Mô hình hóa và tối ưu hóa trong công nghệ hóa học và thực phẩm

Nguyễn Tấn Dũng Nguyễn Quang Vinh – Châu Thanh Tuấn MÔ HÌNH HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM (Sách chuyên khảo) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM, 2017 3 LỜI NÓI ĐẦU Cuốn sách[.]

Nguyễn Tấn Dũng Nguyễn Quang Vinh – Châu Thanh Tuấn MƠ HÌNH HĨA VÀ TỐI ƯU HĨA TRONG CƠNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM (Sách chuyên khảo) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM, 2017 LỜI NĨI ĐẦU Cuốn sách Mơ hình hóa Tối ưu hóa Cơng nghệ hóa học Thực phẩm biên soạn khơng ngồi mục đích sách chun khảo, giáo trình giảng dạy cho sinh viên, học viên sau đại học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM trường đại học thuộc khối kỹ thuật khác lĩnh vực Cơng nghệ hóa học, Cơng nghệ thực phẩm, Công nghệ nhiệt, Công nghệ môi trường số ngành kỹ thuật khác có liên quan Cuốn sách Mơ hình hóa Tối ưu hóa Cơng nghệ hóa học Thực phẩm nhóm tác giả Nguyễn Tấn Dũng, Nguyễn Quang Vinh Châu Thanh Tuấn biên soạn mang lại lợi ích cho độc sinh viên, học viên sau đại học, nghiên cứu sinh trường đại học tham khảo, tìm hiểu, tra cứu nghiên cứu vấn đề mơ hình hóa tối ưu hóa q trình cơng nghệ phục vụ cho sản xuất, đồng thời giúp người nghiên cứu giải vấn đề chuyên sâu, hàn lâm, phát tính cơng bố khoa học dựa tảng lý luận tốn học Qua đây, nhóm tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy, Khoa Cơng nghệ hóa học thực phẩm, thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng (BGH Trường ĐH SPKT TP HCM) khuyến khích, ủng hộ cho đời sách Vì khối lượng kiến thức nội dung sách lớn nên trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp độc giả để sách ngày hoàn thiện lần tái Mọi phản hồi xin gửi địa tandzung072@yahoo.com.vn, xin chân thành cám ơn Email: Các tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC HÌNH 10 DANH MỤC BẢNG 12 Chương 1: ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯỜNG CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT 17 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG 17 1.1.1 Định nghĩa 17 1.1.2 Các thông số sai số phép đo đại lượng ngẫu nhiên hay thông số kỹ thuật 17 1.1.2.1 Một số khái niệm 17 1.1.2.2 Sai số đo lường 17 1.1.2.3 Kỳ vọng toán học 18 1.1.2.4 Định luật cộng sai số 18 1.1.2.5 Ước lượng toán học 19 1.1.2.6 Phương sai 19 1.1.2.7 Đoạn tin cậy xác suất tin cậy 26 1.2 KIỂM ĐỊNH GIẢ THIẾT THỐNG KÊ 27 1.3 CƠ SỞ KHOA HỌC ĐÁNH GIÁ SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG 28 1.2.1 Sai số phép đo trực tiếp 28 1.2.2 Sai số phép đo gián tiếp 28 1.4 TÍNH SAI SỐ ĐO LƯỜNG CÁC THƠNG SỐ NHIỆT VẬT LÝ 30 1.4.1 Tính sai số đo lường xác định khối lượng riêng 30 1.4.1.1 Xác định sai số thiết bị đo gián tiếp 30 1.4.1.2 Xác định sai số thiết bị đo trực tiếp 31 1.4.2 Tính sai số đo lường nhiệt dung riêng 31 1.4.2.1 Xác định sai số thiết bị đo gián tiếp 31 1.4.2.2 Xác định sai số thiết bị đo trực tiếp 33 1.4.3 Tính sai số đo lường hệ số dẫn nhiệt 33 1.4.3.1 Xác định sai số thiết bị đo gián tiếp 33 1.4.3.2 Xác định sai số thiết bị đo trực tiếp 35 1.5 HỆ SỐ TƯƠNG QUAN 36 Chương 2: TIẾP CẬN HỆ THỐNG ĐỂ XÂY DỰNG MƠ TẢ TỐN CHO HỆ NGHIÊN CỨU 39 2.1 KHÁI NIỆM 39 2.2 HỆ THỐNG CÁC LOẠI MÔ HÌNH 39 2.2.1 Khái niệm mơ hình 39 2.2.2 Các loại mơ hình 39 2.2.2.1 Mô hình ngữ văn 39 2.2.2.2 Mơ hình đồ họa 40 2.2.2.3 Mơ hình vật lý (cũng gọi mơ hình vật thể) 41 2.2.2.4 Mơ hình tốn học 51 2.2.2.5 Mơ hình số hóa 53 2.3 KHÁI QT VỀ HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH HĨA 53 2.3.1 Hệ thống 53 2.3.2 Mơ hình hóa 55 2.3.2.1 Khái niệm mô hình hóa 55 2.3.2.2 Mơ hình hóa tốn học 55 2.3.2.3 Phân loại mơ hình tốn học 56 2.3.2.4 Mô tả tốn học đối tượng cơng nghệ 60 2.3.2.5 Các phương pháp xây dựng mơ tả tốn học – Mơ hình tốn học 64 2.4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 65 2.4.1 Khái niệm 65 2.4.2 Quy trình mơ 66 2.4.2.1 Xây dựng mơ hình tốn hệ thống 66 2.4.2.2 Xây dựng thuật toán giải mơ hình tốn 66 2.4.2.3 Chạy chương trình, kiểm tra lỗi lập trình thuật tốn 66 2.4.2.4 Kiểm tra tương thích mơ hình toán 66 2.4.2.5 Thực thử nghiệm phân tích kết 67 2.4.3 Ưu điểm hạn chế mô 68 2.4.3.1 Ưu điểm 68 2.4.3.2 Hạn chế 68 2.5 PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN HỆ THỐNG 68 Chương 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỐNG KÊ THỰC NGHIỆM MƠ TẢ TỐN CHO HỆ NGHIÊN CỨU 71 3.1 KHÁI NIỆM 71 3.1.1 Mơ hình hộp đen 71 3.1.2 Phương pháp nhận dạng dạng hàm xây dựng phương trình hồi quy 72 3.2 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY THỰC NGHIỆM 73 3.3 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM 83 3.3.1 Khái niệm 83 3.3.2 Mã hóa biến thực thành biến ảo 85 3.3.3 Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm 86 3.4 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRỰC GIAO CẤP 87 3.4.1 Thực nghiệm yếu tố toàn phần 87 3.4.2 Thực nghiệm yếu tố phần 96 3.5 QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM TRỰC GIAO CẤP 97 3.5.1 Các phương án cấu trúc có tâm 98 3.5.2 Phương án quay Box Hunter 110 3.5.3 Phương án thực nghiệm thông thường 120 3.5.4 Phương án thực nghiệm cổ điển để tìm tối ưu 124 Chương 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ TẢ CHO HỆ NGHIÊN CỨU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN 131 4.1 KHÁI NIỆM 131 4.1.1 Tại phải sử dụng phương pháp phân tích thứ nguyên để xây dựng mơ hình tốn 131 4.1.2 Ưu nhược điểm phương pháp phân tích thứ nguyên 131 4.1.3 Các thứ nguyên hệ hóa lý 132 4.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUYÊN 133 4.2.1 Định lý  133 4.2.2 Các bước mơ hình hóa phương pháp phân tích thứ nguyên 134 4.3 MỘT SỐ BÀI TOÁN MƠ HÌNH HĨA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THỨ NGUN 136 4.3.1 Bài toán 136 4.3.2 Bài toán 142 4.3.3 Bài toán 150 Chương 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN MƠ TẢ CHO HỆ NGHIÊN CỨU DỰA TRÊN CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN 157 5.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 157 5.2 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC 157 5.2.1 Các bước xây dựng mô hình tốn 157 5.2.2 Xây dựng mơ hình tốn mơ tả cho đối tượng cơng nghệ 158 Chương 6: TỐI ƯU HĨA XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ 201 6.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN 201 6.2 GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN TỐI ƯU 202 6.2.1 Bài toán tối ưu mục tiêu 202 6.2.2 Bài toán tối ưu đa mục tiêu 203 6.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU 204 6.3.1 Phương án không tưởng hiệu không tưởng 205 6.3.2 Phương án trội phương án bị trội 205 6.3.3 Phương án Pareto tối ưu 206 6.4 TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VỚI CÁC CHUẨN TỐI ƯU TỔ HỢP S VÀ R 206 6.4.1 Định lý Pareto tối ưu 206 6.4.2 Phương pháp điểm không tưởng 207 6.4.3 Phương pháp vùng cấm 208 6.5 TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU THEO PHƯƠNG PHÁP CHẬP TUYẾN TÍNH 210 6.6 TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VỚI CHUẨN TỐI ƯU TỔ HỢP CÁC HÀM THỎA DỤNG MỜ 212 6.7 TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU THEO PHƯƠNG PHÁP HARRINGTON 215 6.8 CHỌN PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA 217 6.9 BÀI TẬP ÁP DỤNG 219 6.9.1 Bài tập 219 6.9.2 Bài tập 231 TÀI LIỆU THAM KHẢO 241 PHỤ LỤC 246 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình hộp đen nghiên cứu thực nghiệm 19 Hình 2.1 Tín hiệu ngõ tầng khuếch đại 40 Hình 2.2 Mơ hình vật thể truyền nhiệt dạng phẳng 59 Hình 2.3 Sơ đồ đối tượng công nghệ 60 Hình 2.4 Tốn tử cơng nghệ 61 Hình 2.5 Tốn tử cơng nghệ dạng vector 62 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình mơ giải mơ hình tốn 67 Hình 2.7 Sơ đồ logic tiếp cận hệ thống đối tượng công nghệ cần nghiên cứu [11, 12, 13, 14, 29] 69 Hình 3.1 Mơ hình hộp đen nghên cứu thực nghiệm 71 Hình 3.2 Đối tượng cơng nghệ 87 Hình 3.3 Đối tượng cơng nghệ trích ly dầu từ bơ 88 Hình 3.4 Đối tượng công nghệ sấy chân không bột gấc 92 Hình 3.5 Đối tượng cơng nghệ 96 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm; a) Phương án cấu trúc có tâm cấp 2, hai yếu tố; b) Phương án cấu trúc có tâm cấp 2, ba yếu tố 99 Hình 3.7 Đối tượng cơng nghệ lạnh đơng tơm sú 100 Hình 3.8 Đối tượng công nghệ sấy thăng hoa tôm sú 104 Hình 3.9 Đối tượng cơng nghệ sản xuất bột amino acide 114 Hình 3.10 Đối tượng công nghệ xử lý nước thải 122 Hình 3.11 Đối tượng cơng nghệ cần nghiên cứu 124 Hình 3.12 Quan hệ y = f(x1) x2 = 450C 127 Hình 3.13 Quan hệ y = f(x2) x1 = 10 mg/kg 127 Hình 3.14 Quan hệ y = f(x1) x2 = 550C 128 Hình 3.15 Quan hệ y = f(x2) x1 = 11 mg/kg 129 Hình 3.16 Quan hệ y = f(x1) x2 = 560C 129 Hình 3.17 Quan hệ y = f(x2) x1 = 11,5 mg/kg 130 10 ... HÌNH HĨA VÀ TỐI ƯU HĨA TRONG CƠNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM (Sách chuyên khảo) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM, 2017 LỜI NÓI ĐẦU Cuốn sách Mơ hình hóa Tối ưu hóa Cơng nghệ hóa học Thực phẩm. .. sinh viên, học viên sau đại học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM trường đại học thuộc khối kỹ thuật khác lĩnh vực Cơng nghệ hóa học, Cơng nghệ thực phẩm, Công nghệ nhiệt, Công nghệ môi trường... sách Mơ hình hóa Tối ưu hóa Cơng nghệ hóa học Thực phẩm nhóm tác giả Nguyễn Tấn Dũng, Nguyễn Quang Vinh Châu Thanh Tuấn biên soạn mang lại lợi ích cho độc sinh viên, học viên sau đại học, nghiên