẤT 66

4.4.1 Sơ đồ mạch điện cấp cho làm mát khâu ủ 66

4.4.2 Sơ đồ mạch điện làm tăng nhiệt độ khâu ủ 67

4.4.3 Sơ đồ mạch điện khâu chưng cất 68

Chương 5: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 69

5.1 MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 69

5.1.1 Vận hành khâu ủ 69

5.1.2 Vận hành chưng cất 71

5.2 KẾT QUẢ 73

5.2.1 Kết quả ổn định nhiệt độ 300C ở khâu ủ 73

5.2.2 Kết quả điều khiển nhiệt độ khâu chưng cất 74

Trang 6

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Quy trình nấu rượu gạo 4

Hình 1.2: Gạo nếp cẩm (a) và gạo nếp (b) dùng nấu rượu gạo 5

Hình 1.3 Men nấu rượu 6

Hình 1.4: Nồi cơm rượu –Rằm cơm tơi 6

Hình 1.5: Vào men cơm rượu 7

Hình 1.6: Chưng cất rượu gạo 8

Hình 1.7: Trữ rượu trong chum 9

Hình 1.8: Men lá 10

Hình 1.9: Chùm hạt cao lương 10

Hình 1.10: Quy trình nấu rượu thóc San Lùng 10

Hình 1.11: Luộc thóc 11

Hình 1.12: Chưng cất rượu thóc của người dân tộc Dao 12

Hình 1.13: Quy trình nấu rượu ngô 13

Hình 1.14: Luộc ngô 13

Hình 1.15: Chưng cất rượu ngô của người dân tộc 14

Hình 2.1: Hầm ủ men rượu 21

Hình 2.2: Hình chiếu bằng của phòng ủ men 22

Hình 2.3: Quy trình điều khiển tăng nhiệt độ 22

Hình 2.4: Làm mát bằng bộ thổi khí 23

Hình 2.5: Làm mát bằng nước thông qua các tấm cooling pad 24

Hình 2.6: Quy trình điều khiển nhiệt độ khâu chưng cất 25

Hình 3.1: Mô tả các thành phần chính của bộ điều khiển PID 27

Hình 3.2: Điều khiển phản hồi với bộ điều khiển PID 27

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn chất lượng điều khiển của PID 28

Hình 3.4: Điều khiển phản hồi với khâu tỉ lệ KP 29

Hình 3.5: Điều khiển phản hồi với khâu tích phân KI/s 29

Hình 3.6: Điều khiển phản hồi với khâu vi phân KD.s 30

Hình 3.7: Hệ kín phản hồi 32

Hình 3.8: Đặc tính logarit 33

Hình 3.9: Mô hình điều khiển vòng kín dùng bộ điều khiển PID 34

Hình 3.10: Đặc tính quá độ của hệ thống 35

Hình 3.11: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ (3.19) 35

Hình 3.12: Xác định tham số cho mô hình gần đúng là hình chữ S 36

Hình 3.13: Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 37

Hình 3.14: Cấu trúc bộ điều khiển theo nguyên lý dự báo Smith 40

Hình 3.15: Đặc tính của lò điện trở (thiết bị gia nhiệt): a) Đặc tính xấp xỉ, b) đặc tính xấp xỉ bằng khâu quán tính bậc nhất 42

Hình 3.16: Đặc tính tự nhiên của thiết bị gia nhiệt khâu ủ 43

Trang 7

Hình 3.18: Xác định giao điểm 0.632k của đặc tính tự nhiên 44

Hình 3.19: Đặc tính tự nhiên của đối tượng khâu chưng cất 45

Hình 3.20: Xác định các tham số k, T1, T2 của hàm truyền đối tượng 46

Hình 4.1: Cặp nhiệt điện 50

Hình 4.2: Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện 50

Hình 4.3: Điện trở RTD 52

Hình 4.4: Điện trở oxit kim loại 53

Hình 4.5: Cảm biến nhiệt bán dẫn 54

Hình 4.6: Nhiệt kế bức xạ 54

Hình 4.7: Các cảm biến nhiệt LM35 56

Hình 4.8: Sơ đồ kết nối PT100 (RTD) với bộ điều khiển số và hiển thị TC4S 57

Hình 4.9: Sơ đồ kết nối PT100 với bộ điều khiển số và hiển thị ESM-4420 57

Hình 4.10: Kiểu điều khiển On/off, điều khiển pha, điều khiển chu kỳ 58

Hình 4.11: Ví dụ về mô tả hoạt động của chức năng điều khiển nhiệt theo thời gian 59

Hình 4.12: Bộ RKC CH402FK02 và sơ đồ chân 60

Hình 4.13: Cấu trúc bộ điều khiển PID số 61

Hình 4.14: Xấp xỉ khâu tích phân trong PID 61

Hình 4.15: Lò nhiệt điện trở 65

Hình 4.16: Bếp điện 12kW (trái), bếp điện 30kW (phải) 66

Hình 5.1: Đặc tính nhiệt độ khâu ủ ứng với các tham số cài đặt trong bảng 5.1 73

Hình 5.2: Đặc tính nhiệt độ khâu ủ ứng với các tham số cài đặt trong bảng 5.2 74

Hình 5.3: Đặc tính điều khiển nhiệt độ 2 giai đoạn 950C và 1000C với các thông số bảng 5.4 74

Hình 5.4: Đặc tính điều khiển nhiệt độ 2 giai đoạn 950C và 1000C với các thông số bảng 5.5 75

Hình 5.5: Đặc tính điều khiển nhiệt độ 2 giai đoạn 950C và 1000C với các thông số Bảng 5.7 76

Hình 5.6: Giai đoạn chưng cất đặt 950C 77

Hình 5.7: Giai đoạn chưng cất đặt 1000C 78

Hình 5.8: Nồi chưng cất rượu 78

Trang 8

Lời mở đầu

LỜI MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Thứ nhất, như chúng ta đã được biết đến Rượu là một nét văn hóa, vừa thuộc

về lĩnh vực vật chất vừa thuộc về lĩnh vực tinh thần và là một phát minh vĩ đại của con người sau Lửa, nên có lịch sử từ lâu đời và tồn tại ở rất nhiều nước trên thế giới

Ở Việt Nam, Rượu cũng là một nét văn hóa mang đậm bản sắc riêng của từng dân tộc và từng vùng Thưởng thức rượu đã là một phần không thể tách rời trong sinh hoạt, văn hóa, lễ hội và giao tiếp

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ đã có những dây truyền công nghiệp sản xuất Rượu với số lượng lớn, đa dạng chủng loại và giá thành cao Tuy nhiên nhiều làng rượu truyền thống ở nước ta vẫn sản xuất rượu theo công nghệ dân gian nhằm đảm bảo chất lượng, lưu giữ truyền thống nấu rượu danh tiếng có từ lâu đời

Với mong muốn áp dụng công nghệ tự động hóa vào hệ thống chưng cất rượu để tái tạo lại công nghệ dân gian giúp cải tạo, điều khiển tốt các yếu tố liên quan đến chất lượng rượu vượt trội hơn so với khi thực hiện nấu rượu thủ công Điều này giúp nâng cao chất lượng sản phẩm rượu mà vẫn lưu giữ được giá trị truyền thống, giảm được sức lao động cho người nấu rượu

Thứ hai, bản thân là một giáo viên dạy nghề điện tại trường Cao đẳng Cơ điện Tây Bắc thuộc bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn có nhiệm vụ đào tạo nguồn nhân lực cho sự nghiệp Công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, đặc biệt góp phần quan trọng trong sự nghiệp CN hóa nông nghiệp, nông thôn nên việc áp dụng các kiến thức chuyên ngành để tham gia vào giảng dạy chuyên môn và làm mô hình dạy học gắn liền với thực tế tạo sự hứng thú, say mê học tập cho các em học sinh, sinh viên song song đó đề tài còn hướng tới ứng dụng sản xuất Do vậy khi hoàn thành đề tài dù trước mắt trên cương vị cá nhân tự xây dựng thì mô hình sau này hoàn toàn có thể được áp dụng để phát triển tạo ra

mô hình dạy học cho nhà trường đào tạo một số mô đun ngành Điện tự động hóa

Xuất phát từ những lý do trên em đã lựa chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ

Trang 9

1 Khảo sát và phân tích đánh giá một số công nghệ nấu rượu dân gian khu vực Tây Bắc,

2 Đưa ra lựa chọn một công nghệ để xây dựng hệ thống tự động tái tạo lại,

3 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển phù hợp để tái tạo lại công nghệ dân gian,

4 Xây dựng mô hình thực nghiệm,

5 Đánh giá hệ thống sau khi đã triển khai

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

• Khảo sát thực tế, tham khảo kinh nghiệm của những người nấu rượu, thống kê, phân tích và đánh giá thực trạng,

• Sử dụng phương pháp phân tích thiết kế hướng đối tượng để xây dựng bài toán điều khiển,

• Xây dựng mô hình thực tế để làm thí nghiệm, vận hành, kiểm tra và khẳng định các mục tiêu đề ra

3 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐỀ TÀI

Đối tượng của đề tài hướng đến là những mô hình nấu rượu thủ công ở địa phương nơi bản thân sinh sống

4 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Trước hết mục tiêu của đề tài là xây dựng được mô hình tái tạo nấu rượu thu nhỏ theo công nghệ dân gian trong đó tích hợp tự động hóa hệ thống điều khiển

và giám sát thông số nhiệt độ Nhiệt độ khâu ủ và khâu chưng cất sẽ được điều khiển trong khoảng nhiệt độ phù hợp theo kinh nghiệm đúc kết từ người nấu rượu thủ công

Mục tiêu thứ hai là xây dựng một giải pháp tự động hóa điều khiển và giám sát nhiệt độ khâu ủ và khâu chưng cất trong hệ thống nấu rượu thủ công

5 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

Đối với những người nấu rượu thủ công đề tài này sẽ đem lại một giải pháp điều khiển và giám sát hiệu quả yếu tố nhiệt độ là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn

Trang 11

Chương 1: KHẢO SÁT MỘT SỐ CÔNG NGHỆ NẤU RƯỢU DÂN GIAN Ở KHU VỰC TÂY BẮC

1.1 RƯỢU GẠO

Rượu gạo là loại rượu phổ biến nhất ở Việt Nam gồm các thành phần chính:

• Gạo nếp hoặc gạo tẻ

• Men rượu

Quy trình nấu rượu gạo được thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1: Quy trình nấu rượu gạo

1.1.1 Chọn gạo để làm rượu

Người ta sử dụng nguyên liệu để nấu rượu gạo thường là gạo tẻ hoặc gạo nếp trắng hoặc nếp cẩm (có mầu đen tím) đã được trượt một lần lớp vỏ trấu, các loại gạo dùng để nấu rượu thường không có mầu trắng như gạo ăn do chỉ trượt lớp vỏ trấu ngoài để giữ lại lớp vỏ lụa và lớp cám nên rất giàu chất dinh dưỡng Thông thường người dân ta theo kinh nghiệm thì các loại gạo nấu rượu phải thơm và không quá mới, tức là phải thu hoạch cách lúc làm khoảng 3 tháng vì gạo mới làm rượu không đậm đà.[www1]

Trang 12

Chương 1: Khảo sát một số công nghệ nấu rượu dân gian ở khu vực Tây Bắc

Theo kinh nghiệm làm men thủ công cho thấy làm men rượu không hề đơn giản mà men rượu cần rất nhiều nguyên liệu và sự cầu kỳ không kém so với quá trình nấu rượu

Nấu rượu truyền thống ở nước ta thường sử dụng loại men từ bột gạo cộng với nhiều vị thuốc bắc gọi là men thuốc bắc Khi làm men thuốc bắc thì nguyên liệu để làm men phải đủ 32 vị bao gồm: gạo tẻ, tế tân, hoa hồi, quế chi, đậu khấu, bạch chỉ, xuyên khung, đinh hương, cam thảo,… Trong 1 lứa men, người

ta chọn những viên men chuẩn nhất để làm men giống Men giống khích thích quá trình lên men Men giống là những viên men có màu trắng ngà, màu đều, không có đốm đen, bề mặt có nhiều nếp nhăn và có mùi thơm

Theo kinh nghiệm chọn men của nghệ nhân nấu rượu thì không nên chọn những loại men trắng ngần vì có thể có chứa chất bảo quản Theo đó nên chọn men màu trắng ngà, ngoài vỏ sẽ có một số đốm đen ở các khe kẽ, đó là do các vị thuốc bắc trong quá trình lên men tạo thành.[www1]

Trang 13

Hình 1.3 Men nấu rượu[www8]

Trang 14

Sau khi cân đủ lượng men người ta cho vào cối dã men thành bột mịn có kích thước nhỏ như loại bột tiêu thường dùng, nếu có máy xay sinh tố thì cho men vào quay với thời gian 3 phút là đạt

Tiếp theo người ta chia men thành 2 phần một phần rắc đều mặt trước đảm bảo men phủ kín bề mặt cơm, sau đó lật mặt dưới lên rắc nốt nửa men còn lại.[www1]

Hình 1.5: Vào men cơm rượu[www10]

1.1.5 Ủ cơm

Sau khi cơm đã trộn men được phủ kín bằng vải đem ủ và giữ ở nơi thoáng mát nhiệt độ 28-32 độ C trong 3 ngày Cơm rượu sau khi ủ 3 ngày được chuyển vào thùng chứa kín, đổ đầy nước, tỷ lệ khoảng 1 phần cơm, 2-3 phần nước Ở giai đoạn này đường trong cơm rượu được chuyển hóa thành rượu, thời gian ủ

khoảng 7 ngày nếu là mùa hè, ủ 10 ngày nếu là mùa đông

Theo kinh nghiệm dân gian thì vào mùa hè và mùa đông nhiệt độ ủ không thể đạt nằm trong khoảng 28-320C nên vào mùa đông nhiệt độ thấp người ta thường để hũ cơm rượu gần bếp để ủ nóng và vào mùa hè nhiệt độ cao phải ngâm vò ủ vào máng nước.[www1]

1.1.6 Chưng cất rượu

Sau khi rượu được ủ đạt số ngày nêu trên người ta cho toàn bộ khối cơm đã

ủ trong chum, vại cho vào nồi và tiến hành chưng cất rượu

Để chưng cất rượu người ta thường sử dụng loại nồi nấu rượu làm bằng

đồng hoặc đất nung

Trang 15

Kinh nghiệm trong quá trình chưng cất rượu chỉ ra rằng khi nồi rượu sôi thì phải giảm bếp cho nhỏ lửa đi để rượu chảy ra từ từ, nếu đun bếp quá to sẽ làm phì rượu khi uống sẽ có mùi khét rất khó uống và trong rượu có lẫn vẩn trắng của cái rượu.[www1]

Hình 1.6: Chưng cất rượu gạo

1.1.7 Lọc và trữ rượu

Trong quá trình chưng cất rượu chảy ra sẽ được lọc trực tiếp bằng các túi lọc làm từ lớp than củi và miếng bọt biển để loại bỏ các váng và tạp chất, độc tố andehit, metanol

Người dân ta thường trữ rượu vào chum sành để các độc tố metanol có thể thẩm thấu dần qua lớp vỏ chum sành, trữ rượu trong chum sành khoảng 1-2 tháng rồi mới uống, về cơ bản rượu càng để lâu uống càng ngon với lý do đã nêu trên.[www1]

Trang 16

Hình 1.7: Trữ rượu trong chum[www11]

Ngoài ra nguyên liệu không thể thiếu khi nấu rượu thóc đó chính là men lá gia truyền Người dân tộc đã tự làm ra men lá từ những vị thuốc có tính nóng, mùi thơm, trong đó không thể thiếu được 12 vị: Lá trầu, riềng, ớt quả, cây ớt rừng, rau răm, bột gạo nếp và một số vị theo cách gọi của người Dao là pình đìa tói, pình đìa cam, xuiz pả cỏ, hạp hóa , tùng tạp miaz [www2]

Theo những người có kinh nghiệm lâu năm trong việc sử dụng men lá cho biết thì tất cả các loài cây đều được lấy theo tỉ lệ 1:1 (tính theo khối lượng)

Trang 17

Hình 1.8: Men lá[www12]

Thành phần thứ ba trong rượu thóc đó chính là cao lương, một loại ngũ cốc

và cũng có thể được sử dụng để sản xuất một số đồ uống có cồn Theo kinh nghiệm nấu rượu thóc của người Dao thì cao lương được cho vào với mục đích làm cho rượu thơm ngon hơn Thóc và cao lương lấy theo tỷ lệ: 50kg thóc thì cho 2kg cao lương

Hình 1.9: Chùm hạt cao lương[www13]

Quy trình nấu rượu thóc San Lùng được thể hiện như trên hình 1.10

Hình 1.10: Quy trình nấu rượu thóc San Lùng

Trang 18

1.2.1 Luộc thóc

Người dân tộc tiến hành luộc thóc như sau Thóc nương sau khi được làm sạch sẽ không xát mà để nguyên vỏ trấu, cùng với cao lương cho vào chảo gang luộc trên bếp lửa từ 2 đến 3 giờ đồng hồ Khi thóc và cao lương đã chín sẽ được múc ra trải vào các mẹt đợi cho nguội.[www2]

Hình 1.11: Luộc thóc[www14]

1.2.2 Vào men

Người dân tộc sử dụng loại men lá tự làm đem nghiền nhỏ thành bột rồi trộn với thóc cho thật đều tay Theo kinh nghiệm tỷ lệ sử dụng: 50kg thóc thì dùng 4 lạng men lá Sau khi men được trộn đều với thóc và cao lương sẽ được bỏ vào các thùng và đậy kín

1.2.3 Ủ rượu

Sau khi ủ khoảng ba đến bốn ngày khi thấy hiện tượng có một lớp trắng phủ bên trên tức là men đã ăn thóc thì lại tiếp tục công đoạn ủ khoảng 7 - 10 ngày, rồi đem chưng cất thành rượu

1.2.4 Chưng cất

Để chưng cất rượu người Dao sẽ đặt một chiếc chảo gang có nước lên trên bếp và một cái chu chớ (tên gọi khác của cái chõ đồ làm từ gỗ của một gốc cây lớn trong rừng) với đường kính từ 75- 80 cm và cao khoảng 1 mét lên bên trên chiếc chảo, và bịt cám hoặc cạp vải xung quanh chõ để kín hơi

Ngoài ra bên trong cái chõ đồ đó còn đặt tiếp một cái chá chớ (dưới xuôi hay

Trang 19

nhỏ một đầu với tác dụng là dẫn rượu ra ngoài Sau khi chuẩn bị xong thì họ tiến hành đun lửa, việc cuối cùng là đặt một cái chảo bằng gang có chứa nước lạnh lên trên cái chu chớ để ngưng rượu Và một phong tục độc đáo của người Dao là

họ cầu khấn trước nồi rượu để mong được mẻ rượu ngon.[www2]

Hình 1.12: Chưng cất rượu thóc của người dân tộc Dao[www15]

1.2.5 Trữ rượu

Do trình độ hiểu biết còn hạn chế nên người dân tộc sau khi chưng cất rượu thường bỏ qua khâu lọc và họ cũng thường trữ rượu trong các chum sành, hoặc can nhựa

1.3 RƯỢU NGÔ

Rượu ngô được nấu phổ biến ở các khu vực:Bắc Hà, Lào Cai, Hà Giang, Tuyên Quang

Thành phần để nấu rượu gồm các thành phần chính sau:

• Ngô: trồng ở nương rẫy hoặc thung lũng, mà ở trên núi đá cao heo hút, đặc biệt là giống ngô vàng Loại ngô này cho bắp chắc, vàng, năng suất không cao, bù lại hạt mềm, bùi và giàu dinh dưỡng

• Men lá: loại men được làm từ các loại lá rừng trộn lẫn với bột kê và bột ngô sau khi ủ hai ngày thì mang phơi nắng

Quy trình nấu rượu ngô được thể hiện trên hình 1.13

Trang 20

Hình 1.13: Quy trình nấu rượu ngô

1.3.1 Luộc ngô

Người dân tộc sau khi thu hoạch ngô, ngô sẽ được tẽ hạt, loại bỏ hạt lép và đem luộc Ngô luộc phải đun đều lửa trong khoảng thời gian dài đủ 24 tiếng đến khi hạt ngô chớm nứt vỏ thì vớt ra, để hong đến khi ấm ấm.[www3]

Hình 1.14: Luộc ngô[www16]

1.3.2 Ủ men ngô

Ở công đoạn này, người ta sẽ nghiền men là thành bột, đem trộn đều với ngô Theo kinh nghiệm nấu rượu ngô của người dân tộc thì tỷ lệ 10kg ngô thì trộn đều với 3 quả men (tương ứng 200 g)

Ngô đã trộn men sẽ được cho vào các thùng để ủ Các thùng chứa ngô được đậy buộc kín, để ở các nơi thoáng mát Người dân tộc theo kinh nghiệm đã để

Trang 21

thùng chứa ngô để ở trực tiếp dưới nền nhà sẽ tạo thuận lợi cho các vi khuẩn trong việc lên men

Khoảng thời gian ủ từ 6 -7 ngày sau đó ngô được cho vào nồi để nấu [www3]

1.3.3 Chưng cất rượu ngô

Đối với đồng bào vùng dân tộc thì hình thức chưng cất rượu ngô cũng tương

tự như chưng cất rượu thóc đã trình bày ở trên

Ngoài ra khi sôi thì người ta thường giảm lửa Để lửa đun âm ỉ, sau thời gian khoảng 30 phút rượu sẽ được tích tụ và cất thành rượu Rượu chưng cất được chảy ra các bình đựng bằng một thanh gỗ có khoét rỗng lỗ Thời gian chưng cất được 20 lít rượu ngô mất khoảng 3h.[www3]

Hình 1.15: Chưng cất rượu ngô của người dân tộc[www17]

Trang 22

1.3.4 Trữ rượu

Người dân tộc cũng thường sử dụng chum, can nhựa để trữ rượu

1.4 MỘT SỐ NHẬN XÉT VỀ QUY TRÌNH NẤU RƯỢU DÂN GIAN VÀ ĐỀ XUẤT

Qua tìm hiểu một số loại rượu và cách làm ra các loại rượu này theo phương pháp thủ công có một hạn chế đó là nhiệt độ trong quá trình ủ chưa được kiểm soát, người làm rượu phải sử dụng một số phương pháp tự nhiên để tăng nhiệt

độ cho vò ủ vào mùa đông như đặt vò ủ gần bếp củi và giảm nhiệt độ cho vò ủ vào mùa hè như ngâm vò ủ vào máng nước Những biện pháp này có cải thiện được phần nào nhiệt độ ủ nhưng không đảm bảo nhiệt độ thích hợp có đạt được

từ 28-320C hay không Điều này hoàn toàn ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng của rượu nấu ra

Ngoài ra quá trình chưng cất bằng củi, đun lửa mang tính định tính theo kinh nghiệm: Khi bắt đầu sôi thì họ đun nhỏ lửa, giai đoạn giữa và cuối chưng cất sẽ tăng lửa

Những tìm hiểu ở trên cho thấy nên có sự can thiệp của điều khiển vào điều khiển nhiệt độ cho các quá trình ủ và chưng cất sẽ cải thiện đáng kể năng suất và chất lượng của rượu truyền thống

Trong Luận văn này sẽ tìm hiểu, nghiên cứu và thử nghiệm giải pháp ổn định nhiệt độ cho quá trình ủ và quá trình chưng cất rượu để nâng cao chất lượng của quá trình sản xuất rượu thủ công

Trang 23

Chương 2: PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN CẢI THIỆN CÔNG NGHỆ NẤU RƯỢU DÂN GIAN

2.1 LỰA CHỌN KHÂU CẢI THIỆN

Ở Việt Nam rượu gạo là loại rượu phổ biến nhất, mang tính phổ thông , vùng miền nào cũng có Vì vậy em lựa chọn áp dụng hệ thống tự động vào tái tạo quy trình chưng cất rượu gạo theo công nghệ dân gian

Trong quá trình nấu rượu nhiều năm người dân ta đã đúc kết ra các kinh nghiệm để nấu ra rượu gạo ngon như sau Trước hết kể đến các yếu tố khách quan là sự chọn lựa thành phần trước khi làm rượu như:

• Gạo ngon: loại gạo tẻ, trượt qua vỏ, đã thu hoạch được trên 6 tháng

• Men rượu: là men làm từ các loại thuốc bắc, hoặc thuốc nam, không phải men Tàu

• Nguồn nước: Nước trong, tinh khiết, càng giống với nước suối khoáng thì chất lượng rượu ngon hơn và lượng rượu lấy được nhiều hơn

Các yếu tố này người dân hoàn toàn có thể chủ động lựa chọn và kiểm soát được chất lượng của gạo, men dựa trên kinh nghiệm lựa chọn và chất lượng nước ở từng vùng được quyết định bởi cấu hình địa lý, địa chất ở nơi đó nên trong đề tài này chỉ xét đến những yếu tố ảnh hưởng chung tới chất lượng rượu làm ra theo công nghệ dân gian

Một yếu tố quan trọng quyết định quá trình lên men hoàn toàn hay một phần, quyết định chất lượng và lượng rượu chưng cất được đó là Nhiệt độ ủ Thực tế kinh nghiệm nấu rượu cho thấy nhiệt độ ủ rượu gạo thích hợp từ 28 0C đến 32

0C

Như chúng ta đã biết yếu tố nhiệt độ hoàn toàn phụ thuộc vào môi trường, theo mùa, theo từng vùng đồng bằng hay miền núi và con người không có khả năng tự thay đổi nhiệt độ môi trường tự nhiên trên diện rộng Do đó trong một

số lĩnh vực sản xuất nói chung và sản xuất rượu nói riêng thì người dân chỉ có thể cải thiện phần nào sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình ủ rượu mà chưa thể điều chỉnh và kiểm soát chính xác yếu tố này Cụ thể các biện pháp tự nhiên

Trang 24

Chương 2: Phương án lựa chọn cải thiện công nghệ nấu rượu dân gian

mà người dân sử dụng để tăng hoặc giảm nhiệt độ ủ theo mùa đông và mùa hè như sau:

Về mùa đông: nhiệt độ thấp toàn miền bắc, miền núi có nơi dưới 150C nên quá trình lên men lâu hơn thậm chí nếu nhiệt độ quá lạnh thì cơm ủ sẽ không bắt hết men do phản ứng giữa men và tinh bột gạo không hết vẫn còn tinh bột gạo, nên khi đun sẽ kết tủa đóng ở đáy gây khê Theo kinh nghiệm người dân thường dùng vải bông ủ để tăng nhiệt độ hoặc để vò ủ gần bếp lửa

Tuy nhiên biện pháp này không đảm bảo chắc chắn cơm ủ sẽ bắt men hoàn toàn do hình thức dùng vải bông quấn vò ủ chỉ có tác dụng giữ ấm hơn nhiệt độ môi trường hay biện pháp để gần bếp lửa thì nhiệt độ cung cấp cho vò ủ không

ổn định do quá trình sử dụng bếp lửa dùng sinh hoạt đun nấu không được giữ đều liên tục

Về mùa hè: nhiệt độ môi trường cao hơn 320C, có thể lên đến trên 400C, trong điều kiện môi trường như vậy nếu ủ cơm rượu sẽ khiến rượu lên men dễ bị chua Để cải thiện người dân thường sử dụng phương pháp làm mát bằng cách ngâm vò ủ vào trong máng nước

Thực tế cho thấy biện pháp này cũng chỉ giảm phần nào sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình rượu lên men Sự tác động của nhiệt độ đến toàn vò ủ cũng không đồng đều do chỉ một phần vò ủ được ngâm vào trong máng nước Do vậy toàn bộ khối vò vủ lên men không đồng đều

Qua sự phân tích tình hình thực tế nhiệt độ trong hai mùa rõ rệt còn thấy rằng do nhiệt độ trong các mùa chênh lệch nhau đáng kể, người dân chưa có biện pháp triệt để để giữ ổn định một khoảng nhiệt độ thích hợp cho ủ men rượu

từ 280C đến 320C trong cả hai mùa Nên điều này dẫn đến thời gian ủ men rượu trong hai mùa sẽ chênh lệch nhau cụ thể mùa hè thì ủ 5-6 ngày là đem chưng cất, mùa đông thì ủ 7-10 ngày mới đem chưng cất Do vậy thời gian ủ không đồng nhất về số ngày ngay cả khi trong cùng mùa và bị chi phối mạnh bởi nhiệt độ môi trường tự nhiên và kinh nghiệm ủ cơm rượu của người dân Trong tình hình thực tế như vậy thì người dân chỉ có thể vận dụng kinh nghiệm của mình để cải thiện phần nào sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và khi đã vận dụng hết kinh nghiệm vào cải thiện thì điều cuối cùng họ có thể làm là trông mong hoặc cầu khấn (như nghi lễ của người dân tộc) để có một mẻ rượu ngon

Trang 25

Theo thực tế đã đúc kết các sai hỏng xảy ra do ảnh hưởng của yếu tố nhiệt

độ trong quá trình ủ cơm rượu như sau

Theo kinh nghiệm nấu rượu thì 10 kg gạo đem nấu rồi được ủ trong thời tiết tốt (nhiệt độ 280C đến 320C) thì sau khi chưng cất sẽ lấy ra được 10 lít rượu

khoảng 31-33 độ

Trường hợp thực tế đã cho thấy rằng là nấu 10kg gạo nhưng do bị khê nên chỉ nấu được tầm 3 lít là dừng lại không đun nữa Nguyên nhân của hiện tượng nấu rượu bị khê là do môi trường ủ có nhiệt độ thấp dưới khoảng nhiệt độ thích hợp từ 28 0C đến 32 0C nên vi sinh vật trong men không thể hoạt động để lên men cho cơm, dẫn đến cơm chưa bắt hết men Khi cơm ủ chưa bắt hết men đem chưng cất thì phần cơm không bắt men hoàn toàn sẽ bị chìm xuống đáy nồi, khi nấu sẽ dẫn đến bị khê

Ngoài ra có trường hợp rượu nấu ra bị chua thì lượng rượu chưng cất được cũng chỉ đạt 10kg chỉ nấu được tầm 4-5 lit rượu Nguyên nhân của hiện tượng nấu rượu bị chua là do khi ủ gặp môi trường nhiệt độ cao nên khi cơm chưa kịp bắt hết men thì lượng tinh bột đã bị chua Khi men rượu đã bị chua đem chưng cất được rượu uống có vị chua, không đạt số lít như đã nói ở trên

Những hiện trạng thực tế gặp phải trong quá trình ủ đã nêu ở trên khiến cho người dân bị thua lỗ, hoặc phải đẩy giá rượu lên cao hơn để bù vào phần lượng rượu bị mất do quá trình ủ cơm rượu bị hỏng hoặc mất công sức khử chua cho rượu

Như vậy nhiệt độ ủ cơm rượu quyết định sản lượng và chất lượng rượu Sản lượng và chất lượng rượu sẽ không đạt được nếu như ủ trong điều kiện nhiệt độ chênh lệch nhiều so với khoảng nhiệt độ thích hợp từ 280C đến 320C

Sau khi trải qua công đoạn ủ lên men rượu thì ở công đoạn cuối cùng là chưng cất để lấy ra rượu người dân cũng hết sức cẩn thận khi thực hiện công đoạn này Trước khi chưng cất họ đảm bảo nắp đậy nồi phải kín, đường ống dẫn rượu phải kín, do đó tại các vị trí ống nối và vị trí rượu có thể bị phì ra ngoài do

áp suất hơi trong quá trình đun người dân sử dụng các loại bột chít cho kín lại, các loại bột có thể là bột sắn, bột cám gạo Trong quá trình chưng cất rượu người ta đã đúc rút được kinh nghiệm chưng cất như sau:

Trong nấu rượu dân gian thì khi đun lúc đầu chưa sôi có thể đun to (nhiệt lớn) khi bắt đầu sôi (rượu bắt đầu chảy, rượu đầu) thì đun nhỏ giảm nhiệt độ

Trang 26

xuống nó vẫn sôi nhưng sôi nhẹ để chưng cất chậm, đều Sở dĩ người dân thực hiện như vậy vì khi rượu bắt đầu sôi, nồng độ rượu trong nồi lúc này đang nhiều, rượu nhẹ hơn nên sẽ bay hơi đi lên nếu đun to thì ở đầu ra của bể ngưng rượu có chảy ra dạng lỏng và cả dạng hơi

Ngoài ra tại thời điểm rượu bắt đầu sôi thì cả lượng hơi rượu, cái rượu và nước chứa trong nồi lúc này là nhiều nhất, đun to, sôi lớn có thể bị trào cả bỗng

ra ngoài Đây là hiện tượng mà dân gian gọi là bốc bào Khi xảy ra bốc bào thì rượu nấu ra sẽ có lẫn vẩn trắng nhỏ, làm cho rượu không trong, không đạt chất lượng

Thực tế dân gian người dân đun bằng than hoặc bằng củi nên chưa ổn định được nhiệt độ trong quá trình chưng cất nên vẫn xảy ra hiện tượng bốc bào gây ảnh hưởng đến chất lượng rượu

Khi lượng rượu chảy ra đến một lượng nhất định (3 lit rượu/10kg gạo ủ men rượu) thì tăng nhiệt độ chưng cất để quá trình chưng cất nhanh hơn mà không ảnh hưởng đến chất lượng rượu

Sau khi quá trình chưng cất hoàn tất, rượu sẽ được cho vào chum, sành đậy kín, để càng lâu thì rượu càng ngon Sở dĩ như vậy vì khi rượu được trữ trong các chum, sành để một thời gian từ 1-2 tháng thì các độc tố lẫn trong rượu như metanol, andehit sẽ được thẩm thấu qua lớp vỏ chum, sành và thoát ra ngoài Khi đó rượu uống sẽ êm và ngon

Trên cơ sở là quy trình nấu rượu dân gian, ở đây ta thấy khâu ủ rượu và chưng cất rượu là hai khâu rất quan trọng tác động mạnh đến chất lượng của rượu nấu ra Hai khâu này khi có sự can thiệp của công nghệ tự động, giúp loại

bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ tự nhiên môi trường trong mùa đông và mùa hè, tạo môi trường thích hợp cho việc ủ rượu, đảm bảo điều chỉnh nhiệt độ phù hợp trong quá trình ủ và quá trình chưng cất sẽ giúp sản lượng rượu ổn định và chất lượng rượu nấu ra được nâng lên

Trong đề tài của mình với mong muốn áp dụng công nghệ tự động vào cải thiện chất lượng rượu, em lựa chọn áp dụng công nghệ vào tái tạo khâu ủ và chưng cất rượu dân gian

Trang 27

2.2 PHƯƠNG ÁN CẢI THIỆN

Trước hết chúng ta xây dựng phương án cải thiện khâu ủ men rượu: Trên cơ

sở phân tích để lựa chọn khâu tái tạo trong mục 2.1 đã chỉ ra yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến công đoạn ủ men rượu chính là nhiệt độ Như đã biết, khoảng nhiệt độ thích hợp nhất để ủ men rượu là từ 280C đến 320C Do vậy khi xây dựng phương án tái tạo khâu ủ về nguyên tắc vẫn đảm bảo hình thức ủ theo dân gian và làm thế nào can thiệp để duy trì nhiệt độ của không gian ủ trong khoảng

từ 280C đến 320C bất kể là mùa đông hay mùa hè

Trong điều kiện thời tiết thực tế chúng ta thấy, về mùa hè nhiệt độ trung bình đạt trên 330C, vượt ngưỡng 320C nên giải pháp cho mùa hè là làm mát không gian ủ Về mùa đông nhiệt độ trung bình đạt 150C nên giải pháp cho mùa đông

là làm ấm không gian ủ

Xét thấy từ hai yêu cầu vừa làm mát vào mùa hè và làm ấm vào mùa đông

để nhiệt độ đạt trong khoảng từ 280C đến 320C nên để có thể dễ dàng can thiệp điều chỉnh nhiệt độ của không gian ủ trong cả hai mùa nên thì trước hết chúng ta

sẽ xây dựng không gian ủ là một Hầm ủ dưới lòng đất

Như chúng ta đã biết nhiệt độ dưới Hầm ủ khi chưa có sự can thiệp các biện pháp điều khiển nhiệt độ của con người thì nhiệt độ ở đây phần nào đã đảm bảo thấp hơn hơn nhiệt độ trên mặt đất về mùa hè và cao hơn nhiệt độ môi trường bên ngoài về mùa đông Đó là lý do tại sao phương án đầu tiên đưa ra là xây dựng một Hầm ủ sau đó mới tính đến phương án điều khiển nhiệt độ như thế nào

Hầm ủ sẽ được xây dựng có mái che, mái che có thể được lợp bằng lá cọ, lá tranh hoặc loại ngói có khả năng cách nhiệt tốt Thông thường cửa hầm ủ quay

ra hướng Bắc, cửa thông gió ra hướng Nam để không khí mát luôn luân chuyển trong hầm

Trang 28

độ từ 280C đến 320C thì lúc đó không cần thực hiện can thiệp của các thiết bị để điều chỉnh nhiệt độ

Trong điều kiện nhiệt độ môi trường ủ thấp dưới 280C thì lúc đó vận hành các thiết bị gia nhiệt để làm tăng nhiệt độ môi trường và sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ để giữ ổn định tại một điểm nhiệt độ nằm trong khoảng 280C đến 320C Trong điều kiện nhiệt độ môi trường ủ cao trên 320C thì lúc đó vận hành các thiết bị làm mát để làm giảm nhiệt độ môi trường và sử dụng bộ điều khiển nhiệt

độ để giữ ổn định một điểm nhiệt độ nằm trong khoảng 280C đến 320C

Trong đề tài này điểm nhiệt độ cần giữ ổn định cho môi trường ủ được chọn

là nhiệt độ trung bình của khoảng 280C đến 320C là 300C

Khi cần tăng nhiệt độ cho không gian ủ thì phương án bố trí các thiết bị gia nhiệt, quạt gió luân chuyển nhiệt như sau:

Mặt đất Mái che

Trang 29

Hình 2.2: Hình chiếu bằng của phòng ủ men

Để điều khiển các thiết bị làm việc hiệu quả, tạo ra nhiệt độ yêu cầu cho khu vực ủ chúng ta có quy trình điều khiển tăng nhiệt độ như sau:

Hình 2.3: Quy trình điều khiển tăng nhiệt độ

Từ quy trình điều khiển tăng nhiệt cho thấy quá trình điều khiển tăng nhiệt được thực hiện theo vòng kín, tức là có phản hồi nhiệt độ và yêu cầu giữ ổn định nhiệt độ khu vực ủ khi nhiệt độ đã đạt 300C Do vậy để có thể thực hiện yêu cầu

Thiết

bị

gia nhiệt

Phòng ủ

Cảm biến nhiệt độ

Bộ điều khiển nhiệt

độ

Nhiệt độ đặt

(300C )

Thiết bị gia nhiệt, Quạt gió

Khu vực ủ

Nhiệt lượng

Đối tượng điều khiển

Trang 30

này thì bộ điều khiển nhiệt độ nên sử dụng là bộ điều khiển PID Bộ điều khiển

sẽ được cài đặt giá trị nhiệt độ 300C và nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ để điều khiển nguồn cấp cho thiết bị gia nhiệt

Thiết bị gia nhiệt có nhiệm vụ tỏa nhiệt nóng, đây là lượng nhiệt cần thiết để tăng nhiệt độ cho khu vực ủ lên 300C

Quạt gió có nhiệm vụ luân chuyển lượng nhiệt tỏa đều ra khu vực ủ

Cảm biến nhiệt độ có nhiệm vụ đo nhiệt độ trong khu vực ủ và phản hồi về

bộ điều khiển

Khi cần làm giảm nhiệt độ của không gian ủ chúng ta có thể sử dụng các phương pháp như: làm mát bằng bộ thổi khí, làm mát bằng nước thông qua các tấm cooling pad

Với phương pháp làm mát bằng bộ thổi khí thì mô hình có thể tham khảo như hình dưới đây:

Hình 2.4: Làm mát bằng bộ thổi khí

Với phương pháp làm mát bằng nước thông qua các tấm cooling pad thì mô hình có thể tham khảo như hình sau:

Trang 31

Hình 2.5: Làm mát bằng nước thông qua các tấm cooling pad [www18]

Xét thấy phương án làm mát bằng nước thường áp dụng cho những không gian rộng như nhà xưởng, nổi trên mặt đất để thuận tiện cho việc trao đổi gió vào, gió ra Do vậy nếu dùng trong không gian hầm ủ sẽ không phù hợp Nên ở đây phương án lựa chọn làm mát sẽ là làm mát bằng bộ thổi khí

Hệ thống làm mát bằng bộ thổi khí hoạt động theo nguyên lý không khí đi qua hệ xốp ngậm nước sẽ được làm mát và theo đường ống ở dưới lòng đất Không khí mát được đưa vào hầm ủ nhờ quạt Hệ thống thổi khí mát có vòi đặt trong hầm để phân bố đều toàn hầm và có xu hướng được thổi lên phía nóc hầm Sau khi chúng ta đã đưa ra phương án cho khâu ủ thì khi thi công sẽ tùy vào diện tích hầm ủ, địa điểm làm hầm ủ trong thực tế sẽ điều chỉnh hướng bố trí thiết bị cho phù hợp

Tiếp theo chúng ta sẽ xây dựng phương án tái tạo khâu chưng cất rượu Như đã được biết theo những mô tả về khâu chưng cất trong mục 2.1 cho thấy rằng: Chưng cất rượu theo dân gian người nghệ nhân dựa nhiều vào kinh nghiệm như: 10kg gạo đem ủ rồi chưng cất sẽ lấy ra 10 lít rượu có độ rượu đạt khoảng 31-33 độ và quá trình chưng cất rượu cần đảm bảo: đun cấp nhiệt lượng phù hợp sao cho quá trình chưng cất được thuận lợi (không bị trào, hài hòa với quá trình ngưng tụ) Trong phạm vi đề tài này chỉ xây dựng phương án điều khiển nhiệt độ của quá trình chưng cất còn về nồng độ rượu sẽ lấy theo kinh nghiệm của nghệ nhân nấu rượu và trong thực tế công đoạn kiểm tra độ rượu khá đơn giản bằng Rượu kế không tốn nhiều thời gian của người nấu rượu

Trang 32

Ngoài ra trên cơ sở khoa học nghiên cứu, rượu có tên hóa học là etanol, hay còn gọi là rượu etylic có nhiệt độ sôi là 78,390C

Từ kinh nghiệm chưng cất rượu dân gian và cơ sở khoa học về nhiệt độ sôi của rượu nguyên chất chúng ta xây dựng phương án cho khâu chưng cất sẽ thực hiện điều khiển nhiệt độ trong khoảng từ 950C đến 1000C

Giai đoạn đầu thực hiện điều khiển ổn định nhiệt độ ở 950C sai số 10C, sau

đó từ nửa quá trình chưng cất trở về cuối (khi lượng rượu lấy ra đạt 1 nửa năng suất của mẻ rượu, ví dụ 5lit/10kg gạo ủ) thì thực hiện nâng nhiệt độ và ổn định ở

1000C

Sở dĩ phương án đưa ra điều khiển và ổn định nhiệt độ ở hai mức như vậy là

để đảm bảo giai đoạn đầu, nhiệt độ ổn định ở 950C đủ để diễn ra quá trình bay hơi và ngưng tụ mà không xảy ra hiện tượng trào hơi rượu và cái rượu Điều này phù hợp với kinh nghiệm dân gian, do nấu theo thủ công không điều chỉnh được nhiệt độ nên thời điểm ban đầu chỉ có thể đun sôi và đun nhỏ lửa Ở giai đoạn từ giữa quá trình chưng cất khi lượng rượu lấy ra đã đạt 50% sản lượng của mẻ rượu nấu đến hết quá trình chưng cất sẽ tiến hành nâng nhiệt độ và ổn định ở

1000C để thời gian nấu diễn ra nhanh mà không gây ảnh hưởng đến quá trình bay hơi và ngưng tụ

Quy trình điều khiển và ổn định nhiệt độ cho khâu chưng cất như sau:

Hình 2.6: Quy trình điều khiển nhiệt độ khâu chưng cất

Đối tượng điều khiển

Cảm biến nhiệt độ

Bộ điều khiển nhiệt

độ

Nhiệt độ đặt

(950C1000C )

Thiết bị gia nhiệt khâu chưng cất

Nồi chưng cất

Nhiệt lượng

Nhiệt

độ t0C Set Nguồn cấp

Trang 33

Trong đó nhiệt độ đặt sẽ được cài đặt cho 2 giai đoạn, giai đoạn đầu nhiệt độ được set ở 950C sai số 10C, giai đoạn sau khi lượng rượu chưng cất đạt 50% sản lượng rượu theo kinh nghiệm nấu rượu dân gian thì tiến hành đặt nhiệt độ lên 1000C cho đến cuối quá trình chưng cất

Các thiết bị sử dụng bao gồm cảm biến nhiệt độ, bộ điều khiển nhiệt độ, thiết

bị gia nhiệt tương tự như trong xây dựng phương án cho khâu ủ

Nồi chưng cất là kiểu nồi trong nấu rượu thủ công vẫn thường sử dụng, có gia công lỗ để đưa đầu dò cảm biến nhiệt độ vào trong nồi

Trên đây là toàn bộ phương án xây dựng công nghệ tái tạo khâu ủ và khâu chưng cất

Trang 34

Chương 3: Thuật toán điều khiển cho khâu ổn định nhiệt độ

Chương 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO KHÂU ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ

3.1 TÓM TẮT VỀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID

Trong phương án xây dựng công nghệ tái tạo cho khâu ủ và khâu chưng cất thì cả hai quy trình điều khiển nhiệt độ ở các khâu này đều là quy trình điều khiển vòng kín tức là có phản hồi nhiệt độ về bộ điều khiển

Trong phương án điều khiển phản hồi thì một trong những bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất đó là bộ điều khiển PID Lý do bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi là tính đơn giản của nó cả về cấu trúc và nguyên lý làm việc

PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral (tích phân) và Derivative (đạo hàm).[www4]

Hình 3.1: Mô tả các thành phần chính của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp như trên hình 3.2

Hình 3.2: Điều khiển phản hồi với bộ điều khiển PID

trong đó:

• u là tín hiệu điều khiển gửi tới đối tượng điều khiển

Trang 35

• w là đầu ra mong muốn(giá trị đặt)

• e là sai lệch giữa đầu ra đo được và đầu ra mong muốn

Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng:

• Triệt tiêu sai số xác lập

• Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố

• Hạn chế dao động

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn chất lượng điều khiển của PID

Như vậy bộ PID sẽ thực hiện các nhiệm vụ như sau:

• Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uP(t) thì tín hiệu điều khiển u(t) càng lớn (vai trò của khuếch đại kP)

• Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phân uI(t) thì PID vẫn còn tạo ra tín hiệu điều khiển (vai trò của tích phân TI)

• Nếu sự thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần uD(t) phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh (vai trò của vi phân TD)

Bộ điều khiển PID là sự kết hợp của ba bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân

Trang 36

Hình 3.4: Điều khiển phản hồi với khâu tỉ lệ K P

Trên cơ sở là hàm truyền đầu ra Y(s) của đối tượng G(s) người ta đã đưa ra một số kết luận như sau:

• KP càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh

• KP càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ nhưng không thể triệt tiêu

• KP càng lớn thì các cực của hệ thống có xu hướng di chuyển ra xa trục thực ÞHệ thống càng dao động và độ vọt lố càng cao

• Nếu KP tăng quá giá trị giới hạn thì hệ thống sẽ dao động không tắt dần

và mất ổn định

b) Khâu tích phân (Integration)

Khâu tích phân có các hàm đặc trưng như sau:

• Hàm truyền: K(s)=KI/s

• Đặc tính thời gian: Y(s) = KI.G(s).E(s)/s

• Sai số hệ thống: ( ) = ( )

( ) ( )

Hình 3.5: Điều khiển phản hồi với khâu tích phân K I /s

Với khâu tích phân người ta đưa ra một số kết luận như sau:

• KI càng lớn thì đáp ứng quá độ càng chậm

• KI càng lớn thì sai số xác lập càng nhỏ Đặc biệt hệ số khuếch đại của khâu tích phân bằng vô cùng khi tần số bằng 0 Þ Triệt tiêu sai số xác lập với hàm nấc đơn vị

Trang 37

c) Khâu vi phân (Derivative)

Khâu vi phân gồm các hàm đặc trưng như sau:

• Hàm truyền: K(s)=KD.s

• Đặc tính thời gian: Y(s) = KD.G(s).E(s).s

• Sai số hệ thống: ( ) = ( )

( ) ( )

Hình 3.6: Điều khiển phản hồi với khâu vi phân KD.s

Với khâu vi phân người ta đưa ra một số kết luận như sau:

d) Bộ điều khiển PID

Là sự kết hợp của ba khâu thành phần: tỉ lệ, tích phân và vi phân Các cách biểu diễn bộ PID bằng mô hình vào – ra như sau:

Trang 38

• Theo cách biểu diễn 1:

• Theo cách biểu diễn 2:

trong đó cách biểu diễn thứ hai được sử dụng phổ biến hơn

Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào các tham số kP, TI, TD Muốn hệ thống

có được chất lượng như mong muốn thì phải phân tích đối tượng rồi trên cơ sở

đó chọn các tham số đó cho phù hợp Hiện có nhiều phương pháp xác định tham

số kP, TI, TD cho bộ điều khiển PID, song tiện ích hơn cả trong ứng dụng vẫn là:

• Phương pháp Zeigler –Nichol

• Phương pháp Chien –Hrones –Reswick

• Phương pháp tổng T của Kuhn

• Phương pháp tối ưu độ lớn và tối ưu đối xứng

• Phương pháp tối ưu theo sai lệch bám

•

Không phải mọi trường hợp ứng dụng đều cần xác định cả 3 tham số kP, TI,

TD Chẳng hạn khi bản thân đối tượng đã có thành phần tích phân thì trong bộ điều khiển ta không cần phải có thêm khâu tích phân, khi đó ta chỉ cần sử dụng

bộ điều khiển PD là đủ (TI =) có hàm truyền:

Hoặc khi tín hiệu trong hệ thống thay đổi tương đối chậm và bản thân bộ điều khiển không cần phải phản ứng thật nhanh với sự thay đổi của sai lệch e(t) thì ta có thể chỉ cần sử dụng bộ điều khiển PI (TD =0) có hàm truyền:

Với đối tượng điều khiển là thiết bị gia nhiệt có hàm truyền khi xấp xỉ là khâu quán tính bậc 2 thì bộ điều khiển có thể chỉ cần là bộ điều khiển PI và ở đây có thể sử dụng một trong 2 phương pháp thông dụng, phổ biến để xác định các tham số bộ điều khiển là phương pháp Zeigler –Nichol và phương pháp tối

Trang 39

3.2 THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Các tham số của bộ điều khiển có thể được xác định theo nhiều phương pháp Trong phần này của Luận văn sẽ tóm tắt một số phương pháp phổ biến theo [1];[2];[3];[5]

3.2.1 Xác định tham số bộ điều khiển theo phương pháp tối ưu mô đun

Khảo sát hệ kín phản hồi như trên hình 3.7:

Hình 3.7: Hệ kín phản hồi

trong đó:

• WC(s) là hàm truyền bộ điều khiển

• Wh(s) là hàm truyền của đối tượng

• U(s): Giá trị mong muốn

Để thỏa thuận giữa yêu cầu lý tưởng và điều kiện thực tế, yêu cầu là tổng hợp hệ thống sao cho: | ( )| ≈ 1 trong một giải tần số càng rộng càng tốt

Trang 40

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	2,19 MB