Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển máy rửa chén bát thông minh sử dụng cho hộ gia đình

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển máy rửa chén bát thông minh sử dụng cho hộ gia đình Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển máy rửa chén bát thông minh sử dụng cho hộ gia đình Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển máy rửa chén bát thông minh sử dụng cho hộ gia đình

TÓM TẮT

Việc sử dụng máy rửa chén bát (MRCB) không còn quá xa lạ với người nội trợ

trong các gia đình ở Việt Nam hiện nay Khi lựa chọn một chiếc MRCB thì vấn đề tiết

kiệm điện năng tiêu thụ của nó là một trong những yếu tố được quan tâm hàng đầu

(minh chứng là các sản phẩm điện máy đều được dán nhãn năng lượng) Chúng ta dễ

nhận thấy mức tiêu hao điện năng của MRCB được cấu thành bởi thời gian rửa, nhiệt

độ nước rửa, áp lực nước rửa.Các yếu tố này lại phụ thuộc vào số lượng chén bát cần

rửa và mức độ bẩn của chén bát Các MRCB ngày nay hoặc có rất nhiều chế độ cho

người dùng lựa chọn hoặc họ phải cài đặt bằng tay các thông số làm việc qua các nút

nhấn sau khi ước lượng khối lượng chén bát cần làm sạch cũng như độ bẩn của chén

bát Việc này làm giảm đi tính tự động hóa và có thể gây khó khăn cho người sử dụng

(hoặc người không am hiểu về các thiết bị điện máy) Mặt khác việc tối ưu các thông

số làm việc sẽ giúp máy hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng điện tiêu thụ

Trong phạm vi Luận văn “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển

máy rửa chén bát thông minh sử dụng cho hộ gia đình” tác giả trình bày phương

pháp kiểm soát các thông số làm việc của MRCB sử dụng bộ điều khiển logic mờ và

thực nghiệm kiểm chứng Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển mờ làm việc dựa trên

nguyên tắc lấy đầu vào không chính xác từ các cảm biến và xác định các giá trị rõ đầu

ra, tạo tiền đề cho việc chế tạo những chiếc MRCB thông minh dùng cho hộ gia đình

Nội dung thực hiện bao gồm:

 Tìm hiểu tổng quan về MRCB

 Trình bày cơ sở lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy logic), phương pháp điều

khiển thông minh được sử dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực hiện nay

 Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển mờ để xác định các thông số làm việc

tối ưu cho MRCB thông minh

 Mô phỏng bằng phần mềm Matlab-simulink và kiểm chứng thực nghiệm

ABSTRACT

Nowadays, the use of dishwasher is no longer unfamiliar to the housewives in almost famillies in Vietnam When choosing a dishwasher, the problem of saving power consumption is one of the factors that are of prime concern (the proof is that all electric appliances are labeled of energy) It is easy to recognize that the power consumption of dishwasher is composed of washing time, washing water temperature, washing water pressure These factors depend on the number of cups to be washed and the contamination’s levels of the bowls Dishwashers nowadays or there are a lot of modes for the user to choose or the user must manually set the parameters through the push buttons after estimating the mass of the bowls to be cleaned as well as the dirtiness’s levels of the bowls.This reduces the automation and can make it difficult for users (who are not familiar with electrical appliances) On the other hand, optimizing the working parameters will help the machine operate efficiently and save electricity consumption

Within the thesis "Research, design, manufacture of smart dishwasher control models for household use", the author presents the method of controlling the

working parameters of the dishwasher using the regulator fuzzy logic control and verifiable experimentation Research and design of fuzzy controllers based on the principle of incorrect input from the sensors and the determination of clear output values, creating a premise for the manufacture of intelligent dishwashers for household use

The implementation contents include:

 Get an overview of dishwasher

 Presenting the basis of fuzzy logic theory, intelligent control methods are used effectively in many fields today

 Research, design fuzzy controller to determine optimal parameters for intelligent dishwasher

 Simulated by Matlab-simulink software and empirical verification

MỤC LỤC

LÝ LỊCH CÁ NHÂN i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC VIẾT TẮT & THUẬT NGỮ TIẾNG ANH xii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Tình hình nghiên cứu đề tài 2

3 Mục đích nghiên cứu đề tài 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 4

7 Cấu trúc luận văn 5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY RỬA CHÉN BÁT 6

1.1 Máy rửa chén bát (MRCB) là gì ? 6

1.1.1 Bản chất của việc rửa chén bát: 6

1.1.2 Máy rửa chén bát (MRCB) 6

1.2 Lịch sử phát triển MRCB 6

1.3 Nguyên lý làm việc 8

1.3.1 Phương pháp vật dụng cần rửa nằm trên giá đỡ xoay, còn vị trí các tia nước không đổi 9

1.3.2 Phương pháp vật dụng cần rửa đứng yên, các tia nước chuyển động xoay 10

1.4 Phân loại máy rửa chén 11

1.4.1 Máy rửa chén công nghiệp 11

1.4.2 Máy rửa chén sử dụng cho hộ gia đình 12

1.5 Cấu tạo 13

1.6 Máy rửa chén bát thông minh 15

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ (FUZZY LOGIC) 17

2.1 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển 17

2.1.1 Điều khiển cổ điển (classical control) 17

2.1.2 Điều khiển hiện đại (modern control) 17

2.1.3 Điều khiển thông minh (intelligent control) [3] 17

2.2 Logic mờ và Điều khiển mờ [4] 18

2.2.1 Lý thuyết tập mờ và logic mờ 19

2.2.2 Điều khiển mờ 32

Chương 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO MRCB THÔNG MINH & MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 36

3.1 Các yếu tố quyết định quá trình và hiệu quả làm việc của MRCB 37

3.1.1 Các thông số đầu vào 37

3.1.2 Các thông số làm việc 38

3.2 Tầm quan trọng của bộ điều khiển thông minh 39

3.2.1 Quy trình sử dụng MRCB hiện nay 39

3.2.2 Quy trình sử dụng MRCB thông minh 41

3.3 Xây dựng bộ điều khiển mờ [7], [8] cho MRCB thông minh 43

3.3.1 Xác định biến ngôn ngữ - Các đại lượng vào/ra 43

3.3.2 Xây dựng luật hợp thành 51

3.3.3 Mờ hóa dữ liệu đầu vào 54

3.3.4 giải mờ, tính toán các giá trị đầu ra 56

3.4 Xây dựng giải thuật bài toán MRCB bằng phần mềm Matlab [10] , [11] 60 3.4.1 Chọn kiểu mô hình điều khiển mờ 60

3.4.2 Các hàm liên thuộc 61

3.4.3 Bảng luật hợp thành 63

3.4.4 Kết quả mô phỏng 64

Chương 4: CHẾ TẠO MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MỜ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC CỦA MRCB THÔNG MINH ĐỂ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 69

4.1 Thiết kế mạch điều khiển 69

4.1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tính các thông số làm việc của MRCB 69

4.1.2 Các linh kiện, thiết bị chính 70

4.1.3 Mô hình thực tế 72

4.2 Xây dựng giải thuật bài toán trên Matlab-Simulink 73

4.2.1 Công cụ hỗ trợ lập trình 73

4.2.2 Mô phỏng hệ thống trên Matlab – Simulink 74

4.3 Kết quả thực nghiệm 75

Chương 5: KẾT LUẬN 79

5.1 Kết quả đạt được 79

5.2 Những hạn chế 79

5.3 Hướng phát triển đề tài 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Chiếc máy rửa chén bát thế hệ đầu tiên 7

Hình 1.2: MRCB sử dụng động cơ điện đầu tiên 7

Hình 1.3: Máy rửa chén bát hiện đại ngày nay 8

Hình 1.4: Cấu tạo kiểu MRCB có giá đỡ chén bát xoay 9

Hình 1.5: Cấu tạo kiểu MRCB có tia nước xoay 10

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý MRCB sử dụng cho hộ gia đình 11

Hình 1.7: Máy rửa chén bát công nghiệp 11

Hình 1.8: Máy rửa chén bát sử dụng cho hộ gia đình, kiểu độc lập 12

Hình 1.9: Chu trình làm việc của MRCB 12

Hình 1.10: Bảng điều khiển của một MRCB hiện nay 15

Hình 2.1: Vùng giá trị nhiệt độ là một tập mờ 19

Hình 2.2: Hàm phụ thuộc theo nhiệt độ 20

Hình 2.3: Miền xác định và miền tin cậy của tập mờ 21

Hình 2.4: Biểu diễn tập mờ (chiều cao)theo phương pháp đồ thị 22

Hình 2.5: Tập bù của tập mờ 22

Hình 2.6: Hợp của hai tập mờ 23

Hình 2.7: Giao của hai tập mờ 23

Hình 2.8: Các loại hàm thành viên số mờ 25

Hình 2.9: Phân loại hàm thành viên số mờ 25

Hình 2.10: Số mờ hình thang 26

Hình 2.11: Số mờ hình tam giác 26

Hình 2.12: Những tập mờ thuộc biến ngôn ngữ nhiệt độ 27

Hình 2.13: Tập mờ có 1 điểm cực đại 30

Hình 2.14: Tập mờ có nhiều điểm cực đại 30

Hình 2.15: Biểu diễn khi giải mờ theo phương pháp trọng tâm 31

Hình 2.16: Tập mờ dạng singleton 31

Hình 2.17: Tập mờ không có dạng đỉnh nhưng đối xứng 31

Hình 2.18: Cấu trúc bộ điều khiển mờ 32

Hình 3.1: Quy trình làm việc của các MRCB trên thị trường hiện nay 41

Hình 3.2: Quy trình làm việc của MRCB thông minh 42

Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ MRCB 43

Hình 3.4: Hàm thành viên khối lượng chén bát 46

Hình 3.5: Hàm thành viên độ bẩn 47

Hình 3.6: Hàm thành viên kết luận nhiệt độ nước rửa 48

Hình 3.7: Hàm thành viên kết luận áp lực nước rửa 49

Hình 3.8: Hàm thành viên kết luận thời gian rửa 50

Hình 3.9: Bộ điều khiển mờ cho MRCB 60

Hình 3.10: Hàm liên thuộc biến Khối lượng vật cần rửa 61

Hình 3.11: Hàm liên thuộc biến Độ bẩn 61

Hình 3.12: Hàm liên thuộc kết luận Nhiệt độ nước rửa 62

Hình 3.13: Hàm liên thuộc kết luận Áp lực nước 62

Hình 3.14: Hàm liên thuộc kết luận Thời gian rửa 63

Hình 3.15: Bảng tổng luật hợp thành 63

Hình 3.16: Kết quả tính theo bộ giá trị đầu vào thứ nhất 64

Hình 3.17: Kết quả tính theo bộ giá trị đầu vào thứ hai 65

Hình 3.18: Kết quả surface biến thời gian rửa theo bộ giá trị đầu vào thứ hai 66

Hình 3.19: Kết quả surface biến áp lực nước rửa theo bộ giá trị đầu vào thứ hai 67

Hình 3.20: Kết quả surface biến nhiệt độ nước rửa theo bộ giá trị đầu vào thứ hai 67

Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống tính các thông số làm việc của MRCB 69

Hình 4.2: Lưu đồ thuật toán 69

Hình 4.3: Board DSP STM32F407VGT 70

Hình 4.4: Màn hình LCD 4lines 71

Hình 4.5: Mạch chuyển USB UART CP2102 72

Hình 4.6: Mô hình thực tế hệ thống tính các thông số làm việc của MRCB 72

Hình 4.7: Mô phỏng trên Matlab –simulink với sự hỗ trợ của công cụ Waijung 74

Hình 4.8: Quá trình nạp code xuống STM32F4 thành công 75

Hình 4.9: Kết quả thực nghiệm hiển thị trên máy tính với sự hỗ trợ của công cụ Terminal 76

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật dòng máy rửa chén độc lập sử dụng cho gia đình có từ

4÷10 thành viên 44

Bảng 3.2: Tổng hợp luật 53

Bảng 3.3: Luật hợp thành cho nhiệt độ nước rửa 57

Bảng 3.4: Luật hợp thành cho áp lực nước rửa 58

Bảng 3.5: Luật hợp thành cho thời gian rửa 58

Bảng 3.6: Kết quả mô phỏng tìm giá trị các thông số ngõ ra với đầu vào ngẫu nhiên 68 Bảng 4.1: Kết quả thực nghiệm cho 20 bộ giá trị ngõ vào bất kỳ 77

Bảng 4.2: So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 77

DANH MỤC VIẾT TẮT & THUẬT NGỮ TIẾNG ANH

 MRCB : Máy rửa chén bát

 R & D: Research and Development

 FUZZY: Bộ điều khiển mờ

 SISO: Single Input Single Output

 SIMO: Single Input Multi Output

 MISO: Multi Input Single Output

 MIMO: Multi Input Multi Output

 Max:Maximum

 Min: Minimum

 Prod: Product

 AVG: Average

 NTU: Nephelometric Turbidity Units

 LCD: Liquid Crystal Display

 DSP: Digital Signal Processing

 DC: Direct Current

 PC: Personal Computer

 VĐK: Vi điều khiển

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người cũng được nâng cao Việc máy móc, robot ra đời để giải phóng sức lao động của con người là tất yếu, giúp họ có nhiều thời gian hơn để tận hưởng cuộc sống Máy rửa chén bát (MRCB) ngày nay không còn xa lạ với nhiều người dân Việt nam Nó đã trở thành một thiết bị gia dụng không thể thiếu trong các gia đình hiện đại MRCB không những rửa chén bát sạch hơn, khử trùng chén bát bằng nhiệt mà còn giúp con người tiết kiệm thời gian, tiết kiệm nước so với rửa bằng tay Ngoài ra bát đĩa không bị rơi vỡ trong quá trình rửa

Vấn đề được quan tâm hàng đầu khi mua một chiếc MRCB không chỉ là giá thành của máy mà người tiêu dùng còn quan tâm đến hiệu quả của máy, điện năng tiêu thụ Một chiếc MRCB thông minh [1] sẽ giúp tiết kiệm nước và điện năng tiêu thụ với giá thành không quá cao sẽ là lựa chọn tốt cho người sử dụng Các hãng sản xuất MRCB (hơn 95% các thương hiệu đến từ nước ngoài) luôn cạnh tranh với nhau bằng những cuộc chạy đua R&D không ngừng nghỉ để tạo ra những chiếc MRCB thông minh nhất, tiết kiệm năng lượng nhất

Nhằm đáp ứng nhu cầu của người sử dụng thì nhiều nhà sản xuất đã cho ra đời những chiếc MRCB với rất nhiều chế độ rửa khác nhau (5÷8) chế độ để người dùng tùy chọn theo những mục đích rửa khác nhau Như vậy giúp họ chọn được chế độ rửa phù hợp nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ

Ở một số MRCB thông thường, Việc sử dụng đòi hỏi người dùng phải lựa chọn

và cài đặt nhiều chế độ Việc làm này phần nào giảm đi tính tự động hóa của thiết bị Chưa kể ở một số gia đình thì công việc này được giao cho những người giúp việc lớn tuổi, ko am hiểu nhiều về các thiết bị điện tử nên họ rất bỡ ngỡ và khó khăn khi sử dụng

Chính những vấn đề trên mà việc nghiên cứu bộ điều khiển thông minh để tối

ưu các thông số làm việc của máy, giúp máy hoạt động hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, tạo tiền đề cho việc chế tạo những chiếc MRCB thông minh là hết sức cần thiết

2 Tình hình nghiên cứu đề tài

Trên thế giới

Máy rửa chén cơ khí đầu tiên (chưa sử dụng điện năng) được phát minh bởi Joel Houghton người Mỹ, được cấp bằng sáng chế năm 1850, đó là một chiếc máy nhỏ bằng gỗ Khi quay, nước sẽ đi qua ống nước bằng gỗ và phun lên vật dụng cần rửa

Năm 1886, bà Josephine Cochrane (1839 - 1913) ở Ashtabula, Ohio (Mỹ) tinh chỉnh sáng chế của Houghton và công bố tại Hội chợ Thế giới ở Chicago năm 1893

Dòng máy rửa chén bát dùng cho hộ gia đình hiện nay tương đối đa dạng Vì ra đời và phát triển từ rất sớm nên MRCB đã được nghiên cứu khá hoàn chỉnh Máy được lập trình nhiều chế độ rửa khác nhau nên cần sự tác động của người sử dụng để chọn chế độ rửa phù hợp Tuy nhiên những chế độ rửa này đã được lập trình sẵn nên chưa tối ưu với môi trường làm việc thực tế và chưa phù hợp với tính chất món ăn của người Việt

Rất nhiều nhà sản xuất đã thương mại hóa MRCB với nhiều mẫu mã và tính năng Nhưng vấn đề tiết kiệm nước, tiết kiệm năng lượng, hướng đến một sản phẩm thông minh, vận hành đơn giản thì luôn được các hãng sản xuất quan tâm, không ngừng nỗ lực nghiên cứu và phát triển Nó là một cuộc chạy đua không có hồi kết giữa các thương hiệu nhằm mang đến một sản phẩm tốt nhất cho người tiêu dùng

Trong nước

* Năm 2009 anh Nguyễn Văn Ngọc ở Tỉnh Thái Bình đã sáng chế thành công

chiếc MRCB tự động, MRCB RB–NTT đã được đăng ký bằng sáng chế tại cục Sở hữu

trí tuệ cuối năm 2009 và đã đạt giải ba hội thi Sáng tạo kỹ thuật Thái Bình năm 2008

-2009 do liên hiệp Các hội khoa học và kỹ thuật Thái Bình tổ chức

Một vài đặc điểm của MRCB RB-NTT:

- Máy tự động làm việc bằng hệ thống rơle, van tự động đóng ngắt Thời gian

để hoàn tất một lần rửa khoảng 40÷ 60 phút

- Bên trong máy, chén bát được bố trí trên các giá đỡ cố định, các tia nước sẽ phun theo 2 hướng từ dưới lên và từ trên xuống để làm sạch chén bát

- Máy có kích thước khá lớn nên chưa phù hợp với gian bếp của các căn hộ hiện

- Chưa kiểm soát được chất lượng chén bát sau khi rửa và cũng chưa quan tâm đến yếu tố tự động hóa của máy

* Năm 2014 Thầy giáo Trần Đình Huân ở Kon Tum – Gia Lai đã sáng chế ra MRCB tự động TĐH dùng nước nóng từ năng lượng mặt trời Máy được lọt vào vòng chung kết cuộc thi “Giải pháp sáng tạo cho cuộc sống hàng ngày”

Một vài đặc điểm của MRCB TĐH:

- Với ưu điểm là không dùng điện năng, giải phóng sức lao động của con người, tránh việc tiếp xúc với chất tẩy rửa…

- Máy được thiết kế theo phương pháp vật cần rửa chuyển động quanh tia nước đứng yên Chén bát được bố trí trên một giá đỡ có trục xoay, dưới lực tác động của tia nước bắn vào bề mặt của chén bát làm toàn bộ giá đỡ và chén bát đặt trên nó xoay, đồng thời sự tiếp xúc đó đánh bật và cuốn trôi các chất bẩn trên bề mặt chén bát Với nguyên lý như vậy, máy chỉ rửa được một lượng chén bát nhỏ vì khi xếp quá nhiều chén bát lên giá đỡ thì trọng lượng quá lớn khiến nó không thể quay được Quá trình làm việc này tạo ra dao động, máy làm việc không ổn định, ổ đỡ trục bị mài mòn,… Nếu sử dụng điện năng để xoay giá đỡ thì sẽ tốn nhiều năng lượng hơn so với phương pháp chén bát đứng yên và tia nước xoay

- Hiệu quả rửa không cao và chưa có tính tự động

* Năm 2017, em Nguyễn Thanh Bình, một học sinh Trung học tỉnh Ninh Bình

đã đem đến vòng chung kết cuộc thi Robocon Việt Nam 2017 chiếc MRCB với những tính năng rửa cơ bản

 Nhìn chung các sản phẩm MRCB dung cho hộ gia đình “made in Viet Nam”

là không nhiều, các máy này hoạt động theo cơ chế đơn giản bằng việc đóng ngắt các van phun nước nhờ hệ thống rơle thông qua thời gian được cài đặt ở bộ đếm thời gian Các máy này chưa tối ưu được lượng nước sử dụng, chưa kiểm soát được

độ sạch của chén bát sau khi rửa và cũng chưa quan tâm đến “bài toán tiết kiệm năng lượng”

3 Mục đích nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thông minh nhằm tính toán nhiệt độ nước rửa, áp lực nước rửa, thời gian rửa để MRCB hoạt động hiệu quả nhất, tiết kiệm điện

năng tiêu thụ và giúp người sử dụng vận hành thiết bị một cách đơn giản, tạo tiền đề cho việc chế tạo những chiếc MRCB thông minh sử dụng cho hộ gia đình

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Điều khiển mờ và các thông số làm việc của MRCB sử dụng cho hộ gia đình

Phạm vi nghiên cứu:

Trong phạm vi Luận văn, tác giả chỉ nghiên cứu, thiết kế và xây dựng bộ điều khiển mờ cho MRCB trên nguyên tắc lấy các dữ liệu đầu vào không chính xác từ các cảm biến, xác định các thông số đầu ra (các thông số làm việc của máy) Mô phỏng bằng Matlab - Simulink, kiểm chứng thực nghiệm

Luận văn không giải quyết việc thiết kế bộ điều khiển MRCB hoàn chỉnh (bao gồm cả việc điều khiển một tổ hợp cơ cấu chấp hành) mà chỉ tập trung vào tính thông minh của máy Nghĩa là chỉ giải quyết vấn đề máy tự động lựa chọn các giá trị làm việc tối ưu mà ko cần đến sự can thiệp của người vận hành

5 Phương pháp nghiên cứu

Tổng hợp và phân tích thông tin (Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cơ chế điều khiển, mức tiêu hao năng lượng,…) các thương hiệu máy rửa chén được ưa chuộng

và sử dụng rộng rãi trên thị trường hiện nay thông qua các tài liệu kỹ thuật, hướng dẫn sử dụng mà nhà sản xuất cung cấp, kết hợp với việc khảo sát ý kiến của những người đã sử dụng MRCB

Tìm hiểu các hệ thống điều khiển tự động [2], chọn phương pháp điều khiển tối ưu –thiết kế bộ điều khiển mờ để kiểm soát các thông số làm việc MRCB nhằm tiết kiệm năng lượng, và giúp người sử dụng vận hành thiết bị dễ dàng

Mô phỏng bài toán sử dụng logic mờ điều khiển MRCB bằng phần mềm Matlab

Chế tạo mô hình xác định các thông số làm việc của MRCB sử dụng Vi điều khiển STM32F4 để kiểm nghiệm kết quả mô phỏng

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học

Một bài toán với rất nhiều các thông số đầu vào và ra như MRCB thì rất khó để xây dựng một mối liên hệ cho tất cả các đại lượng này Điều đó đòi hỏi các bộ điều khiển kinh điển rất phức tạp Để giải quyết vấn đề này thì sử dụng logic mờ là một giải pháp hợp lý nhất

Ý nghĩa thực tiễn

- Ứng dụng điều khiển mờ vào các sản phẩm dân dụng phục vụ đời sống con người

- Nâng cao tính tự động hóa của MRCB, giúp người dùng vận hành một cách dễ dàng

7 Cấu trúc luận văn

Nội dung của Luận văn được chia làm 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về MRCB

Chương 2: Cơ sở lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy logic)

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển mờ cho MRCB thông minh & Mô phỏng bằng phần

mềm Matlab

Chương 4: Chế tạo mô hình điều khiển mờ xác định các thông số làm việc của MRCB

thông minh để kiểm chứng kết quả mô phỏng

Chương 5: Kết luận

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY RỬA CHÉN BÁT

1.1 Máy rửa chén bát (MRCB) là gì ?

1.1.1 Bản chất của việc rửa chén bát:

Bản chất của việc rửa chén bát là phá vỡ lực bám của thức ăn thừa trên bề mặt của chén bát, làm trôi các chất này nhờ vào một dung dịch gồm nước và chất tẩy rửa dưới tác động của lực ma sát cơ khí

1.1.2 Máy rửa chén bát (MRCB)

MRCB là một thiết bị làm sạch chén bát sử dụng tác nhân rửa là những tia nước

áp lực cao (0÷10 bar) bắn trực tiếp vào bề mặt của chén bát bẩn, vật dụng cần rửa, để phá vỡ lực bám của thức ăn thừa và cuốn trôi chúng Để tăng hiệu quả của việc làm sạch chén bát người ta có thể sử dụng chất tẩy rửa kết hợp với dòng nước áp lực cao hoặc sử dụng hỗn hợp tác nhân rửa ở nhiệt độ cao Áp lực nước, thời gian phun nước

và nhiệt độ nước rửa là các yếu tố chính quyết định đến hiệu quả của máy

nhà phát minh sau dựa vào đó để sáng chế ra các mẫu máy rửa chén hoàn hảo

Một bằng sáng chế được cấp cho LA Alexander vào năm 1865, tương tự như là người đầu tiên nhưng có thêm một hệ thống giá đỡ tay quay này Mặc dù không có gì đổi mới so với bản mẫu ban đầu nhưng lực tác động của nó đã nhẹ hơn và tốn ít sức hơn khi vận hành nó

Năm 1886, bà Josephine Cochrane (1839 - 1913) ở Ashtabula, Ohio (Mỹ) tinh chỉnh sáng chế của Houghton và công bố tại Hội chợ Thế giới ở Chicago năm 1893 Máy rửa bát này không phải sử dụng lực quay tay như thông thường mà sử dụng áp

lực dòng nước để rửa sạch Tuy nhiên, máy rửa bát này vẫn chưa được gọi là giải pháp

tối ưu và chưa thực sự được nhân rộng trên thực tế

Hình 1.1: Chiếc máy rửa chén bát thế hệ đầu tiên

Năm 1924, ở nước Anh, William Howard livens phát minh ra một máy rửa chén bát nhỏ không dùng điện dùng cho gia đình Đó là máy rửa chén bát hiện đại đầu tiên có các yếu tố thiết kế giống với những chiếc máy ngày nay

Máy rửa chén đầu tiên của Châu Âu với động cơ điện được phát minh và sản xuất bởi Miele năm 1929

Hình 1.2: MRCB sử dụn độn cơ đ ện đầu tiên

Đến năm 1940 những chiếc máy rửa chén được trang bị thêm chức năng sấy Việc thương mại máy rửa chén chỉ thực sự bùng nổ từ những năm 1950, mặc

dù chỉ những người giàu có mới có khả năng sở hữu nó Ban đầu, máy rửa bát đã

được bán như các thiết bị độc lập hoặc di động, nhưng với sự phát triển của nhu cầu

gia đình và công nghiệp, máy rửa bát bắt đầu được bán trên thị trường với kích

thước và hình dạng tiêu chuẩn

Vào những năm 1970, máy rửa chén bát đã trở thành phổ biến trong nhà ở Anh, ở Bắc Mỹ và Tây Âu

Đến năm 2012, hơn 75% hộ gia đình ở Mỹ và Đức đã có máy rửa chén bát Ngày nay thì máy rửa chén bát là một thiết bị nhà bếp không thể thiếu trong

gia đình ở các nước phát triển

Hình 1.3: Máy rửa chén bát hiện đại ngày nay

1.3 Nguyên lý làm việc

Dòng nước áp lực cao có thể kết hợp với chất tẩy rửa được gia nhiệt đến một nhiệt độ thích hợp có thể lên đến 80 được phun vào bề mặt của các vật dụng cần rửa nhằm phá vỡ lực bám của các chất bẩn trên bề mặt vật dụng

Công nghệ cấp nước và hệ thống phun, thời gian rửa, đóng vai trò chính trong việc làm tăng hiệu quả rửa, giúp máy rửa chén bát loại bỏ thực phẩm bám trên bát đĩa nhanh hơn và sạch hơn

Có 2 nguyên lý được áp dụng trên các máy rửa chén bát hiện nay: Vật dụng cần rửa nằm trên giá đỡ xoay, còn vị trí các tia nước không đổi và Phương pháp còn lại là vật dụng cần rửa đứng yên, các tia nước chuyển động xoay

1.3.1 Phương pháp vật dụng cần rửa nằm trên giá đỡ xoay, còn vị trí các tia nước không đổi

Vật dụng cần rửa được sắp xếp cố định trên giá đựng, khi máy hoạt động, nhờ lực tác động từ các tia nước bắn vào vật cần rửa làm trục giá đỡ xoay Tăng khả năng tiếp xúc giữa tia nước và các bề mặt của vật cần rửa

Hình 1.4: Cấu tạo kiểu MRCB có á đỡ chén bát xoay

Ƣu điểm:

- Cấu tạo đơn giản

Nhƣợc điểm:

- Giá đỡ chén bát quay sẽ làm tiêu tốn năng lượng nhiều hơn

- Trục xoay, gối đỡ sẽ bị mài mòn theo thời gian

- Kết cấu lớn, cồng kềnh

 Phương pháp này không hiệu quả đối với máy rửa chén gia đình Phù hợp nếu áp dụng cho máy rửa chén công nghiệp (dạng băng chuyền)

1.3.2 Phương pháp vật dụng cần rửa đứng yên, các tia nước chuyển động xoay

Vật dụng cần rửa được sắp xếp cố định lên giá đựng, khi máy hoạt động các tia nước sẽ bắn vào vật cần rửa và liên tục thay đổi góc tiếp xúc nhờ chuyển động quay của hệ thống tay phun nước Nhằm đạt được hiệu quả cao nhất

Hình 1.5: Cấu tạo kiểu MRCB có t a n ớc xoay

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý MRCB sử dụng cho hộ a đình

1.4 Phân loại máy rửa chén

1.4.1 Máy rửa chén công nghiệp

Máy rửa chén bát công nghiệp có khích thước tương đối lớn năng suất rửa cao Phù hợp với các nhà hàng, quán ăn lớn

Hình 1.7: Máy rửa chén bát công nghiệp

1.4.2 Máy rửa chén sử dụng cho hộ gia đình

Máy rửa chén cho hộ gia đình về cơ bản có cùng một nguyên lý làm việc Nhưng dựa trên yêu cầu sử dụng là khối lượng chén bát cần rửa và vị trí đặt máy mà nhà sản xuất chia thành 3 loại:

- Máy rửa bát độc lập: là dòng máy rửa bát lắp độc lập bên ngoài hoặc có thể

tháo lắp để lắp âm trong tủ bếp Loại máy độc lập này có 2 hoặc 3 khoang rửa, dùng rửa cho 12 ÷14 bộ bát đĩa

- Máy rửa bát âm tủ: là dòng máy rửa bát lắp âm trong tủ bếp Dòng sản phẩm

này cũng được thiết kế với hệ thống 2 hoặc 3 khoang rửa

- Máy rửa bát đặt bàn: là dòng máy với kích thước nhỏ gọn được lắp đặt trên bàn

Hình 1.8: Máy rửa chén bát sử dụng cho hộ a đình, k ểu độc lập

Chu trình làm việc của máy rửa chén bát cho hộ gia đình

Một chu trình làm việc của máy rửa chén bao gồm những công đoạn sau:

 Xả nước vào

 Làm nóng nước đến nhiệt độ thích hợp 40÷80

 Tự động mở hộp đựng chất tẩy rửa vào thời điểm thích hợp

 Phun nước thông qua hệ thống phun áp lực cao để làm sạch vết đồ ăn trên bát đĩa

 Xả nước bẩn, tùy thuộc vào loại máy rửa chén, nước thải sẽ đi trực tiếp xuống ống dẫn dưới bồn rửa chén, hoặc đi qua ống dẫn trong bồn của máy

 Xịt thêm nước để tráng sạch bát đĩa

 Xả nước bẩn một lần nữa

 Bước cuối cùng trong chu trình rửa là sấy chén bát Bộ phận nhiệt dưới đáy của máy sẽ làm nóng luồng không khí bên trong giúp sấy khô bát đĩa Để tiết kiệm điện năng một số người không dùng đến chu trình này

Ngoài ra, máy rửa bát hiện đại còn có thể tự giám sát để chắc chắn mọi quá trình đang hoạt động có chuẩn không Bộ tính thời gian quy định thời lượng cho mỗi chu trình Một bộ cảm biến để nhận biết nhiệt độ của nước và không khí trong máy để ngăn nhiệt độ nước trong máy quá nóng sẽ làm hư hại bát đĩa Một bộ cảm biến khác

có thể nhận biết được mực nước quá cao và lập tức kích hoạt chức năng thoát nước để nước không bị tràn ra Thậm chí ở một số máy rửa bát còn có những bộ cảm biến cho phép phát hiện nước vẫn còn bẩn Khi nước đủ sạch, máy cũng sẽ nhận biết là bát đĩa

đã sạch Nhưng những chức năng trên góp phần đẩy giá thành máy lên rất cao

Làm bằng inox 304, ko rỉ sét, đảm bảo yêu cầu vệ sinh an toàn thực phẩm Giá

có nhiều ngăn với kích thước khác nhau để đựng nhiều loại chén, bát, đĩa,…

1.5.3 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được đặt bên trong cánh cửa máy ngay phía dưới bảng

điều khiển Rất nhiều loại máy rửa chén bát dùng hệ thống điều khiển đơn giản như:

bộ xác định thời gian một chu trình kéo dài bao lâu và kích hoạt các chức năng như xả nước tẩy rửa, phun rửa, xả nước ở thời điểm thích hợp Các loại máy đắt tiền có hệ thống điều khiển bằng máy tính

1.5.4 Hệ thống cấp nước

Gồm van nạp: Van này được dùng để điều chỉnh lượng nước cung cấp cho máy Bơm của van nạp không bơm nước vào chậu máy mà khi van nạp mở, áp lực nước đẩy nước vào bên trong máy Ngoài ra còn có thùng chứa nước và các đường ống

1.5.5 Hệ thống cung cấp chất tẩy rửa

Chứa chất tẩy rửa và cung cấp đúng thời điểm khi máy hoạt động

Có hai loại bơm chính:

Bơm nghịch đảo: loại bơm này bơm nước đến các cánh tay phun và bơm nước thải ra ngoài bằng cách đổi hướng của motor

Bơm trực tiếp: motor chạy theo một hướng, vì vậy hướng của dòng chảy được chuyển từ cánh tay phun đến chỗ thoát nước bằng vòng dây dẫn điện solenoid – vòng dây điện này cho phép mở và đóng các van thiết bị hoặc chuyển đổi ống dẫn nối với các ống dẫn khác

nâng cao hiệu quả hoạt động cho máy Nước sẽ đi qua bộ phận này, nóng lên và cấp

phát cho toàn quá trình

1.5.10 Hệ thống sấy

Thổi dòng không khí nóng giúp sấy khô chén bát sau khi kết thúc chu trình rửa

Một số máy được thiết kế không có hệ thống sấy để tiết kiệm năng lượng

1.6 Máy rửa chén bát thông minh

* MRCB hiện nay

Đa phần các MRCB trên thị trường hiện nay đều có xuất xứ từ nước ngoài (chủ

yếu là các thương hiệu đến từ Châu Âu như: Bosch, Siemens, Muchen, Electrolux,…)

Các máy này về cơ bản được thiết kế với nhiều chức năng rửa độc lập, từ 5 ÷ 8 chức

năng Mỗi chức năng rửa được lập trình các thông số làm việc xác định như: nhiệt độ

nước rửa, áp lực nước rửa, thời gian rửa, phù hợp với số lượng vật dụng cần rửa và

mức độ bẩn khác nhau Một số máy khác cho phép người sử dụng cài đặt các thông số

làm việc bằng tay thông qua việc ước lượng số lượng chén bát và mức độ bẩn Như

vậy phần nào làm giảm đi tính tự động hóa của thiết bị

Hình 1.10: Bản đ ều khiển của một MRCB hiện nay

Bảng điều khiển quá nhiều chức năng của MRCB hiện nay có thể gây khó khăn

cho người sử dụng Họ phải lựa chọn các chương trình rửa khác nhau mà không biết

việc lựa chọn đó có hợp lý không Ví dụ: chén bát rất bẩn mà chọn chế độ rửa nhanh

thì không đảm bảo, hoặc chén bát ít bẩn mà chọn chế độ rửa chuyên sâu thì lại lãng phí nước, điện năng

Ngoài ra MRCB chủ yếu được vận hành bởi người nội trợ, người giúp việc, người lớn tuổi nhưng quá nhiều nút điều khiển khiến cho việc sử dụng, vận hành khó khăn, và khó chọn lựa được chương trình rửa hợp lý, thường là chỉ chọn đúng một chương trình mà họ quen sử dụng

Vì vậy, việc thiết kế máy rửa chén thông minh hơn, tự động thực hiện quá trình rửa, sẽ giúp người sử dụng, người nội trợ, người giúp việc dễ vận hành, và tối ưu hơn

về thời gian rửa có nghĩa là tối ưu về điện năng tiêu thụ và giảm lượng nước sạch sử dụng đang ngày càng khan hiếm

* MRCB thông minh

MRCB thông minh là một chiếc máy vận hành đơn giản Người sử dụng chỉ cần

bấm một nút nhấn duy nhất Start máy sẽ tự động làm việc và thông báo Stop khi hoàn

thành công việc Các cảm biến và các thuật toán thông minh sẽ lựa chọn các thông số làm việc (nhiệt độ nước rửa, áp lực nước rửa, thời gian rửa) tối ưu nhất giúp máy hoạt động hiệu quả và giúp người sử dụng vận hành thiết bị đơn giản hơn

Kết luận Chương 1:

Chương một đã trình bày được tổng quan về MRCB, phân tích được cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc Chỉ ra được những hạn chế của MRCB hiện nay, từ đó hướng đến một chiếc MRCB thông minh hơn

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN MỜ

(FUZZY LOGIC)

2.1 Lịch sử phát triển lý thuyết điều khiển

2.1.1 Điều khiển cổ điển (classical control)

Lý thuyết điều khiển cổ điển (ra đời trước năm 1960) mô tả hệ thống trong miền tần số (phép biến đổi Fourier) và mặt phẳng S (phép biến đổi Laplace) Do dựa trên các phép biến đổi này, lý thuyết điều khiển cổ điển chủ yếu áp dụng cho hệ tuyến tính bất biến theo thời gian, mặt dù có một vài mở rộng để áp dụng cho hệ phi tuyến,

ví dụ phương pháp hàm mô tả Lý thuyết điều khiển kinh điển thích hợp để thiết kế hệ thống một ngõ vào - một ngõ ra (SISO: single-input/single-output), rất khó áp dụng cho các hệ thống nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra (MIMO: multi-input/multi-output) và các hệ thống biến đổi theo thời gian

2.1.2 Điều khiển hiện đại (modern control)

Kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển hiện đại (ra đời vào khoảng năm 1960 và phát triển đến nay) dựa trên miền thời gian Mô tả toán học dùng để phân tích và thiết

kế hệ thống là phương trình trạng thái Mô hình không gian trạng thái có ưu điểm là

mô tả được đặc tính động học bên trong hệ thống (các biến trạng thái) và có thể dễ dàng áp dụng cho hệ MIMO và hệ thống biến đổi theo thời gian Lý thuyết điều khiển hiện đại ban đầu được phát triển chủ yếu cho hệ tuyến tính, sau đó được mở rộng cho

hệ phi tuyến bằng cách sử dụng lý thuyết của Lyapunov

Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển số và hệ thống rời rạc, lý thuyết điều khiển hiện đại rất thích hợp để thiết kế các bộ điều khiển là các chương trình phần mềm chạy trên vi xử lý và máy tính số Điều này cho phép thực thi được các bộ điều khiển có đặc tính động phức tạp hơn cũng như hiệu quả hơn so với các bộ điều khiển đơn giản như PID hay sớm trễ pha trong lý thuyết cổ điển

2.1.3 Điều khiển thông minh (intelligent control) [3]

Điều khiển kinh điển và điều khiển hiện đại, gọi chung là điều khiển thông

thường (conventional control) có khuyết điểm là để thiết kế được hệ thống điều khiển cần phải biết mô hình toán học của đối tượng Trong khi đó thực tế có những đối tượng điều khiển rất phức tạp, rất khó hoặc không thể xác định được mô hình toán Các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển mờ, mạng thần kinh nhân tạo, thuật toán di truyền mô phỏng/bắt chước các hệ thống thông minh sinh học, về nguyên tắc không cần dùng mô hình toán học để thiết kế hệ thống, do đó có khả năng ứng dụng thực tế rất lớn

2.2 Logic mờ và Điều khiển mờ [4]

Khái niệm về logic mờ được giáo sư Lotfi A Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm

1965, tại trường Đại học Berkeley, bang California - Mỹ Từ đó lý thuyết mờ đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử lý nước của Fuji Electronic vào

1983, hệ thống xe điện ngầm của Hitachi vào 1987

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật Trong lĩnh vực Tự động hoá logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được

Trong những năm gần đây, lý thuyết tập mờ được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: các sản phẩm điện máy (điều hòa, máy giặt…) điều khiển nhiệt

độ, điều khiển trong giao thông vận tải, chuẩn đoán và điều trị bệnh trong y học,…Song song với đó các vi mạch chuyên dụng hỗ trợ điều khiển mờ cũng đã được nghiên cứu và phát triển góp phần hoàn thiện các hệ thống điều khiển mờ

Điểm mạnh cơ bản của điều khiển mờ so với kỹ thuật điều khiển kinh điển là nó

áp dụng rất hiệu quả trong các quá trình chưa được xác định rõ hay không thể đo đạc chính xác, các quá trình được điều khiển ở điều kiện thiếu thông tin Điều khiển mờ đã tích hợp kinh nghiệm của các chuyên gia để điều khiển mà không cần hiểu biết nhiều

về các thông số của hệ thống Điều khiển mờ chiếm một vị trí quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại, đến nay điều khiển mờ đã là một phương pháp điều khiển nổi bật bởi tính linh hoạt và đã thu được những kết quả khả quan trong nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết tập mờ, logic mờ và suy luận mờ

2.2.1 Lý thuyết tập mờ và logic mờ

Logic mờ dùng một công cụ chính là lý thuyết tập mờ Logic mờ tập trung trên biến ngôn ngữ trong ngôn ngữ tự nhiên nhằm cung cấp nền tảng cho lập luận xấp xỉ với những vấn đề không chính xác, nó phản ánh cả tính đúng đắn lẫn sự mơ hồ của ngôn ngữ tự nhiên trong lập luận theo cảm tính

2.2.1.1 Tập mờ và độ thuộc trong logic mờ

a/ Định nghĩa tập mờ

Tập mờ A xác định trên tập vũ trụ X là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x,µA(x)), trong đó x  X và µA là ánh xạ: µA : X  [0,1]

Ánh xạ µA được gọi là hàm thuộc hoặc hàm liên thuộc (hoặc hàm thành viên)

của tập mờ A Tập X được gọi là cơ sở của tập mờ A

µA(x) là độ phụ thuộc, sử dụng hàm thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần

tử x nào đó, có hai cách:

 Tính trực tiếp nếu µA(x) ở dạng công thức tường minh

 Tra bảng nếu µA(x) ở dạng bảng

b/ Độ phụ thuộc trong logic mờ [5]

Cho một vùng nhiệt độ rất nóng, ta mô tả một tập hợp được cho là rất nóng, sau

đó định nghĩa một hàm phụ thuộc cho phép ta xác định một nhiệt độ nào đó có thuộc tập hợp này hay không

Hình 2.1: Vùng giá trị nhiệt độ là một tập m

Lúc này biên giới giữa rất nóng và rất lạnh không phải là một đường phân biệt

rõ ràng mà là một vùng các giá trị liên tục Mức độ xám cho ta thấy được vùng biên giới này và cũng cho thấy độ phụ thuộc của một giá trị nhiệt độ nào đó

Theo hình trên, nếu như ta cho rằng 0OC là “rất lạnh” và 100OC là “rất nóng” thì độ phụ thuộc (có giá trị trong khoảng từ 0 1) của giá trị nhiệt độ bất kỳ so với tập

Biến vật lý được gọi là biến nền và tập các giá trị vật lý được gọi là tập nền

Ví dụ về hàm thuộc cho các nhiệt độ nói trên:

Hình 2.2: Hàm phụ thuộc theo nhiệt độ

Việc dùng các tập mờ được định nghĩa bởi các hàm phụ thuộc trong biểu thức logic được gọi là logic mờ Ví dụ như biểu thức “ nhiệt độ rất nóng” đối với giá trị

39OC sẽ cho kết quả là “True” với mức phụ thuộc bằng 0,39

2.2.1.2 Một số khái niệm cơ bản của tập mờ

a/ Miền xác định: Biên giới tập mờ A, ký hiệu là supp(A), là tập rõ gồm các

phần tử của X có mức độ phụ thuộc của x vào tập mờ A lớn hơn 0

b/ Miền tin cậy: Lõi tập mờ A, ký hiệu là core(A), là tập rõ gồm các phần tử

của X có mức độ phụ thuộc của x vào tập mờ A bằng 1

Hình 2.3: Miền xác định và miền tin cậy của tập m

c/ Độ cao tập mờ: Độ cao tập mờ A, ký hiệu: h(A), là mức độ phụ thuộc cao

nhất của x vào tập mờ A

Một tập mờ có ít nhất một phần tử có độ phụ thuộc bằng 1 được gọi là tập mờ chính tắc, tức là h(A) = 1, ngược lại một tập mờ A với h(A) < 1 được gọi là tập mờ không chính tắc

2.2.1.3 Biểu diễn tập mờ

Tập mờ A trên tập vũ trụ X là tập mà các phần tử x  X với mức độ phụ thuộc của x vào tập mờ A tương ứng Có ba phương pháp biểu diễn tập mờ: phương pháp ký

hiệu, phương pháp tích phân và phương pháp đồ thị

a/ Phương pháp ký hiệu: Liệt kê các phần tử và các thành viên tương ứng theo

phép lấy tích phân đều không có nghĩa theo quy ước thông thường Tuy nhiên cách biểu diễn như vậy sẽ rất tiện dụng khi định nghĩa và thao tác các phép tính trên các tập

Cho tập mờ A trên tập vũ trụ X, có hàm thuộc tập mờ bù của A là tập

mờ ̅ , hàm thuộc ̅ được tính từ hàm thuộc như sau:

Hình 2.5: Tập bù của tập m a) Hàm thuộc của tập m A

b) Hàm thuộc của tập m ̅

Một cách tổng quát để tìm ̅ từ , ta dùng hàm bù c :0,10,1 như

Cho tập mờ A, B trên tập vũ trụ X , có các hàm thuộc lần luợt là , Tập mờ hợp của hai tập mờ A và B là một tập mờ C, ký hiệu C= A∪B Ta xác định hàm thuộc theo và như sau:

Theo luật Max : { } (2.9)

Theo luật Sum : i { } (2.10)

Theo luật Min : i { } (2.12)

Theo luật Lukasiewicz :

{ } (2.13)

Theo luật Prod : (2.14)

Hình 2.7: Giao của hai tập m

d/ Tích đại số của hai tập mờ

Cho tập mờ A, B trên tập vũ trụ X , có các hàm thuộc lần luợt là , Tập mờ tích của hai tập mờ A và B là một tập mờ S, ký hiệu S= A.B Ta xác định hàm

thuộc theo và như sau:

(2.15)

e/ Tổng đại số của hai tập mờ

Cho tập mờ A, B trên tập vũ trụ X , có các hàm thuộc lần luợt là , Tập

mờ tổng đại số của hai tập mờ A và B là một tập mờ P, ký hiệu Ta xác định hàm thuộc theo và như sau:

2.2.1.5 Số mờ, dạng số mờ thường dùng

a/ Khái niệm số mờ

Số mờ hay khoảng mờ dùng để diễn tả khái niệm một số hay một khoảng xấp xỉ hay gần bằng một số thực hay một khoảng số thực cho trước Số mờ hay khoảng mờ là tập mờ xác định trên tập số thực Vd: gần 10, khoảng 15, lớn hơn rất nhiều so với 10, xấp xỉ 80,…

Gọi A là số mờ, A là một tập mờ trên tập tổng là số thực R:

A(R)

Hàm thuộc của số mờ A là : R  [0,1] , thường có dạng hình thang, hình tam

giác, hình chuông hay hình thẳng đứng như sau:

Hình 2.8: Các loại hàm thành viên số m

Hàm thuộc diễn tả các khái niệm số lớn hay số nhỏ có dạng sau:

Hình 2.9: Phân loại hàm thành viên số m

b/ Dạng số mờ thường dùng

Trong điều khiển, với mục đích sử dụng các hàm thuộc sao cho khả năng tích hợp chúng là đơn giản, người ta thường chỉ quan tâm đến hai dạng số mờ hình thang

và số mờ hình tam giác

∪

(2.18)

Hình 2.11: Số m hình tam giác

2.2.1.6 Biến ngôn ngữ và giá trị ngôn ngữ

Số mờ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng biến m định l ợng là biến

có trạng thái định bởi các số mờ Khi các số mờ biểu diễn các khái niệm ngôn ngữ như

rất nhỏ, nhỏ, trung bình, lớn, rất lớn,… trong một ngữ cảnh cụ thể, biến mờ được gọi

là biến ngôn ngữ

Biến ngôn ngữ được xác định theo một biến cơ sở trên một tập cơ sở là số thực

trên một khoảng cụ thể Biến cơ sở có thể là: đ ểm, tuổi, lãi suất, l ơn , nhiệt

độ,…Trong một biến ngôn ngữ, các trị ngôn ngữ biểu diễn các giá trị xấp xỉ của biến

cơ sở, các trị ngôn ngữ này là các số m

Ví dụ: Xét biến ngôn ngữ là nhiệt độ của một lò Biến cơ sở là nhiệt độ

Nhiệt độ lò từ 100C đến 1000C hay tập cơ sở X=[10,100] Dải nhiệt độ từ 100 0C đến

1000 0C được chia thành các dải nhiệt độ rất thấp (RT), thấp (T), trung bình (TB), cao

(C), rất cao (RC) Tập trị ngôn ngữ T={RT, T, TB, C, RC} Các tập mờ cho các giá trị

ngôn ngữ như hình sau:

Hình 2.12: Những tập m thuộc biến ngôn ngữ nhiệt độ

2.2.1.7 Luật mờ và suy diễn mờ

a/ luật mờ là gì ?

Các hệ thống hoạt động dựa trên nền tảng logic mờ dùng luật để biểu diễn mối quan hệ giữa các biến ngôn ngữ và để rút ra hành động tương ứng đối với đầu vào

Một luật mờ là một biểu thức IF…THEN… được phát biểu ở dạng ngôn ngữ

tự nhiên thể hiện sự phụ thuộc nhân quả giữa các biến Trong đó phần điều kiện là

b/ Tính luật mờ

Xét riêng từng luật mờ, dựa trên độ phụ thuộc của các tập mờ đầu vào và liên từ kết hợp chúng để tạo ra độ phụ thuộc chung cho các đầu vào và cũng là kết quả của riêng từng luật đó

Các toán tử biểu diễn mối quan hệ giữa các điều kiện trong phần IF :

Tùy theo giá trị của hay  mà ta có các trường hợp đặc biệt sau:

Max-Min, =0: MIN lấy nhỏ nhất, tương ứng với AND

Max-Min, =1: MAX lấy lớn nhất, tương ứng với OR

Max-Prod,  = 0: PROD lấy tích

Min-Avg , =1: AVG lấy trung bình

c/ Luật suy diễn mờ

Suy diễn mờ là suy diễn từ mệnh đề điều kiện Luật suy diễn ở logic cổ điển dựa trên các mệnh đề hằng đúng Các luật suy diễn này được tổng quát hóa ở logic mờ

để ứng dụng cho các suy luận xấp xỉ Các luật suy diễn thường sử dụng:

Luật Modus Ponens

Giả thiết 1 (luật mờ) : Nếu x là A thì y là B Giả thiết 2 (sự kiện mờ): x là A’

⇒ Kết luận : y là B’

Trong đó: x,y là các biến trên X, Y;

A, A’ là các tập mờ trên X

B, B’ là các tập mờ trên Y

Luật Modus Tollens

Giả thiết 1 (luật mờ) : Nếu x là A thì y là B

Giả thiết 2 (sự kiện mờ): y là B’

Cho ba tập X, Y, Z, xét quan hệ mờ P trên tập X ×Y và quan hệ mờ Q trên tập

Y×Z Liên kết mờ J của P và Q được kí hiệu P*Q là quan hệ mờ trên tập tích X×Y × Z

: J : X ×Y × Z  0,1

Hàm thuộc của liên kết mờ định bởi các hàm thuộc của các quan hệ thành phần

P và Q qua các luật liên kết:

Luật liên kết cực tiểu - min: J (x, y, z)  Min[ P (x, y), Q ( y, z)] (2.22)

Luật liên kết tích - prod: J (x, y, z)  [ P (x, y)× Q ( y, z)] (2.23) Chú ý rằng khi dùng các luật liên kết khác nhau, kết quả liên kết mờ sẽ khác nhau

b/ Hợp thành mờ

Cho ba tập X, Y, Z, xét quan hệ mờ P trên tập X  Y và quan hệ mờ Q trên tập Y×Z

Quan hệ mờ R trên tập X × Z được hợp thành từ các quan hệ P và Q, ký hiệu: R  P Q

với: R (x, z)  Max J (x, y, z) | y Y (2.24)

Với luật liên kết cực tiểu ta có luật hợp thành max – min:

R (x, z)  Max J (x, y, z) | y Y = Max{Min[ P (x, y), Q ( y, z)] | y Y} (2.25)

Với luật liên kết tích ta có luật hợp thành max – prod:

R (x, z)  Max J (x, y, z) | y Y = Max{ P (x, y)  Q (y, z) | y Y} (2.26)

2.2.1.9 giải mờ

Kết quả được tạo thành sau khi tính toán các luật vẫn còn ở dạng mờ và các thiết bị chấp hành của bộ điều khiển thì lại không hiểu những giá trị như thế Do đó, ta cần chuyển đổi những gái trị mờ đó thành giá trị rõ cho thiết bị thực thi Có nhiều

phương pháp giải mờ khác nhau , thông thường người ta sử dụng 3 phương pháp chính sau:

a/ Phương pháp điểm cực đại: Hay còn gọi là phương pháp độ cao, chỉ dùng

cho loại tập mờ có đỉnh nhọn, được biểu diễn qua biểu thức:

Hình 2.15: Biểu diễn khi giải m theo ph ơn pháp trọng tâm

c/ Phương pháp trung bình theo trọng số:

Là một biến dạng của phương pháp trọng tâm khi thay dấu tích phân bằng dấu sigma, được dùng nhằm đơn giản hóa sự tính toán, phù hợp với các điều khiển không quá phức tạp