Tổng quan nghiên cứu

Thị trường thiết bị gia dụng hiện đại ghi nhận sự phát triển mạnh mẽ của máy rửa chén bát khi tỷ lệ sở hữu tại các quốc gia phát triển như Đức và Mỹ đã vượt mốc 75% số hộ gia đình. Tại Việt Nam, hơn 95% thị phần thiết bị này đang thuộc về các thương hiệu nhập khẩu nguyên chiếc. Mặc dù các dòng máy hiện nay được tích hợp từ 5 đến 8 chế độ rửa độc lập, người dùng vẫn phải tự tay ước lượng độ bẩn và khối lượng chén đĩa để bấm nút chọn chương trình. Việc cài đặt thủ công này làm suy giảm tính tự động hóa và có thể gây lãng phí từ 20% đến 35% điện năng tiêu thụ do người sử dụng chọn sai chế độ rửa so với thực tế.

Nghiên cứu tập trung giải quyết triệt để vấn đề trên bằng cách xây dựng hệ thống tự động nhận diện và tính toán các thông số vận hành mà không cần con người can thiệp sâu. Mục tiêu cụ thể của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình điều khiển máy rửa chén bát thông minh ứng dụng logic mờ, giúp tự động xác định chính xác nhiệt độ nước, áp lực nước và thời gian rửa. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vào tháng 10 năm 2018, hướng tới dòng máy rửa chén độc lập phục vụ hộ gia đình từ 4 đến 10 thành viên. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện ở việc tối giản giao diện vận hành về đúng 1 nút bấm duy nhất, nâng cao độ bền thiết bị và cắt giảm ước tính khoảng 15% đến 28% lượng điện năng tiêu thụ trong mỗi chu trình làm sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng nền tảng lý thuyết tập mờ và logic mờ do Giáo sư Lotfi A. Zadeh khởi xướng năm 1965, kết hợp mô hình suy luận mờ ước lượng của Ebrahim Mamdani năm 1970 cùng mô hình trạng thái mờ Tagaki-Sugeno. Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc đa biến nhiều ngõ vào - nhiều ngõ ra với 2 đại lượng vào và 3 đại lượng ra vận hành đồng thời. Bốn khái niệm lý thuyết cốt lõi được triển khai bao gồm:

Thứ nhất, hàm liên thuộc dạng tam giác và hình thang giúp biểu diễn mức độ phụ thuộc của các giá trị vật lý liên tục trong khoảng từ 0 đến 1. Thứ hai, biến ngôn ngữ đại diện cho khối lượng chén bát gồm 4 tập mờ và mức độ bẩn gồm 3 tập mờ. Thứ ba, cơ sở tri thức 25 luật hợp thành IF...THEN liên kết quan hệ nhân quả giữa trạng thái đo đạc với hành động điều khiển. Thứ tư, giải thuật giải mờ trọng tâm kết hợp phương pháp trung bình theo trọng số nhằm biến đổi tập mờ đầu ra thành giá trị vật lý rõ ràng cho cơ cấu chấp hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ cảm biến tải trọng Loadcell dải đo 0 đến 20 kg và cảm biến quang học đo độ đục của nước trong thang đo từ 0 đến 100 NTU. Tiêu chuẩn nước sạch sinh hoạt dưới 5 NTU và nước uống dưới 2 NTU được sử dụng làm cơ sở đối chuẩn cho độ bẩn. Cỡ mẫu kiểm thử gồm 20 kịch bản ngẫu nhiên phân tầng, đại diện đầy đủ cho các điều kiện tải từ 1 đến 15 kg và mức độ đục từ 10 đến 90 NTU trong bữa ăn gia đình.

Lý do lựa chọn phương pháp điều khiển mờ là vì quá trình rửa chén bát mang đặc tính phi tuyến cao, chịu tác động của nhiều yếu tố thủy lực phức tạp nên không thể thiết lập mô hình toán học giải tích chính xác. Tác giả sử dụng phần mềm Matlab-Simulink cùng bộ công cụ Waijung Blockset để mô phỏng giải thuật, sau đó nạp trực tiếp mã nguồn xuống vi điều khiển xử lý tín hiệu số 32-bit STM32F407VGT. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, lập trình mô phỏng và kiểm nghiệm thực nghiệm trên mô hình thực tế được hoàn thiện trong lộ trình 10 tháng, kết thúc vào tháng 10 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán mô phỏng trên phần mềm và kiểm chứng thực nghiệm trên phần cứng đã mang lại các phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, bộ điều khiển mờ 2 ngõ vào và 3 ngõ ra với 25 luật suy diễn Mamdani đã tính toán chính xác các thông số làm việc: nhiệt độ nước trong khoảng 25 đến 70 độ C, áp lực nước từ 0 đến 8 bar và thời gian rửa từ 15 đến 90 phút.

Thứ hai, kết quả đối sánh giữa mô phỏng trên Matlab và thực nghiệm trên vi điều khiển STM32F407VGT qua 20 bộ giá trị ngẫu nhiên cho thấy độ tương thích xuất sắc. Sai số tuyệt đối giữa giá trị tính toán lý thuyết và thực tế luôn duy trì ở mức dưới 2,3%.

Thứ ba, với trường hợp khối lượng vật rửa nhỏ khoảng 2,5 kg và độ đục thấp ở mức 12 NTU, hệ thống tự động xác lập nhiệt độ 38 độ C, áp lực 2,1 bar và thời gian 28 phút. Mức thông số này giúp tiết kiệm 36% điện năng tiêu thụ so với chương trình rửa tiêu chuẩn cố định 60 phút ở 65 độ C của các máy rửa thông thường.

Thứ tư, khi lượng bát đĩa đạt mức 14,8 kg và độ đục tăng cao đến 88 NTU, hệ thống tự động nâng áp lực phun lên 7,2 bar và nhiệt độ nước lên 68 độ C, đảm bảo khả năng bóc tách hoàn toàn dầu mỡ mà không vượt ngưỡng an toàn kết cấu 10 bar của máy.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt bậc của mô hình bắt nguồn từ khả năng thích ứng động của giải thuật mờ theo dữ liệu cảm biến thực tế. Thay vì chỉ chạy theo các chương trình cài đặt cố định, cơ chế giải mờ trọng tâm cho phép thông số biến thiên mượt mà, tối ưu hóa công suất của thanh gia nhiệt điện trở và motor bơm. Kết quả này vượt trội hơn hẳn so với cơ chế đóng ngắt rơ-le định thời 40 đến 60 phút của sáng chế RB-NTT năm 2009, đồng thời giải quyết triệt để hiện tượng mất cân bằng cơ khí khi xoay giá đỡ của mẫu sáng chế TĐH năm 2014.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua đồ thị bề mặt cong 3D trên Matlab, phản ánh rõ nét tương quan phi tuyến giữa khối lượng, độ đục với áp lực và nhiệt độ nước rửa. Ngoài ra, bảng dữ liệu kiểm nghiệm 20 điểm đo thực nghiệm được hiển thị trực tiếp lên màn hình LCD 4 dòng và truyền nối tiếp qua cổng UART CP2102 lên máy tính, chứng minh độ tin cậy và tính ổn định cao của giải thuật khi ứng dụng vào môi trường thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả thực nghiệm của đề tài, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm đưa công nghệ điều khiển mờ vào dây chuyền sản xuất thương mại:

Thứ nhất, tích hợp vi điều khiển ARM Cortex-M4 hoặc board mạch STM32F4 trực tiếp vào hệ thống phần cứng máy rửa chén nội địa. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử gia dụng cần triển khai kế hoạch chế tạo trong vòng 12 đến 18 tháng, hướng tới mục tiêu nâng tỷ lệ nội địa hóa thiết bị thông minh lên trên 55%.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình lắp đặt và hiệu chuẩn cảm biến độ đục NTU kết hợp cảm biến Loadcell tại các trung tâm kiểm định trong thời hạn 6 tháng. Mục tiêu kỹ thuật là duy trì sai số đo lường dưới 1,5% ngay cả trong điều kiện nhiệt độ nước thay đổi từ 20 đến 75 độ C.

Thứ ba, nghiên cứu ứng dụng công nghệ biến tần điều khiển động cơ bơm nước áp lực cao trong giai đoạn 18 đến 24 tháng tới. Giải pháp này giúp các nhà sản xuất tiết kiệm thêm từ 12% đến 18% điện năng khi hệ thống vận hành ở dải áp lực trung bình từ 2 đến 5 bar.

Thứ tư, tinh chỉnh tập luật mờ chuyên biệt cho đặc thù món ăn Việt Nam nhiều dầu mỡ và nước sốt đậm đặc. Các kỹ sư tự động hóa cần thực hiện việc tối ưu bảng luật trong thời gian 9 tháng để đảm bảo chỉ số làm sạch đạt trên 98,5% đối với mọi loại vết bẩn cứng đầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và giải pháp kỹ thuật thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

Thứ nhất, kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần cứng nhúng tại các doanh nghiệp sản xuất thiết bị gia dụng. Nhóm kỹ sư có thể ứng dụng sơ đồ mạch xử lý tín hiệu STM32F4, mạch giao tiếp UART CP2102 và mô hình Waijung Blockset để rút ngắn 40% thời gian thử nghiệm sản phẩm mới.

Thứ hai, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Luận văn cung cấp tài liệu mẫu mực về thiết kế hệ điều khiển mờ đa biến MIMO từ mô phỏng lý thuyết đến nạp code thực thi trên phần cứng.

Thứ ba, các doanh nghiệp cơ khí và thiết bị gia dụng tại Việt Nam đang tìm kiếm giải pháp nâng cao hàm lượng công nghệ để cạnh tranh trực tiếp với hơn 95% sản phẩm nhập khẩu hiện nay.

Thứ tư, sinh viên đại học thực hiện đồ án tốt nghiệp ngành Tự động hóa. Tài liệu cung cấp hướng dẫn chi tiết về phương pháp xây dựng giải thuật mờ trên Matlab kết hợp đối chiếu dữ liệu qua 20 bộ thông số đo đạc thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Bộ điều khiển mờ mang lại ưu điểm gì vượt trội so với các bộ điều khiển truyền thống?

Hệ thống điều khiển mờ xử lý hiệu quả bài toán đa biến nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra mà không cần biết chính xác mô hình toán học giải tích của đối tượng. Nhờ đó, máy rửa chén tự động tối ưu hóa áp lực, nhiệt độ và thời gian theo dữ liệu cảm biến thực tế, giúp giảm từ 20% đến 35% điện năng tiêu thụ so với các phương pháp cài đặt thủ công.

Cảm biến độ đục thu thập dữ liệu về độ bẩn của chén đĩa như thế nào?

Cảm biến quang học đo mật độ chất lơ lửng trong nước tráng đầu tiên theo thang đo từ 0 đến 100 NTU. Tín hiệu điện áp từ cảm biến phản ánh chính xác mức độ vẩn đục của nước so với tiêu chuẩn nước sạch sinh hoạt dưới 5 NTU, cung cấp dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển mờ quyết định nhiệt độ và áp lực rửa thích hợp.

Hệ thống phần cứng thực nghiệm được cấu thành từ những linh kiện chính nào?

Hệ thống phần cứng bao gồm board vi điều khiển 32-bit DSP STM32F407VGT, cảm biến tải trọng Loadcell dải đo 20 kg, cảm biến độ đục quang học 100 NTU, màn hình LCD 4 dòng hiển thị kết quả và mạch chuyển đổi giao tiếp USB UART CP2102 kết nối dữ liệu trực tiếp với máy tính.

Việc rút gọn bảng điều khiển về 1 nút bấm duy nhất có gây hạn chế cho người dùng không?

Thiết kế 1 nút bấm Start duy nhất không hề gây hạn chế mà còn tối đa hóa tính tiện dụng cho người lớn tuổi và người giúp việc. Các thuật toán thông minh sẽ tự động lựa chọn thông số làm việc tối ưu nhất, vừa đảm bảo chén đĩa sạch khuẩn, vừa tiết kiệm từ 15% đến 30% năng lượng vận hành.

Độ tin cậy của thuật toán điều khiển mờ được kiểm chứng bằng phương pháp nào?

Tác giả đã lập trình giải thuật trên Matlab-Simulink và nạp xuống vi điều khiển STM32F4, sau đó tiến hành chạy thực nghiệm trên 20 bộ giá trị đầu vào ngẫu nhiên. Kết quả cho thấy sai số giữa tính toán mô phỏng và thực tế luôn dưới 2,5%, khẳng định tính chính xác và độ ổn định cao của mô hình.

Kết luận

  • Xây dựng thành công bộ điều khiển mờ 2 ngõ vào và 3 ngõ ra, tối ưu hóa đồng thời nhiệt độ nước, áp lực nước và thời gian rửa cho máy rửa chén bát gia đình.
  • Tự động hóa hoàn toàn quy trình vận hành với cơ chế 1 nút bấm Start duy nhất, giúp người dùng tiết kiệm từ 15% đến 30% điện năng tiêu thụ trong thực tế.
  • Kiểm chứng thành công thuật toán trên vi điều khiển DSP STM32F407VGT với 20 bộ thông số thực nghiệm, đạt độ chính xác cao với sai số dưới 2,5%.
  • Đóng góp giải pháp khoa học quan trọng cho việc chế tạo thiết bị gia dụng thông minh nội địa, tạo tiền đề cạnh tranh với các thương hiệu ngoại nhập.
  • Kế hoạch phát triển trong 6 đến 12 tháng tới tập trung vào việc bổ sung cảm biến pH, module kết nối không dây IoT và thương mại hóa sản phẩm.

Các đơn vị sản xuất và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình điều khiển này để nâng cấp dây chuyền thiết bị gia dụng thông minh ngay hôm nay.