ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------
BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM BẰNG MÁY
TÍNH CHO BÀI TOÁN TÌM CỰC TRỊ CỦA QUÁ
TRÌNH VÀ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
-0-
Học Viên
:
Trang
Thành
Trung
Lớp
: K11 - CNCTM
Chuyên ngành
: Công nghệ Chế
tạo máy
Hƣớng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Văn
Dự
THÁI NGUYÊN - 2010
-1-
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ
THUẬT
Tên đề tài:
“Ứng dụng thiết kế thí nghiệm bằng máy tính cho bài
toán
tìm cực trị của quá trình và hệ thống cơ khí”
Hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Dự
Học viên thực hiện: Trang Thành Trung
Lớp: K11-CNCTM
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên.
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
-2-
Thí nghiệm đóng một vai trò quan trọng trong nghiên
cứu khoa học. Chỉ có thí nghiệm mới cho ta kết quả chính
xác để khẳng định chân lý khoa học.
Theo Montgomery, thí nghiệm là một quá trình kiểm
nghiệm hay một chuỗi các kiểm nghiệm mà trong đó, các
thông số đầu vào của một quá trình hay hệ thống được thay
đổi một cách có chủ đích nhằm thay đổi các kết quả (đầu ra)
của hệ thống hay quá trình, để xác định các nguyên nhân,
quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống, quá trình hay
đối tượng thí nghiệm. Thí nghiệm nhằm gây ra một hiện
tượng theo qui mô nhỏ để quan sát nhằm củng cố lý thuyết
hoặc kiểm nghiệm một điều mà giả thuyết đã dự đoán một
cách có hệ thống, có cơ sở lý luận. Thí nghiệm thường được
ứng dụng trong các bài toán sau:
- Thiết kế, thử nghiệm sản phẩm, quá trình mới;
- Phát triển quá trình sản xuất;
- Cải tiến quá trình, hệ thống sản xuất.
-3-
Thí nghiệm rất quan trọng nhưng muốn làm thí nghiệm
có hiệu quả, cho ra kết quả tin cậy, nhưng lại tốn ít công sức,
thời gian và chi phí thì công việc đầu tiên cần phải làm là
tiến hành quy hoạch thực nghiệm hay thiết kế thí nghiệm.
Ở Việt Nam, lý thuyết về thiết kế thí nghiệm đã được
bắt đầu ứng dụng từ những năm 1970. Lý thuyết về thiết kế
thí nghiệm đã thu hút sự quan tâm và nhận được nhiều đóng
góp hoàn thiện của các chuyên gia toán thống kê, điều khiển
học và thực nghiệm, ví dụ: PGS.TS Trần Địch, Phạm Văn
Lang - Bạch Quốc Khang, Bùi Minh Trí, Nguyễn Minh
Tuyển, Nguyễn Doãn Ý …. Tuy nhiên, các tài liệu về hướng
dẫn, thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm còn nặng
về trình bày lý thuyết toán, xác suất và thống kê nên gây khó
khăn trong việc thực hiện thí nghiệm đối với những người
làm kỹ thuật. Hơn nữa, đến nay ở Việt Nam cũng chưa có tài
liệu nào hướng dẫn cụ thể tiến trình từng bước thiết kế thí
nghiệm cho lớp các bài toán cực trị.
-4-
Vì những lý do nói trên, các nhà nghiên cứu thực
nghiệm thường gặp nhiều khó khăn trong việc thiết kế và xử
lý số liệu các thí nghiệm trong nghiên cứu của mình. Hầu
hết các bước thí nghiệm được xác lập thông qua việc thiết
lập các ma trận thí nghiệm bằng tay – tốn thời gian và nhiều
khi không chính xác. Matlab® thường được sử dụng để xử
lý số liệu thí nghiệm, điều này đòi hỏi nhà nghiên cứu phải
biết kỹ thuật lập trình để xử lý các mã lệnh cần thiết. Một số
nghiên cứu về tối ưu hóa đã không chỉ ra được vùng cực trị
chỉ vì do người làm nghiên cứu không hiểu rõ các bước xử
lý, có một phần nguyên nhân là do các tài liệu hướng dẫn
tiếng Việt chưa được trình bày rõ ràng, dễ hiểu.
Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài này được thực hiện
nhằm hệ thống hóa các bước thiết kế thí nghiệm và cách
thức khai thác phần mềm máy tính đang được thế giới sử
dụng rộng rãi nhằm phục vụ cho một số bài toán thí nghiệm
cơ khí cụ thể. Một số thí nghiệm cơ khí được sưu tập và
-5-
thực hiện trực tiếp nhằm minh hoạ cho tiến trình thiết kế và
xử lý thí nghiệm. Qua đó, người đọc có thể tham khảo và
ứng dụng cho nghiên cứu thực nghiệm của mình.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Đã có một thời gian dài, các nhà thực nghiệm chỉ dựa
vào kinh nghiệm và trực giác để chọn hướng nghiên cứu.
Các thí nghiệm được tiến hành bằng phương pháp cổ điển
là: lần lượt thay đổi từng thông số, trong khi giữ nguyên các
yếu tố còn lại. Phương pháp truyền thống này chỉ cho phép
tìm kiếm các mối quan hệ phụ thuộc giữa chỉ tiêu đánh giá
và các yếu tố ảnh hưởng một cách riêng biệt khi làm thực
nghiệm một cách riêng rẽ theo từng yếu tố. Khi số lượng các
yếu tố ảnh hưởng lớn, khối lượng thí nghiệm sẽ bị tăng lên
gấp nhiều lần.
Nếu tiến hành thí nghiệm mà không được lập kế hoạch
trước, không bố trí trước trình tự thí nghiệm, không xác định
được những những yếu tố cần khảo sát... thì người làm thí
-6-
nghiệm rất dễ bị rơi vào một mê cung các sắp xếp thí
nghiệm rắc rối, tốn rất nhiều công sức, tiền của và thời gian
mà chưa chắc đã ra được kết quả mong muốn. Do vậy cần
phải xây dựng chiến lược tiến hành thí nghiệm dựa trên
những thông tin đã biết và nhưng thông tin tiên nghiệm về
đối tượng thí nghiệm. Mục đích của việc thiết kế thí nghiệm
nhằm:
- Giảm thiểu các yếu tố không điều khiển được (nếu
biết);
- Giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phương
tiện vật chất;
- Xác định các yếu tố quan trọng có thể điều khiển được;
- Xác định được cấp độ giá trị sai khác giữa các kết quả;
- Xác định số lượng thí nghiệm cần thiết tối thiểu.
Theo báo cáo của các nhà sản xuất Âu-Mỹ (Mukul
Mehta), sử dụng các phương pháp thiết kế thí nghiệm có thể
giảm được 20-30% thời gian giải quyết vấn đề; giảm ít nhất
-7-
50% chi phí kiểm nghiệm, chế tạo vật liệu khi thử nghiệm;
tăng 2-3 lần giá trị, chất lượng và độ tin cậy của thông tin
thu thập được.
Khi tiến hành thiết kế thí nghiệm hàm lượng thông tin
về đối tượng thí nghiệm thu được nhiều hơn do đánh giá
được vai trò tác động qua lại giữa các yếu tố và ảnh hưởng
của chúng đến hàm mục tiêu. Bên cạnh đó, người làm thí
nghiệm xác định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của đối
tượng nghiên cứu một cách khá chính xác bằng các công cụ
toán học thay cho cách giải gần đúng. Hơn nữa người
nghiên cứu có thể đánh giá được sai số thí nghiệm, cho phép
xét ảnh hưởng của các thông số với mức độ tin cậy xác định
dựa vào mô hình toán học thực nghiệm thu được.
Trong nghiên cứu về lý thuyết thiết kế thí nghiệm thì
nghiên cứu tìm giá trị cực trị hay tìm vùng tối ưu luôn được
các nhà nghiên cứu quan tâm. Lớp các bài toán hay lý thuyết
nghiên cứu thực nghiệm về vấn đề tối ưu được biết đến với
-8-
cái tên Response Surface Methodology – RSM. Ở Việt Nam,
lớp bài toán này còn được gọi bởi nhiều tên gọi khác nhau
như: phương pháp bề mặt phản ứng/phản hồi hay phương
pháp bề mặt cực trị/đáp trị hoặc phương pháp bề mặt chỉ
tiêu…
Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface
Methodology - RSM) là tập hợp các kỹ thuật thống kê và
toán học rất hữu ích cho việc phát triển, nâng cao và tối ưu
hóa quá trình sản xuất. Nó cũng có các ứng dụng quan trọng
trong việc thiết kế và xây dựng các sản phẩm mới cũng như
trong việc cải thiện các sản phẩm hiện có. Nội dung chính
của RSM là sử dụng một chuỗi các thí nghiệm được thiết kế
để tối ưu hóa một quy trình sản xuất.
RSM được ứng dụng nhiều trong các ngành Sinh học,
Khoa học y học, Khoa học xã hội, Khoa học thực phẩm,
Khoa học vật lý, kỹ thuật hoá học… nhưng rộng rãi và nhiều
nhất là trong lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong tình
-9-
huống mà các tham số đầu vào có khả năng ảnh hưởng đến
chất lượng của sản phẩm hoặc quy trình sản xuất. Các tham
số đầu vào này được gọi là biến đầu vào và chất lượng của
sản phẩm hay quy trình được gọi là đầu ra hay chỉ tiêu. Tất
cả các ứng dụng của RSM trong thế giới thực đa số đều liên
quan đến vấn đề tối ưu hoá một hoặc nhiều chỉ tiêu.
Theo nghiên cứu của Raymond H. Myers, André I.
Khuri and Walter H. Carter, Jr. (1989) đã đặc biệt nhấn
mạnh các ứng dụng thực tế của phương pháp bề mặt chỉ tiêu
trong lĩnh vực hoá chất và xử lý. Tháng 12 năm 1975, Mead
và Pike đã viết bài báo “A Review of Response Surface
Methodology from a Biometric Viewpoint” đăng trên tạp chí
Biometrics tiếp tục nhấn mạnh những ứng dụng của phương
pháp RSM trong lĩnh vực sinh học, trong bài báo này Mead
và Pike đã đưa ra một định nghĩa về RSM rộng hơn nhiều so
với Hill và Hunter. Cũng theo Myers, Khuri và Carter (năm
1989), Mead và Pike đã phát biểu nguồn gốc của RSM đã
- 10 -
từng bắt đầu từ những năm 1930 với việc sử dụng lý thuyết
bề mặt đường cong chỉ tiêu còn theo Hill và Hunter phương
pháp RSM được giới thiệu bởi G.E.P Box và K.B Wilson
với việc sử dụng thiết kế trực giao trong mô hình đánh giá
bậc một vào năm 1951. Trong thực tế có rất nhiều mốc thời
gian mà chủ đề về RSM được các nhà khoa học đưa ra để
thảo luận nhưng mốc thời gian quan trọng nhất là năm 1951
khi Box và Wilson đưa ra phương pháp RSM trong một
cuộc hội thảo khoa học. Box và Wilson đã sử dụng mô hình
đa thức bậc nhất để tính gần đúng các biến chỉ tiêu nhằm cải
thiện quá trình chế tạo trong ngành công nghiệp hoá học với
mục đích là tối ưu hoá các phản ứng hoá học thu được. Box
và Wilson thừa nhận rằng mô hình này chỉ mang tính chất
gần đúng không có tính chính xác nhưng mô hình này rất dễ
dàng đánh giá và ứng dụng, ngay cả khi có ít thông tin về
quy trình. Công bố của Box và Wilson đã có ảnh hưởng sâu
sắc đến các nghiên cứu về thiết kế thí nghiệm được ứng
- 11 -
dụng trong công nghiệp và cũng là động lực của nhiều
nghiên cứu trong lĩnh vực này sau này.
Tháng 5 năm 1954, các cuộc thảo luận về các nguyên
tắc cơ bản của RSM và triết lý cơ bản của nó đã được đưa ra
trong một cuốn sách được viết bởi một nhóm các nhà hóa
học, kỹ sư và các nhà thống kê và được hiệu chỉnh bởi Dr O.
L. Davies. Bất cứ ai bắt đầu một nghiên cứu về RSM đều
được khuyến khích để nghiên cứu tài liệu này. Nhưng các
chuyên khảo của Myers (1976) mới là cuốn sách đầu tiên
viết dành riêng về chủ đề RSM. Ngoải ra còn có 2 cuốn sách
viết đầy đủ về chủ đề RSM: Box và Draper (1987) và Khuri
và Cornell (1987, 1996, 2006). Một ấn bản thứ hai của Box
và Draper cũng đã được xuất bản vào năm 2007 với tiêu đề
hơi khác so với ấn bản thứ nhất.
Sự phát triển về lý thuyết thiết kế tối ưu đặc biệt trong
lĩnh vực thiết kế thí nghiệm chỉ thực sự được quan tâm sau
công bố của Elfving (1952, 1955, 1959),
- 12 -
Kiefer (1958,
1959, 1960, 1962) và từ đó một số tác giả khác đã công bố
những kết quả nghiên cứu quan trọng liên quan đến phương
pháp RSM: Hill và Hunter (1966), Mead và Pike (1975),
Myers, Khuri và Carter (1989, 2004).
3. ĐỐI TƢỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ MỤC
ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.
3.1 Đối tƣợng nghiên cứu.
- Bài toán tìm cực trị bằng thực nghiệm thông qua công cụ
RSM.
- Phạm vi nghiên cứu là các bài toán kỹ thuật cơ khí.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi của đề tài, chỉ nghiên cứu về lý thuyết
Response Surface Methodology (RSM). Phần mềm MiniTab
cho thiết kế thí nghiệm và một số hệ thống cơ khí điển hình
minh hoạ cho thí nghiệm.
- 13 -
3.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài này có mục tiêu là xây dựng trình tự tóm tắt,
từng bước xây dựng và phân tích thí nghiệm cho bài toán
tìm cực trị.
Các mục tiêu cụ thể:
- Tóm tắt về lý thuyết tìm cực trị bằng thực nghiệm;
- Hệ thống hoá tiến trình thiết kế thí nghiệm bằng máy
tính;
- Phân tích các kết quả thí nghiệm;
- Mô tả cách sử dụng phần mềm MiniTab cho thiết kế thí
nghiệm tìm cực trị thông qua các ví dụ kỹ thuật.
- Ứng dụng cho một vài trường hợp cụ thể, chẳng hạn
như:
+ Xác định cặp thông số điện áp, khoảng cách va đập
tối ưu cho cơ cấu RLC bằng thực nghiệm.
- 14 -
4. NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
4.1 Nguồn tài liệu.
Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước,
các tạp chí khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liên
quan.
4.2 Phƣơng pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thiết kế thí nghiệm và máy
tính cho các bài toán tìm cực trị trong cơ khí.
- Triển khai cho một số bài toán cụ thể.
5. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN
- Đã hệ thống hóa và hướng dẫn tỉ mỉ từng bước quá trình
ứng dụng máy tính để thiết kế thí nghiệm. Mỗi bước có ví
- 15 -
dụ minh họa cụ thể để người đọc nắm vững cách ứng dụng
một cách trực quan;
- Xây dựng được tài liệu hướng dẫn sử dụng Minitab® cho
thiết kế và xử lý số liệu thí nghiệm;
- Cụ thể hóa các bước tiến hành cho bài toán tìm cực trị
bằng thực nghiệm;
- Ứng dụng tổng hợp cho bài toán tối ưu hóa thông số hoạt
động của cơ cấu rung va đập RLC-09 và đã tìm được điểm
cộng hưởng của cơ cấu, từ đó việc ứng dụng cơ cấu rung va
đập RLC trong thực tế trở nên rất hứa hẹn.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ
TÀI
- Ý nghĩa khoa học: Hệ thống hoá kiến thức nghiên cứu thực
nghiệm theo dạng từng bước (step-by-step). Khai thác khả
năng hỗ trợ của máy tính.
- 16 -
- Ý nghĩa thực tiễn: Giúp các tác giả nghiên cứu thực
nghiệm dễ dàng thiết kế thí nghiệm, thu thập và xử lý dữ
liệu một cách đơn giản, chuẩn tắc và tiết kiệm.
7. KẾT CẤU LUẬN VĂN.
Bản luận văn gồm 112 trang được bố cục thành 7
chương, 79 hình vẽ, 08 bảng biểu và 22 tài liệu tham khảo.
Bố cục và nội dung chính của luận văn như sau:
Chương
1:
GIỚI
THIỆU…………………………………………………
11
………….
1.1
Đặt
vấn
đề………………………………………………………
11
……………...
1.2
Tổng
quan
về
thiết
kế
thí
13
nghiệm…………………………………….........
- 17 -
1.3
Mục
tiêu
nghiên
cứu……………………………………………………… 18
…
1.4
Các
kết
chính
quả
đã
đạt
18
được……………………………………………..
1.5
Cấu
trúc
luận
văn……………………………………………………… 19
……..
Chương
2:
MỘT
SỐ
KHÁI
NIỆM
CƠ
20
BẢN…………………………………...
2.1
Giới
thiệu……………………………………………………
20
…………………
2.2 Một số khái niệm căn bản về thiết kế thí
20
nghiệm………………………
2.3
Các
nguyên
tắc
- 18 -
thiết
kế
thí 26
nghiệm………………………………………..
2.4 Phương trình hồi quy và phân tích phương
27
sai………………………….
2.4.1
Phương
trình
hồi
27
quy…………………………………………………
2.4.2
Phân
tích
phương
31
sai………………………………………………….
2.5
Sai
số
và
khử
sai
số………………………………………………………
33
…..
34
2.5.1
Sai
số
hệ 34
thống…………………………………………………… 34
……
34
2.5.2
Sai
số
ngẫu 35
nhiên……………………………………………………. 35
..
- 19 -
- Xem thêm -