(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển máy rửa chén bát thông minh sử dụng cho hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤN THIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH
ÐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHÉN BÁT THƠNG MINH
SỬ DỤNG CHO HỘ GIA ÐÌNH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ÐIỆN TỬ - 8520114

S K C0 0 5 7 8 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2018

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤN THIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHÉN BÁT THƠNG MINH
SỬ DỤNG CHO HỘ GIA ĐÌNH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤN THIÊN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH
ĐIỀU KHIỂN MÁY RỬA CHÉN BÁT THƠNG MINH
SỬ DỤNG CHO HỘ GIA ĐÌNH

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ - 8520114
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. LÊ HIẾU GIANG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018

Luan van


LÝ LỊCH CÁ NHÂN
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: NGUYỄN TẤN THIÊN

Giới tính: Nam

Ngày sinh: 16/06/1990

Nơi sinh: Phú Yên

Quê quán: Tuy Hòa, Phú Yên

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: KP4, Phường Phú Thạnh, TP. Tuy Hòa, Tỉnh Phú Yên
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại: 0978.678.518

Email:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 10/2008 đến 06/2013

Nơi học: Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Phân hiệu TP.HCM
Ngành học: Cơ điện tử
Tên đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị lọc nước sử dụng năng
lượng mặt trời”.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 06/2013 tại Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
Phân hiệu TP.HCM
Người hướng dẫn: TS. Lê Lăng Vân
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TN ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

7/2013 - 4/2017

Công Ty TNHH SX-TM Cơ Điện Thuận Thảo

Kỹ sư dự án

5/2017 - 2/2018

Cơ sở sản xuất nước uống đóng bình Liên Hân

Kỹ sư bảo trì

3/2018 đến nay

Cơng Ty TNHH Đầu Tư TM & DV Golden Ant

Nhân viên kỹ thuật

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 10 năm 2018
Học viên thực hiện

Nguyễn Tấn Thiên

ii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tạ Tr
Thuật TP.HCM, đ ợc sự độn v ên,

n

ại học S Phạm

úp đỡ và h ớng dẫn tận tình của Thầy giáo

h ớng dẫn PGS.TS Lê Hiếu Giang, luận văn vớ đề tài “N h ên cứu, thiết kế, chế tạo
mơ hình đ ều khiển máy rửa chén bát thơng minh sử dụng cho hộ

a đình” đã đ ợc

hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy

áo h ớng dẫn PGS.TS Lê Hiếu G an đã tận tình chỉ dẫn,

úp đỡ tác

giả hồn thành luận văn này.
hoa đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo thuộc bộ môn Cơ đ ện tử hoa Cơ khí chế tạo máy, Tr

n

ại học S Phạm

Thuật TP.HCM đã

úp đỡ tác

giả trong quá trình học tập cũn nh quá trình n h ên cứu thực hiện luận văn; các
thầy, cơ

áo đã nhận xét, góp ý trong q trình phản biện luận văn.

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè,
viên, tạo đ ều kiện

a đình và n

i thân đã quan tâm, động

úp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hồn thành luận

văn.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018
Học viên thực hiện

Nguyễn Tấn Thiên

iii

Luan van


TĨM TẮT
Việc sử dụng máy rửa chén bát (MRCB) khơng 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 thơng minh sử dụng cho hộ gia đình” tác giả trình bày phương
pháp kiểm sốt các thơng 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
ngun tắc lấy đầu vào khơng 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 thơng 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.

iv

Luan van


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.

v

Luan van


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
Chƣơng 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, cịn vị trí các
tia nước khơng 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

vi

Luan van


Chƣơng 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
Chƣơng 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 thơng 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 tốn 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 mơ 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
Chƣơng 4: CHẾ TẠO MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN MỜ XÁC ĐỊNH CÁC
THƠNG 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 thơng số làm việc của MRCB ......69
4.1.2 Các linh kiện, thiết bị chính. .............................................................70
4.1.3 Mơ hình thực tế .................................................................................72
4.2 Xây dựng giải thuật bài toán trên Matlab-Simulink ...................................73

vii

Luan van


4.2.1 Cơng cụ hỗ trợ lập trình ....................................................................73
4.2.2 Mơ phỏng hệ thống trên Matlab – Simulink .....................................74
4.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................75
Chƣơng 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

viii

Luan van


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 ngun lý MRCB sử dụng cho hộ gia đình.........................................11
Hình 1.7: Máy rửa chén bát cơng 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 khơng 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 thơng minh ..................................................42

Hình 3.3: Cấu trúc bộ điều khiển mờ MRCB ................................................................43
Hình 3.4: Hàm thành viên khối lượng chén bát ............................................................46
ix

Luan van


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 thơng số làm việc của MRCB. .................69
Hình 4.2: Lưu đồ thuật tốn ..........................................................................................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: Mơ hình thực tế hệ thống tính các thơng số làm việc của MRCB ................72
Hình 4.7: Mơ phỏng trên Matlab –simulink với sự hỗ trợ của công cụ Waijung .........74

Hình 4.8: Quá trình nạp code xuống STM32F4 thành cơng .........................................75
Hình 4.9: Kết quả thực nghiệm hiển thị trên máy tính với sự hỗ trợ của cơng cụ
Terminal.........................................................................................................................76

x

Luan van


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Thơng số kỹ thuật dịng 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 mơ phỏng tìm giá trị các thơng 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

xi

Luan van


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

xii

Luan van


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
khơng cịn xa lạ với nhiều người dân Việt nam. Nó đã trở thành một thiết bị gia dụng
khơng 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 khơng bị rơi vỡ trong q 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 ngồi) ln 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 thơng thường, Việc sử dụng địi 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.

1

Luan van


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 mơi 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 ln được các hãng sản xuất quan tâm, khơng
ngừng nỗ lực nghiên cứu và phát triển. Nó là một cuộc chạy đua khơng có hồi kết giữa
các thương hiệu nhằm mang đến một sản phẩm tốt nhất cho người tiêu dùng.
Trong nƣớc

* Năm 2009 anh Nguyễn Văn Ngọc ở Tỉnh Thái Bình đã sáng chế thành cơng
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 hồn 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
đại
2

Luan van


- 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 tồn 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 q lớn khiến nó khơng 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 khơng cao và chưa có tính tự động.
* Năm 2017, em Nguyễn Thanh Bình, một học sinh Trung học tỉnh Ninh Bình
đã đem đến vịng 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 khơng 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 tốn tiết kiệm
năng lượng”.
3. Mục đích nghiên cứu đề tài
Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thơng 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
3

Luan van


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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng 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 khơng chính xác từ các
cảm biến, xác định các thơng 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. Phƣơng 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 sốt các thơng 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 mơ hình xác định các thơng 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

4

Luan van


Một bài tốn với rất nhiều các thơng 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 địi 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
và đơn giản nhất.
- Kiểm soát được nhiệt độ nước rửa, áp lực nước rửa và thời gian rửa nhằm tiết kiệm
điện năng tiêu thụ.
- Tạo tiền đề cho việc chế tạo những chiếc MRCB thơng minh sử dụng cho hộ gia
đình.
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 mơ 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.

5

Luan van


Chƣơng 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.
1.2 Lịch sử phát triển MRCB
Máy rửa chén cơ khí đầu tiên (chưa sử dụng điện) được phát minh bởi Joel
Houghton người Mỹ, được cấp bằng sáng chế năm 1850, là một chiếc máy bằng
gỗ. Khi quay, nước sẽ đi qua ống nước bằng gỗ và phun lên các đĩa. Thiết bị máy rửa
chén bát này đã bị đánh giá là chậm và khơng có tính ứng dụng cao, thậm chí tiêu
tốn sức lao động hơn cả việc rửa bằng tay. Tuy nhiên, nó là nền tảng ban đầu để các
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 khơng 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

6

Luan van


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

7

Luan van


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 cơng 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 trị 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.

8

Luan van


Có 2 nguyên lý được áp dụng trên các máy rửa chén bát hiện nay: Vật dụng cần
rửa nằm trên giá đỡ xoay, cịn vị trí các tia nước khơng 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
khơng 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 cơng nghiệp (dạng băng chuyền).

9

Luan van


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
Ƣu điểm:
- Kết cấu nhỏ gọn, thẩm mỹ
- Hoạt động ổn định.
- Chỉ có cánh tay phun nước quay nên năng lượng tiêu tốn ít hơn so với cả
khối lượng chén bát xoay.
Nhƣợc điểm:
- Cấu tạo phức tạp.
 Phương pháp này được ứng dụng trong dòng máy sử dụng cho hộ gia đình
hiện nay.

10

Luan van