Ứng dụng thiết kế thí nghiệm bằng máy tính cho bài toán tìm cực trị của quá trình và hệ thống cơ khí

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 0 http://www.lrc-tnu.edu.vn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

---------* ---------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

ỨNG DỤNG THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM

BẰNG MÁY TÍNH CHO BÀI TOÁN TÌM CỰC TRỊ

CỦA QUÁ TRÌNH VÀ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Trang Thành Trung

Thái Nguyên, năm 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong cuốn luận văn này là của bản

thân thực hiện, chưa được sử dụng cho bất kỳ một khóa luận tốt nghiệp nào khác.

Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học nào tương tự được công bố, trừ

những thông tin tham khảo được trích dẫn.

Trang Thành Trung

Tháng 08 năm 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Lời cám ơn

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa

học của tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều trong suốt thời

gian làm luận văn tốt nghiệp. Nếu không có sự tận tình chỉ bảo và động viên của

thầy, luận văn có lẽ sẽ không thể hoàn thành. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới gia

đình thầy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi thực hiện thí nghiệm minh họa trong

đề tài này.

Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Phòng TT-KT&ĐBCLGD Trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi được tham gia và

hoàn thành khóa học này. Tôi cũng xin chân thành cám ơn cô Phạm Thị Bông -

Trưởng phòng TT-KT&ĐBCLGD trường ĐHKTCN đã giúp đỡ tôi về thời gian

cũng như công việc để hoàn thành luận văn.

Lòng biết ơn chân thành tôi xin bày tỏ với người vợ yêu quý của tôi – Hoàng

Thị Thu Giang, người đã đảm nhiệm thay tôi chăm lo việc nhà cũng như đã chăm

sóc, động viên tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn. Thêm nữa là con gái

tôi Trang Hoàng Anh, nguồn cổ vũ rất lớn trong quá trình tôi hoàn thành đề tài.

Cuối cùng, tôi xin cám ơn các thầy cô giáo, các bạn bè, đồng nghiệp ở

trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã hỗ trợ và giúp đỡ trong thời

gian học tập của tôi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Tóm tắt

Luận văn này trình bày một cách có hệ thống tiến trình nghiên cứu thực

nghiệm cơ khí có sự trợ giúp của máy tính. Một ví dụ thực tế được triển khai trên cơ

cấu rung-va đập RLC nhằm cung cấp một minh họa tham khảo trực quan, dễ hiểu

cho các nghiên cứu khác.

Các khái niệm căn bản nhất của lý luận nghiên cứu thực nghiệm đã được hệ

thống hóa và trình bày lại theo một cấu trúc ngắn gọn, dễ hiểu. Điều này giúp người

đọc là các cán bộ kỹ thuật không chuyên về toán, xác xuất thống kê có thể dễ dàng

hiểu rõ và ứng dụng cho các nghiên cứu của mình.

Cách khai thác một phần mềm thiết kế thí nghiệm thương mại cho thiết kế và

xử lý số liệu đã được tóm tắt, có hình ảnh trực quan minh họa. Điều này giúp người

đọc nhanh chóng sử dụng được máy tính để xác lập các bước, các thông số cơ bản

để làm thí nghiệm. Khó khăn về kiến thức tin học hay kỹ năng tính toán được loại

bỏ. Cách thức xây dựng kế hoạch thí nghiệm bằng tay hay nhờ lập trình Matlab như

bấy lâu vẫn làm sẽ được thay thế hoàn toàn bằng các thao tác vận hành một phần

mềm ứng dụng thông thường.

Vấn đề khó khăn nhất khi khởi đầu một nghiên cứu thực nghiệm là xác định

các biến thí nghiệm để đưa vào khảo sát. Bài toán này được giải quyết trọn vẹn nhờ

kỹ thuật thiết kế thí nghiệm sàng lọc (Screening Design). Cách thức thiết kế và xử

lý dữ liệu thí nghiệm đã được diễn giải rõ ràng trong luận văn này.

Bài toán tìm vùng cực trị cho một quá trình, tham số điều khiển một hệ

thống, … bằng các thí nghiệm leo dốc đã được giải thích một cách dễ hiểu. Thông

qua các ví dụ thực tế, người đọc có thể dễ dàng áp dụng cho bài toán nghiên cứu

của mình.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Kỹ thuật thiết kế và xử lý thí nghiệm tối ưu hóa bằng phương pháp bề mặt

chỉ tiêu (RSM) cũng đã được tóm tắt, diễn giải và minh họa bằng ví dụ cụ thể. Kết

quả ứng dụng không những chỉ ra ưu việt về tốc độ hội tụ và độ chính xác, mà còn

có ý nghĩa tham khảo tốt cho các bài toán kỹ thuật khác.

Mục lục

Trang

Lời cam đoan…………………………………………………………………………. 1

Lời cám ơn……………………………………………………………………………. 2

Tóm tắt………………………………………………………………………………… 3

Các ký hiệu viết tắt…………………………………………………………………... 6

Danh mục các hình ảnh, đồ thị………………………………………………......... 7

Danh mục các bảng biểu……………………………………………………………. 10

Chương 1: GIỚI THIỆU……………………………………………………………. 11

1.1 Đặt vấn đề……………………………………………………………………... 11

1.2 Tổng quan về thiết kế thí nghiệm……………………………………......... 13

1.3 Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………………… 18

1.4 Các kết quả chính đã đạt được…………………………………………….. 18

1.5 Cấu trúc luận văn…………………………………………………………….. 19

Chương 2: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN…………………………………... 20

2.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 20

2.2 Một số khái niệm căn bản về thiết kế thí nghiệm……………………… 20

2.3 Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm……………………………………….. 26

2.4 Phương trình hồi quy và phân tích phương sai…………………………. 27

2.4.1 Phương trình hồi quy………………………………………………… 27

2.4.2 Phân tích phương sai…………………………………………………. 31

2.5 Sai số và khử sai số………………………………………………………….. 33

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.5.1 Sai số hệ thống…………………………………………………………

2.5.2 Sai số ngẫu nhiên……………………………………………………...

2.5.3 Sai số thô………………………………………………………………..

2.5.3.1 Phương pháp khử sai số thô…………………………………...

2.5.3.2 Khử sai số thô khi biết ………………………………………

2.5.3.3 Khử sai số thô khi chưa biết ………………………………..

34

34

34

34

35

35

2.6 Kết luận chương……………………………………………………………… 36

Chương 3: CĂN BẢN VỀ MINITAB…………………………………………… 37

3.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 37

3.2 Môi trường làm việc của MiniTab………………………………………... 37

3.3 Dữ liệu trong MiniTab……………………………………………………… 41

3.4 Kết luận chương……………………………………………………………… 44

Chương 4: THÍ NGHIỆM SÀNG LỌC…………………………………………. 45

4.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 45

4.2 Mục tiêu và yêu cầu…………………………………………………………. 46

4.3 Thiết kế thí nghiệm sàng lọc……………………………………………….. 46

4.4 Phân tích và xử lý dữ liệu thí nghiệm sàng lọc………………………… 56

4.5 Kết luận chương……………………………………………………………… 68

Chương 5: LEO DỐC TÌM VÙNG CỰC TRỊ..……………………………… 69

5.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 69

5.2 Mục tiêu và yêu cầu…………………………………………………………. 69

5.3 Thiết kế thí nghiệm leo dốc………………………………………………... 69

5.4 Xác định bước leo dốc tìm vùng chứa điểm cực trị………………….. 81

5.5 Kết luận chương……………………………………………………………… 83

Chương 6: THÍ NGHIỆM RSM…………………………………………………... 84

6.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 84

6.2 Mục tiêu và yêu cầu…………………………………………………………. 86

6.3 Thiết kế thí nghiệm RSM…………………………………………………... 86

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 http://www.lrc-tnu.edu.vn

6.4 Phân tích và xử lý dữ liệu thí nghiệm RSM……………………………..

6.4.1 Thí nghiệm đơn mục tiêu…………………………………………….

6.4.2 Thí nghiệm đa mục tiêu………………………………………………

92

92

103

6.5 Kết luận chương……………………………………………………………… 108

Chương 7: KẾT LUẬN…………………………………………………………….. 109

Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………… 111

Các ký hiệu viết tắt

RSM Lý thuyết tối ưu hóa bề mặt chỉ tiêu- Response Surface Methodology.

RLC-07 Cơ cấu rung RLC của tác giả Nguyễn Văn Dự, 2007

RLC-09 Cơ cấu rung RLC thực hiện bởi La Ngọc Tuấn, 2009

CCD Thiết kế phức hợp - Central Composite Design.

P-value Giá trị xác suất xác định ý nghĩa của hệ số ước lượng (Probability value)

α-level Mức ý nghĩa anpha

ANOVA Phân tích phương sai (Analysis of Variance)

P-B Thiết kế Placket-Burman

Pareto Biểu đồ Pareto

DOE Thiết kế thí nghiệm (Quy hoạch thực nghiệm - Design of Experiments)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Danh mục các hình ảnh

Hình Nội dung Trang

Hình 1.1 Mô hình thí nghiệm 13

Hình 2.1 Thí dụ về biểu đồ Pareto 23

Hình 2.2a Thí nghiệm leo dốc 24

Hình 2.2b Mô hình thí nghiệm leo dốc 24

Hình 2.3 Mô hình phân tích hồi quy 28

Hình 3.1 Màn hình chính của MiniTab® 38

Hình 3.2 Menu và Submenu của MiniTab® 39

Hình 3.3 Một DialogBox của MiniTab® 41

Hình 3.4 Mô hình thiết kế thí nghiệm sử dụng MiniTab® 41

Hình 4.1 Hộp thoại chính thiết kế thí nghiệm 49

Hình 4.2 Hộp thoại Display Avaiable Design 50

Hình 4.3 Hộp thoại Create Factorial Design - Designs 50

Hình 4.4 Bảng thiết lập các mức biến thí nghiệm sàng lọc 52

Hình 4.5 Mô hình thiết kế thí nghiệm 2 biến 52

Hình 4.6 Ngẫu nhiên hóa thí nghiệm 53

Hình 4.7 Bảng dữ liệu thí nghiệm sàng lọc 54

Hình 4.8 Hộp thoại Data Window Print Options 56

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 4.9 Hộp thoại phân tích dữ liệu thí nghiệm 57

Hình 4.10 Hộp thoại Analyze Factorial Design-Terms 57

Hình 4.11 Hộp thoại Analyze Factorial Design-Graphs 58

Hình 4.12 Bảng kết quả phân tích các ảnh hưởng chính 59

Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn các ảnh hưởng chính 60

Hình 4.14 Đồ thị Pareto các ảnh hưởng chính 61

Hình 4.15 Hộp thoại Analyze Factorial Design-Terms 62

Hình 4.16 Hộp thoại Analyze Factorial Design-Graphs 63

Hình 4.17 Bảng phân tích phương sai ANOVA 64

Hình 4.18 Bảng Residual Plots for Lực 64

Hình 4.19 Hộp thoại Factorial Plots 65

Hình 4.20 Hộp thoại Factorial Plots-Main Effects 65

Hình 4.21 Hộp thoại Main Effects Plot for Lực 66

Hình 4.22 Đồ thị tương tác các ảnh hưởng chính 67

Hình 5.1 Hộp thoại Create Factorial Design - Designs 72

Hình 5.2 Bảng thiết lập các mức biến thí nghiệm leo dốc 72

Hình 5.3 Ngẫu nhiên hóa thí nghiệm leo dốc 73

Hình 5.4 Dữ liệu thí nghiệm leo dốc 74

Hình 5.5 Hộp thoại phân tích dữ liệu thí nghiệm 75

Hình 5.6 Bảng phân tích các ảnh hưởn chính thí nghiệm leo dốc 75

Hình 5.7 Hộp thoại Analyze Factorial Design-Terms 76

Hình 5.8 Bảng phân tích phương sai thí nghiệm leo dốc 77

Hình 5.9 Hộp thoại Analyze Factorial Design-Terms 78

Hình 5.10 Hộp thoại Contour /Surface Plots 78

Hình 5.11 Hộp thoại đặt tên biểu đồ đường mức 79

Hình 5.12 Biểu đồ đường mức 79

Hình 5.13 Hộp thoại Contour /Surface Plots 80

Hình 5.14 Bề mặt chỉ tiêu thí nghiệm leo dốc 80

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 5.15 Khoảng cách dịch chuyển tại các bước leo dốc 83

Hình 6.1 So sánh thiết kế CCD và thiết kế Box-Behnken 86

Hình 6.2 Kết quả thí nghiệm toàn phần 2 mức vùng leo dốc 87

Hình 6.3

Kết quả phân tích hồi quy thí nghiệm toàn phần 2 mức

vùng leo dốc

88

Hình 6.4 Hộp thoại chính thiết kế thí nghiệm RSM 89

Hình 6.5 Mô hình thiết kế thí nghiệm CCD 89

Hình 6.6 Thiết kế thí nghiệm CCD 90

Hình 6.7 Thiết lập các mức cho các biến thí nghiệm CCD 90

Hình 6.8 Ngẫu nhiên hóa thí nghiệm CCD 91

Hình 6.9 Ma trận thí nghiệm CCD 91

Hình 6.10 Kiểm tra thí nghiệm CCD 92

Hình 6.11 Hộp thoại phân tích thí nghiệm CCD 93

Hình 6.12 Lựa chọn mô hình phân tích thí nghiệm CCD 94

Hình 6.13 Kết quả phân tích hồi quy thí nghiệm CCD 95

Hình 6.14

Loại bỏ ảnh hưởng tương tác không quan trọng trong thí

nghiệm CCD

96

Hình 6.15 Kiểm tra mức độ phù hợp của mô hình thí nghiệm CCD 97

Hình 6.16 Hộp thoại Contour/Surface Plots 97

Hình 6.17 Hộp thoại đặt tên biểu đồ đường mức 98

Hình 6.18 Biểu đồ đường mức thí nghiệm CCD 98

Hình 6.19 Hộp thoại Contour/Surface Plots 99

Hình 6.20 Bề mặt chỉ tiêu thí nghiệm CCD 99

Hình 6.21 Hộp thoại Response Optimizer 100

Hình 6.22 Hộp thoại thiết lập khoảng tối ưu hóa 101

Hình 6.23 Hộp thoại Response Optimizer-Options 101

Hình 6.24 Kết quả tối ưu hóa thí nghiệm 102

Hình 6.25 Đồ thị thí nghiệm kiểm chứng 102

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 6.26 Dữ liệu thí nghiệm RSM đa mục tiêu 104

Hình 6.27 Bề mặt chỉ tiêu hàm Q 105

Hình 6.28 Bề mặt chỉ tiêu hàm Rz 105

Hình 6.29 Hộp thoại lựa chọn hàm đa mục tiêu 106

Hình 6.30 Biểu đồ tối ưu hóa đa mục tiêu 106

Hình 6.31 Thiết lập giá trị hàm đa mục tiêu 107

Hình 6.32 Bảng thiết lập giá trị thông số đầu vào hàm đa mục tiêu 107

Hình 6.33 Kết quả cực trị hàm đa mục tiêu 108

Danh mục các bảng, biểu

Bảng Nội dung Trang

Bảng 2.1 Bảng phân tích phương sai ANOVA thí nghiệm 2 yếu tố có lặp 32

Bảng 3.1 Các dạng File của MiniTab® 43

Bảng 3.2 Ma trận thí nghiệm kiểu trực giao 2 yếu tố không lặp 43

Bảng 4.1 Các thông số thí nghiệm sàng lọc 49

Bảng 5.1 Các thông số thí nghiệm leo dốc 71

Bảng 5.2 Thí nghiệm leo dốc và kết quả 82

Bảng 6.1 Bảng giá trị α và điểm tâm cho một số thiết kế CCD 85

Bảng 6.2 Bảng thông số thiết kế thí nghiệm RSM đa mục tiêu 103

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 http://www.lrc-tnu.edu.vn

Chƣơng 1

GIỚI THIỆU

Chương này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cần thiết thực hiện của đề tài

nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả nghiên cứu đã đạt được.

Thí nghiệm và tầm quan trọng của thiết kế thí nghiệm cũng như tính cấp thiết

thực hiện đề tài được giới thiệu trong phần 1.1. Các nghiên cứu liên quan trong lĩnh

vực thiết kế thí nghiệm được tóm tắt trong phần 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

được giới thiệu trong phần 1.3. Tiếp theo, phần 1.4 sẽ trình bày các kết quả chính đã

đạt được của nghiên cứu này. Cuối cùng, cấu trúc của luận văn được tóm lược trong

phần 1.5.

1.1 Đặt vấn đề

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 [3].

Trong từ điển tiếng Việt, thí nghiệm có nghĩa là dùng thực hành mà thử một

việc gì cho rõ. Theo Montgomery [11], 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