ĐỒ án môn học cơ điện tử NGÀNH CÔNG NGHỆ kĩ THUẬT cơ điện tử tên đề tài NGHIÊN cứu, THIẾT kế mô HÌNH QUẠT điện THÔNG MINH

Mô tả nhiệm vụ công nghệ Bộ điều khiển mờ được ứng dụng trong điều khiển quạt thông Động cơ Động cơ không đồng bộ 1 pha Cảm biến nhiệt độ LM35 Cảm biến độ ẩm DHT11 Điều khiển Remote hoặc

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

—^^^Q^ft—

ĐÒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ

NGÀNH CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIÉT KẾ MÔ

HÌNH QUẠT ĐIỆN THÔNG MINH

Giáo viên hướng dẫn: Ths Nhữ Quý Thơ

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khắc Bắc

Nguyễn Hữu Đức

Nguyễn Ngọc Hiệu

2018605258 2018605534 2018605834

Hà Nội - 2021

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện thôngminh

2 Hoạt động của sinh viên

- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L4.2)

- Nội dung 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống (L4.2)

- Nội dung 3: Tính toán, thiết kế mô hình hệ thống (L4.1, L4.3)

- Nội dung 4: Viết báo cáo

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mô hình sản phẩm (nếu có)

NXB KH&KT.

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn,

đồ án/dự án (nếu

có): Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng

MÔ TẢ HỆ THỐNG

1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ

Bộ điều khiển mờ được ứng dụng trong điều khiển quạt thông

Động cơ Động cơ không đồng bộ 1 pha

Cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến độ ẩm DHT11

Điều khiển Remote hoặc APP

Bộ điều khiển Arduino

3 Đặc tính kỹ thuật

Thông số Giá trị

Lưu lượng gió 64.56 m3 / phút

4 Nội dung báo cáo

Chương 1: Tổng quan về hệ thống

1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.2 Các vấn đề đặt ra

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Giới thiệu chung về quạt thông minh

2.2 Luật điều khiển mờ và ứng dụng

2.3 Hệ thống cảm biến và điều khiển

Chương 3: Tính toán, thiết kế mô hình hệ thống

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống

3.2 Thiết kế hệ thống điện - điều khiển

Kết luận

MỤC LỤC MỤC LỤC I DANH MỤC HÌNH ẢNH III DANH MỤC BẢNG BIỂU V LỜI NÓI ĐẦU VI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1

1.1 Lịch sử nghiên cứu 1

1.2 Các vấn đề đặt ra 2

1.3 Phương pháp nghiên cứu 3

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 3

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Giới thiệu chung về quạt thông minh 5

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý chung của các loại quạt 5

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý của quạt điều hòa 8

2.2 Luật điều khiển mờ và ứng dụng 11

2.2.1 Luật điều khiển mờ 11

2.2.2 Ứng dụng của điều khiển mờ 17

2.3 Hệ thống cảm biến và điều khiển 17

2.3.1 Hệ thống cảm biến 17

2.3.2 Hệ thống điều khiển 18

2.3.3 Mối tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm 26

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 30

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống 30

3.2 Thiết kế hệ thống điện - điều khiển 34

3.2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển 34

3.2.2 Thiết kế luật điều khiển mờ 38 3.2.3 Mô phỏng trên proteus và matlab simulink 42

KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO VII PHỤ LỤC VIII

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 2.1 Quạt phun sương 6

Hình 2.2: Quạt không cánh 7

Hình 2.3 Tấm làm mát cooling pad 8

Hình 2.4 Bình chứa nước 8

Hình 2.5 Hệ thống bơm nước trong quạt điều hòa 9

Hình 2.6 Cánh quạt điều hòa 9

Hình 2.7 Tấm chắn bụi của quạt điều hòa 10

Hình 2.8 Bảng điều khiển 10

Hình 2.9 Bánh xe di chuyển quạt điều hòa 10

Hình 2.10 Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 12

Hình 2.11 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 15

Hình 2.12 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 15

Hình 2.13 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 15

Hình 2.14 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 16

Hình 2.15 Các khối chức năng của điều khiển mờ 16

Hình 2.16 Module cảm biến DHT22 17

Hình 2.17 Arduino Uno R3 ngoài thực tế 19

Hình 2.18 Các phương án điều áp một pha 20

Hình 2.19 Mạch phát hiện điểm không 21

Hình 2.20 Xung đầu ra, vào của mạch xác định điểm 0 22

Hình 2.21 Mạch công suất 22

Hình 2.22 Dạng xung mở triac 23

Hình 2.23 Giao diện phần mềm Matlab 24

Hình 2.24 Giao diện cửa sổ thư viện Simulink 25

Hình 2.25: Giao diện Fuzzy Logic Toolbox 26

Hình 2.26: Mối tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm 28

Hình 3.1 Quạt điều hòa hơi nước Sunhouse SHD 7714 30

Hình 3.2 Tổng quan quạt điều hòa SHD 7714 30

Hình 3.3 Động cơ quạt điều hòa model YD-100 32

Hình 3.4 Động cơ máy bơm nước module DHY-16 33

Hình 3.5 Cánh quạt điều hòa 34

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 35

Hình 3.7: Sơ đồ khối đầu vào - ra của bộ nhớ 38

Hình 3.8 Hàm thuộc nhiệt độ 39

Hình 3.9 Hàm thuộc độ ẩm 39

Hình 3.10 Luật mờ được định nghĩa trên matlab 40

Hình 3.11 Luật hợp thành dạng hình học 40

Hình 3.12: Khảo sát thời gian trễ đầu ra trên Matlab simulink 42

Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống 43

Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán chuyển đổi chế độ hoạt động 44

Hình 3.15 Lưu đồ con mô tả luật mờ 45

Hình 3.16 Mạch nguyên lý được vẽ trên altium 46

Hình 3.17 Mô phỏng hệ thống trên phầm mềm protues 46

Hình 3.18 Mô phỏng hệ thống trên protues khi chạy tự động 47

Hình 3.19 Mô phỏng protues khi hệ thống chạy bằng tay 47

Hình 3.20 Giao diện app điều khiển bằng bluetooth 48

Hình 3.21 Code chương trình điều khiển trên app bluetooth 49

DANH MỤC BẢNG BIỂU

•

Bảng 2.1 Sự tương quan giữa nhiệt độ và độ ẩm môi trường 27

Bảng 3.1 Phạm vi biến ngôn ngữ cho các biến 39

Bảng 3.2 Giá trị điện áp ra với từng thời gian trễ 41

Bảng 3.3 Luật hợp thành đối với động cơ quạt và máy bơm 41

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ làm xuất hiện các đốitượng phức tạp rất khó để điều khiển Xuất hiện nhiều yếu tố mới mà không thểđiều khiển bằng các lý thuyết thông thường đã có sẵn Đây là động lực để nghiêncứu tìm hiểu về phương pháp điều khiển mới đó chính là điều khiển thông minh.Hiện nay điều khiển thông minh được sử dụng phổ biến là điều khiển mờ, mạng nơron, thuật toán di chuyển

Để góp phần vào sự phát triển của phương pháp điều khiển thông minh,nhóm đã tìm hiểu sơ lược và được sự tư vấn nhiệt tình từ các thầy cô hướng dẫn bộ

môn và đã quyết định lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện

thông minh” Đồ án môn học cơ điện tử với mong muốn hoàn thành tốt môn học,

học hỏi thêm kiến thức, đồng thời đồ án có thể đóng góp hữu ích vào cuộc sống

Trong thời gian thực hiện đề tài, nhóm đã nhận được sự hướng dẫn tận tình

của thầy Ths Nhữ Qúy Thơ giúp nhóm có thể hoàn thiện được đề tài tốt nhất.

Trong suốt quá trình nghiên cứu, thiết kế và đánh giá, nhóm đã nhận được nhiều sựgiúp đỡ từ phía các thầy cô trong bộ môn, các anh chị và bạn bè, song không thểtránh khỏi những sai lầm, thiếu sót Vì vậy, nhóm rất mong nhận được sự đánh giá,nhận xét, phê bình từ các thầy cô nhằm hoàn thiện đề tài một cách tối ưu, hiệu quảnhất

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiên

Nguyễn Ngọc HiệuNguyễn Khắc BắcNguyễn Hữu Đức

Họ thực hiện thay trục giữa của quạt bằng máy móc động Từ đó, quạt điện được cảitiến dần dần.

Một trong những người chế tạo ra chiếc quạt máy đầu tiên là Omar-RajeenJumala vào năm 1832 Phát minh của ông được gọi là máy quạt ly tâm, hoạt độnggiống như máy bơm không khí Đến khi Thomas Edison và Nikola Tesla phát hiện

ra nguồn năng lượng điện vào cuối thế kỉ XIX và đầu thế kỉ XX Từ đó quạt chạybằng cơ học đã được cải tiến thành quạt chạy bằng điện năng

Năm 1882, Philip Diehl đã cho ra mắt quạt điện trần và ông được xem là cha

đẻ của chiếc quạt điện ngày nay Đến nay, quạt điện đã trở thành một thiết bị khôngthể thiếu trong các hộ gia đình

Hiện nay với sự phát triển của quạt điện đã cho ra mắt những mẫu quạt tiệních mang khuynh hướng thông minh như: quạt thông gió, quạt làm mát, quạt phunsương, quạt điều hòa hơi nước, quạt không có cánh Nhìn chung các kiểu quạt nàyđều có cấu tạo gần giống nhau, với cấu trúc chính là động cơ quạt thực hiện nhiệm

vụ tạo gió, bộ điều khiển cấp năng lượng cho động cơ và một số mẫu quạt có kếthợp thêm bộ tạo sương để tăng độ ẩm Bộ điều khiển của quạt thường là bộ điểukhiển có cấp được điều khiển bằng tay hoặc remote chứa các mức tốc độ nhất địnhnên khi sử dụng quạt còn gặp nhiều vấn đề bất cập khi trạng thái nhiệt độ môitrường thay đổi

Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu, thiết kế mô hình quạt điện thông minh” được

lựa chọn với nhiệm vụ mang đến sự thay đổi mới mẻ, tiện lợi trong cuộc sống conngười Đề tài sử dụng luật mờ để điều khiển quạt tự động chạy với các mức tốc độkhác nhau, với hai đầu vào (nhiệt độ và độ ẩm) và hai đầu ra (motor quạt và motormáy bơm nước)

1.2 Các vấn đề đặt ra

Hệ thống cơ khí: Sử dụng hệ thống cơ khí sẵn trong quạt:

- Hệ thống động cơ quạt (gồm rotor và stator) xoay chiều không đồng bộ 1pha lấy xung và nguồn từ bộ điều khiển, tạo ra momen quay cho cánh quạtchuyển động

- Hệ thống máy bơm nước 1 pha xoay chiều, lấy điện từ đầu ra của mạch điềukhiển, sử dụng để bơm nước từ đáy quạt lên cung cấp cho dàn mát

- Hệ thống cánh quạt nhận momen quay từ trục và tạo ra sự chênh lệch áp suấtgiữa trước và sau cánh quạt, dẫn đến các dòng khí đối lưu từ sau về trướchoặc ngược lại

- Hệ thống bể nước mini cung cấp cho máy bơm

Hệ thống điện: Hệ thống sử dụng điện xoay chiều 1 pha dân dụng —220V

-50Hz Hệ thống sử dụng mạch nhận biết điểm 0V và mạch công suất dùng để kíchtriac để điều khiển quạt và máy bơm Bộ điều khiển trung tâm dùng Arduino UnoR3 để xử lý tín hiệu vào từ cảm biến nhiệt độ và cảm biến độ ẩm để xuất tín hiệucho mạch công suất

Chương trình điều khiển: Chương trình điều khiển dựa trên luật điều khiển

mờ điều khiển có cấp (4 cấp độ) được xây dựng trên các phần mềm hỗ trợ về lậptrình và mô phỏng (Arduino IDE và Matlab), có thể xây dựng giao tiếp một appmobile đơn giản dễ sử dụng

Thử nghiệm đánh giá: Sau khi hoàn thành thử nghiệm trên phần mềm

Matlab/Simulink để kiểm tra tính ổn định, chất lượng, đảm bảo an toàn và đánh giá

Hệ thống phải đảm bảo hoạt động ổn định ở các cấp tốc độ

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu qua các kênh thông tin, internet, qua các bài viết trong nước vàquốc tế về các ứng dụng của điều khiển mờ vào việc điều khiển tốc độ động

cơ và đối tượng quạt điện

- Tìm hiểu cách tạo gió của quạt, các loại quạt điện trên thị trường

- Tìm hiểu bộ chuyển đổi giữa ADC, các thiết bị thành phần có trong hệ thống

- Tìm hiểu về vi xử lý và vi điều khiển, các cảm biến nhiệt độ và cảm biến độẩm

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiệt độ và độ ẩm đến cơ thể con người thông quacác bài báo đánh giá của nước ta và nước ngoài

- Tìm hiểu cách sử dụng các phần mềm lập trình (Matlab và Arduino IDE) vàcác phầm thiết kế mô phỏng trên máy tính

- Tìm hiểu về cách mô hình hóa, giúp cho việc tính toán và chọn các trangthiết bị điện vào mạch để điều khiển thiết bị

Phương pháp nghiên cứu mô hình hóa mô phỏng:

- Kết quả xây dựng được được thử nghiệm đánh giá trên phần mềm mô phỏng.Trong khuôn khổ của đồ án này, phần mềm Matlab/Simulink và phần mềmProteus được sử dụng để mô phỏng đánh giá chất lượng điều khiển

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu

Giới hạn nghiên cứu:

- Nghiên cứu các loại quạt điện có sẵn sử dụng điện áp AC 220V công suấtnhỏ (<100W)

- Nghiên cứu các yếu tố để quạt hoạt động như là nhiệt độ, độ ẩm và yếu tốđảo gió

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm trên cơ thể con người ở Việt Nam

- Thiết kế mạch để điều khiển và quạt sử dụng theo kiểu điều khiển có cấp tốcđộ

- Giới hạn đề tài trong phòng từ 15 - 20 m2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu chung về quạt thông minh

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý chung của các loại quạt

a) Cấu tạo

Các loại quạt ngày nay đều có cậu tạo đa phần giống nhau ở một số bộ phận:

- Cánh quạt: Làm bằng kim loại hay nhựa được tạo dáng để tạo ra gió khi quay

- Động cơ diện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha

- Lưới bảo vệ: Dụng cụ để bảo vệ cánh quạt và động cơ trước tác động từ bênngoài

- Bộ phận điều chỉnh tốc độ quay và thay đổi hướng gió

b) Nguyên lý hoạt động

Khi có dòng điện chạy trong dây dẫn quấn trên lõi sắt từ (phe silic) tạo thànhmột lực tác động lên rotor Phe silic thường làm từ tole silic mỏng ghép nhiềumiếng lại với nhau

Vị trí các cuộn dây chạy và dây đề được đặt lệch nhau Đồng thời tác dụnglàm lệch pha của tụ điện sẽ tạo ra trong lòng stator các lực hút không cùng phươngvới nhau

Vì 2 lực hút lệch nhau về phương và thời gian nên tạo ra trong lòng statormột từ trường quay làm cho roto quay được

Để thay đổi tốc độ của quạt người ta quấn trên đó một số vòng dây chung vớicuộn chạy Khi dòng điện tăng lên hoặc giảm xuống do điện trở của cuộn dây thayđổi sẽ tạo ra nên một từ trường mạnh hoặc yếu hơn, làm cho quạt chạy nhanh hơnhoặc chậm hơn

Bộ điều khiển quạt đa số là bộ điều khiển có cấp bằng tay với các mức tốc độ

cố định và chưa được tự động Chỉ có một số quạt thông minh trên thị trường như:quạt phun sương và quat không cánh được tích hợp bộ điều khiển thông minh tựđộng cho quạt

c) Các loại quạt thông minh có trên thị trường

- Quạt phun sương:

Quạt phun sương có cơ chế nén hơi nước với áp suất cao, tạo thành sương vàphả vào không khí Những hạt sương siêu nhỏ này sẽ giúp cho căn phòng của bạn

có độ ẩm nhất định, nhiệt độ phòng có thể giảm được từ 3 - 7 độ tùy vào diện tích.Quạt phun sương có nhiều mẫu mã cao, thấp đa dạng, phù hợp với nhiều loại phònghoặc căn hộ phổ biến tại Việt Nam Ngoài ra, loại quạt này cũng có chế độ tiết kiệmđiện năng, cũng như tạo ra ion âm giúp cho cơ thể sảng khoái và khỏe khoắn hơn.Quạt có được tích hợp bảng điều khiển điện tử thông minh giúp con người điềukhiển quạt ở các chế độ khác nhau bằng remote Quạt phun sương tự động đã đượcthiết kế thông minh nên đề tài này sẽ không nghiên cứu sâu về quạt Hơn nữa quạtphun sương là một thiết bị hiện đại nên giá thành cao

Hình 2.1 Quạt phun sương

- Quạt điện không cánh:

Nguyên lý quạt không cánh hoạt động dựa trên lý thuyết khí động học Ápdụng kiến thức về sự chuyển động của không khí và chênh lệch áp suất Ở nơi có ápsuất cao khi chuyển về nơi có áp suất thấp, không khí sẽ tạo thành gió

James Dyson đã tạo ra một khu vực có áp suất thấp ở phía trước vành quạthình tròn Như vậy, khi luồng không khí phía sau vành quạt lưu thông về trước sẽtạo thành một luồng gió bởi chênh lệch áp suất

Bên trong đế quạt có chứa một động cơ hiệu suất hoạt động 40W có tốc độlớn Động cơ này chịu trách nhiệm hút không khí vào và đẩy không khí qua một khehẹp rộng 1.3 mm ở phía vành quạt.

Vành khuyên quạt thiết kế cong 16 độ góp phần điều hướng gió và tạo raluồng gió cực mảnh Luồng khí siêu mảnh được thổi ra làm khu vực phía trước vànhquạt giảm áp suất và hút khối không khí phía sau về trước với lưu lượng gấp 15lần so với loại quạt điện thông thường Điều này tạo nên những làn gió mát, lưulượng lớn

Cũng như quạt phun sương, quạt không cánh là một thiết bị thông minh đượctích hợp bộ điều khiển điện tử và được điều khiển thông qua remote Với giá thànhcao và đã được tích hợp đầy đủ các tính năng tự động trong quạt nhưng ít được ưachuộng nên nhóm sẽ không đi tìm hiểu sâu về quạt

Hình 2.2: Quạt không cánh

- Quạt điều hòa:

Với khí hậu nóng bức như hiện nay thì điều hòa là một lựa chọn phù hợp chonhững không gian nhỏ, hẹp Quạt điều hòa về cơ bản là hoạt động dựa trên cơ chếbay hơi của nước Khi không khí nóng đi vào bên trong quạt sẽ được lọc qua bằngmột tấm làm mát, từ đó, luồng khí tỏa ra sẽ mang theo hơi nước mát lạnh Quạt điềuhòa là kiểu quạt thông dụng, được nhiều gia đình ưa chuộng nhờ vào giá thành hợp

lý, tiết kiệm điện năng, làm mát nhanh và quan trọng nhất là nó có tích hợp cơ chếlọc sạch không khí Tuy nhiên, quạt vẫn chưa được hoạt động tự động mà vẫn phải

điều khiển bằng tay Vì vậy, nhóm quyết định lựa chọn đối tượng

nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả choquạt

2.1.ii Cấu tạo và nguyên lý của quạt điều hòa

a) Cấu tạo

- Tấm làm mát Cooling Pad: Được coi là vũ khí bí mật và quan trọng nhất củaquạt điều hòa Không khí nóng được hút vào trong quạt, chúng sẽ được đẩyqua tấm làm mát giúp nhiệt độ không khí giảm xuống và thổi gió ra ngoàimôi trường, giúp làm mát không gian

Hình 2.4 Bình chứa nước

- Hệ thống bơm nước: Máy bơm nước chạy liên tục và nước chảy tuần hoàn từ

trên xuống dưới tấm làm mát cooling pad để giữ chúng luôn được ướt vàkhông khí sẽ được làm mát khi chạy qua

Hình 2.5 Hệ thống bơm nước trong quạt điều hòa

- Quạt gió: Trong bất cứ quạt điều hòa nào cũng đều có một quạt gió đượcthiết kế theo 1 trong 2 kiểu là quạt ly tâm hoặc quạt hướng trục Cánh quạt cónhiệm vụ hút khí nóng từ bên ngoài vào trong đi qua tấm làm mát và đưaluồng khí mát ngược trở lại môi trường xung quanh

Hình 2.6 Cánh quạt điều hòa

- Tấm lưới chắn bụi, lọc không khí: Tấm lưới chắn bụi trên quạt điều hòa có

dạng khung hình chữ nhật mỏng, gồm nhiều ô vuông nhỏ, vành khung ngoàiđược làm từ chất liệu nhựa nhẹ Bên trong là các tấm vải nhẹ và mỏng, cónhiều lỗ nhỏ li ti nhằm chắn bụi một cách hiệu quả Tấm lưới chắn bụi được

bố trí ở hai bên hông và mặt sau của quạt, gắn bên ngoài tấm làm mát coolingpad, có chức năng lọc bụi bẩn trong không khí trước khi đi vào tấm làm mát

Hình 2.7 Tấm chắn bụi của quạt điều hòa

- Bảng điều khiển: Giúp người dùng tùy chỉnh chức năng trên quạt Khi kếthợp điều khiển mờ quạt sẽ tự động hoạt động

Hình 2.8 Bảng điều khiển

- Bánh xe di động: Giúp cho sự duy chuyển dễ dàng

Hình 2.9 Bánh xe di chuyển quạt điều hòa

Hệ thống quạt đẩy luồng khí đã được làm lạnh ra ngoài môi trường, nhanhchóng hạ nhiệt độ phòng, đem lại bầu không khí trong lành, dễ chịu, sảng khoái chongười dùng

Với trường hợp chỉ sử dụng nước thì nhiệt độ phòng sẽ giảm xuống khoảng

3 - 7 độ C, còn nếu máy làm mát cho phép sử dụng cùng đá khô thì có thể giảmnhiệt độ cho phòng sâu hơn tới 10 - 15 độ C Những quạt có thể dùng cùng gel đákhô thế này thì còn được gọi với tên là quạt đá

2.2 Luật điều khiển mờ và ứng dụng

2.2.i Luật điều khiển mờ

a) Đặc trưng của tập mờ

- Độ cao của tập mờ:

Độ cao của một tập mờ F định nghĩa trên tập nền X là giá trị

h = sup pF (x); x e X [2.1]Tập mờ có h=1 là tập mờ chính tắc, h<1 là tập mờ không chính tắc

Hình 2.10 Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ

- Miền xác định của tập mờ:

Miền xác định của tập mờ F định nghĩa trên nền X, được ký hiệu bởi s là tập

thỏa mãn

S = suppp (x) = {x e X | Pp (x) > 0} [2.2]

- Miền tin cậy của tập mờ:

Miền xác định của tập mờ F định nghĩ trên nền X, được ký hiệu bởi T là tậpthỏa mãn

T = {x e X| pF (x) = 1} [2.3]b) Các phép toán trên tập mờ

Hai tập mờ F, E trên cùng không gian nền X, có các hàm thuộc tương ứng là

pF, pE, khi đó:

- Phép hợp hai tập mờ

Phép hợp hai tập mờ F và E ký hiệu là F u E có hàm thuộc được tính theo

một trong các luật sau

Theo luật Max:

Phép hợp hai tập mờ F và E ký hiệu là F n E có hàm thuộc được tính

theo một trong các luật sau

Theo luật Min

Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ thuộc điều kiện” Nếu

hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra thì mệnh đề suy diễn có dạng tổng quátnhư sau:

If N = ni andM = mi and Then R = ri andK = ki and

Ví dụ điều khiển chuyển động của robot ta quan tâm đến

+ Sai số vị trí E= {âm, bằng không, dương}

+ Lực điều khiển U= {bằng không, nhỏ, lớn}

Thì ta có các mệnh đề hợp thành sau

Nếu sai số = âm Thì lực điểu khiển = lớn

Nếu sai số = dương Thì lực điều khiển = nhỏ

Nếu sai số = bằng không Thì lực điều khiển = bằng không

- Luật hợp thành mờ:

Luật hợp thành là tên gọi chung của mô hình biểu diễn một hay nhiều hàmthuộc cho một hay nhiều mệnh đề hợp thành

Các luật hợp thành cơ bản

+ Luật Max - Min

+ Luật Max - Prod

+ Luật Sum - Min

+ Luật Sum - Prod

Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ SISO:

Luật mờ cho hệ SISO có dạng

“If A Then B”

Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ MISO:

Luật mờ cho hệ MISO có dạng

“If cd1 = A1 and cd2 = A2 and Then rs = B”

Thuật toán xây dựng mệnh đề hợp thành cho hệ MIMO 2 đầu vào 2 đầu ra:

“If cd1 = A1 and cd2 = A2 and Then rs = B and rx = C”

d) Giải mờ

Giải mờ là quá trình xác định giá trị rõ ở đầu ra từ hàm thuộc L1B (y) của tập

mờ B Có 2 phương pháp giải mờ là phương pháp cực đại và phương pháp trọngtâm:

- Phương pháp cực đại

Theo phương pháp này thì giá trị rõ y' đại diện cho tập mờ phải là giá trị có

"xác suất" thuộc tập mờ lớn nhất

Để xác định y' thực hiện qua hai bước:

(1) Xác định miền chứa giá trị rõ y' Giá trị rõ y' là giá trị mà tại đó hàmthuộc đạt giá trị cực đại (độ cao H của tập mờ B ’), tức là miền

G = {y eY | pB (y) = H} [2.11](2) Xác định y' có thể cháp nhận từ G theo phương pháp này có 3 nguyên lý để

Giá trị rõ y được lấy bằng cận phải y,- của G Cũng giống như nguyên lý cận trái, giá trị rõ y' ở đây phụ thuộc tuyến tính vào đáp ứng vào của luật điều khiển

quyết định

Hình 2.13 Giải mờ theo nguyên lý cận phải

- Phương pháp trọng tâm

Phương pháp điểm trọng tâm sẽ cho ra kết quả y' là hoành độ của điểm trọng

tâm miền được bao bởi trục hoành và đường ụ B '( y)

Công thức xác định y':

i

[2.13]Trong đó S là miền xác định của tập mờ B', Giá trị rõ y' là hoành độ củađiểm trọng tâm

Hình 2.14 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

e) Cấu trúc bộ điều khiển mờ

Hình 2.15 Các khối chức năng của điều khiển mờ

Khối mờ hóa: Có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu

vào thành vecto 11 có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào

Thiết bị hợp thành: Mà bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành R được

xây dựng trên cơ sở luật điều khiển

Khối giải mờ: Có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 (ứng

với mỗi giá trị rõ x0 để điều khiển đối tượng)

Giao diện đầu vào: Thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiệu vào (từ

tương tự sang số), ngoài ra còn có thể có thêm các khâu phụ trợ để thực hiện bàitoán động như tích phân, vi phân

Giao diện đầu ra: Thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tương tự) để

điều khiển đối tượng

2.2.ii Ứng dụng của điều khiển mờ

Các ứng dụng của điều khiển có từ rất sớm, Năm 1977 Mamdani đã ứngdụng điều khiển mờ vào bài toán giao thông Logic mờ được ứng dụng vào điềukhiển dao động hệ thống treo, ghế ngồi của xe ô tô, điều khiển mờ - thích nghi củamột cơ cấu tự động trong máy gia công bằng tia lửa điện, điều khiển mờ được ứngdụng điều khiển cánh tay robot Logic mờ được ứng dụng trong việc lập kế hoạch

và thực thi đường đi tối ưu cho robot di động Logic mờ được ứng dụng trong điềukhiển robot gia công phay để giảm thiểu tác động của thành phần lực cắt không xácđịnh Hay được ứng dụng trong bộ điều khiển để điều robot giảm các tác động gâyhại cho con người khi thao tác cùng, đó là bộ điều khiển thử nghiệm trên một robottay máy 6 bậc tự do Trong điều khiển robot tác hợp thực hiện gia công cơ khí

Hiện nay, đa phần những thiết bị hàng ngày được sử dụng logic mờ như máyđiều hòa nhiệt độ, nồi cơm điện, máy rửa bát, thang máy, máy giặt và các thiết bịgia dụng

2.3 Hệ thống cảm biến và điều khiển

2.3.i Hệ thống cảm biến

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22

Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT22 (Temperature Humidity Sensor) là cảmbiến tương tự, rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dâytruyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp cóđược dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào

Hình 2.16 Module cảm biến DHT22

Để có thể giao tiếp với DHT22 theo chuẩn 1 chân vi xử lý thực hiện theo 5bước:

Bước 1: Gửi tín hiệu Start

Bước 2: Đọc giá trị trên DHT22

DHT22 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte Trong đó:

Byte 1: Giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)

Byte 2: Giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)

Byte 3: Giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)

Byte 4: Giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)

Byte 5: Kiểm tra tổng

Đọc dữ liệu:

Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm vànhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng

các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nốivới nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương

của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy chúng ta không được lấynguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương

với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KQ

Các cổng vào ra: Arduino Uno có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tínhiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân

là 40mA ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điềukhiển Atemega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit - TX) và nhận

(receive - RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khácthông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nốiSerial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chânnày nếu không cần thiết

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với

độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 ^ 28-1 tương ứng với 0V ^ 5V) bằng hàmanalogWrite () Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ởchân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chânkhác

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thứcSPI với các thiết bị khác

nút Reset, bạn sẽ thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khichân này được người dùng sử dụng, Led sẽ sáng

b) Điều khiển góc mở triac

Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Triac Triac có nhiệm vụ điềukhiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng với góc mởcủa Triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xung vuông tươngứng tải ở trên sơ đồ có thể đặt trước hoặc sau van

Sơ đồ dạng sóng đầu ra của van khi điều chỉnh góc mở:

Hình 2.18 Các phương án điều áp một pha

Nhìn từ hình trên ta thấy do tải có tính cảm kháng nên khi tắt vẫn có mộtphần điện áp trả lại của động cơ Nên có thể xuất hiện một vùng không hoạt độngnếu điện cảm ứng thì mạch có thể không hoạt động hoàn toàn

Nguyên nhân của hiện tượng này gồm các lý do:

Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết nănglượng, làm cho T1 vẫn dẫn từ n cho đến Ọ1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang phâncực thuận và điện áp Ua1a2 > 0 Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cựcngược

Do đó trong vùng từ Ọ1 cho đến n nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫnđược

Do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mởTiristor, điện cảm càng lớn khi dòng điện biến thiên càng chậm Nếu độ rộng xungđiều khiển hẹp, dòng điện khi có xung điều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duytrì, do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện Kết quả không có dòng điện, van sẽkhông mở Hiện tượng này sẽ thấy ở cuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tứcthời đặt vào van bán dẫn khóa luôn Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòngdòng điện duy trì, dòng điện mới tồn tại trong mạch Để khắc phục hiện tượng này

là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp từ thời điểm mở van cho tới cuốibán kỳ

c) Mạch phát hiện điểm không

Hình 2.19 Mạch phát hiện điểm không

Trong mạch này có một mạch được gọi là mạch xác định điểm ở vị trí 0V Ởmạch này, điện áp xoay chiều sẽ đi vượt qua diode cầu Dòng điện sẽ đi qua diodezenner 5V sẽ có dòng đi qua Opto Khi không có dòng đi qua thì INT0 có mực điện

áp là 5V ứng với mực 1 Ngược lại khi có dòng đi qua thì INT0 có mức điện áp 0Vứng với mức 0 Được mô tả như hình bên dưới (A là xung diode cầu, B là dạngxung đầu ra INT0 đưa vào ngắt)

Hình 2.20 Xung đầu ra, vào của mạch xác định điểm 0

Tín hiệu tại điểm INT0 cho ta thấy khi điện áp xoay chiều 220V về giá trị 0thì xung tín hiệu lúc đó tại INT0 sẽ là 5V Chúng ta sẽ cho tín hiệu này vào vi điềukhiển và xử lý Việc phát hiện được điểm 0 của điện áp 220V sẽ giúp chúng ta đóng

mở được trongtừng chu kỳ của điện 220V thay vì đóng và mở mỗi chu kỳ

d) Mạch công suất

Hình 2.21 Mạch công suất

Nhiệm vụ chính của mạch này là đóng/mở các triac để điều khiển quạt:

Tín hiệu điều khiển quạt được đưa vào chân 2 của Moc3020, chân DieuKhien = 0 thì Triac dẫn, Dieu Khien = 1 thì Triac khóa Tuy nhiên, vì phải điềuchỉnh tốc độ quạt, nên khi phát xung ở chân Dieu Khien ta phải tính toán thay đổi

độ trễ i tại thời điểm bắt được điểm 0v, đó chính là việc thay đổi góc mở alpha chotriac Độ trễ i này phải nằm trong khoảng từ 0 (ms) < i < 10 (ms) Khoảng thời giandelay này sẽ quyết định tốc độ của động cơ Như vậy, độ trễ i bé thì triac mở lớn vàngược lại

Khi tín hiệu tại Dieu Khien xuống 0 thì tại điểm G của Triac sẽ có dòng làmcho hai đầu A2 và A1 của Triac thông với nhau Khi tín hiệu tại OUTVDK lên 1 thìA2 và A1 sẽ đóng khi điện áp xoay chiều về 0 (tức là chênh lệch điện áp giữa A2 vàA1 là 0)

Hình 2.22 Dạng xung mở triac

e) Giới thiệu về Matlap & Simulink

* Giới thiệu Matlab:

Matlab là phần mềm dùng để giải một loạt các bài toán kĩ thuật, đặc biệt làcác bài toán liên quan đến ma trận Matlab cung cấp các toolboxes, tức các hàm mởrộng môi trường Matlab để giải quyết các vấn đề đặc biệt như xử lý tí hiệu số, hệthống điều khiển, mạng neuron, fuzzy logic, mô phỏng,

Hình 2.23 Giao diện phần mềm Matlab

Sau khi khởi động Matlab ta được cửa sổ như hình 2.24 bao gồm:

- Cửa sổ command window: Là cửa sổ làm việc chính của matlab

- Cửa sổ current folder: Là nơi lưu các thư mục làm việc đã lưu

- Cửa sổ command History: là nơi lưu lịch sử làm việc

* Giới thiệu Matlab Simulink:

Simulink là phần mềm mở rộng của matlab(1 toolbook của Matlab) dùng để

mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động Thông thường dùng đểthiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống DSP, hệ thống thông tin và các hệ thống môphỏng khác

Để khởi động simulink ta click chuột trái vào biểu tượng Simulink Library từthanh công cụ của Matlab hoặc nhập lệnh Simulink vào cửa sổ lệnh commandwindow