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 [...]... 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 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 1.2 Tổng quan về thiết. .. thác phần mềm chuyên dụng Minitab® cho thiết kế thí nghiệm, minh họa bằng các ví dụ cụ thể - Ứng dụng cho một ví dụ nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể là tìm điểm cộng hưởng của cơ cấu rung va đập RLC-09 [7] 1.4 Các kết quả chính đã đạt đƣợc Các kết quả chính đã đạt được bao gồm: - 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 dụ minh họa... biệt là cho lớp bài toán cực trị trong kỹ thuật Vì vậy, việc hệ thống hóa tiến trình thiết kế thí nghiệm cho lớp bài toán này và hướng dẫn sử dụng máy tính hỗ trợ phục vụ người làm thí nghiệm không chuyên về tin học là cần thiết Đề tài này được thực hiện nhằm giải quyết vấn đề đó 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài đặt mục tiêu chính là hướng dẫn cho người làm kỹ thuật từng bước làm thiết kế thí nghiệm, ... 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 Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ các Trường Đại học... một quá trình kiểm nghiệm hay một chuỗi các kiểm nghiệm mà trong đó, các thông số đầu vào của một quá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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. .. 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 Thí nghiệm rất quan trọng nhưng muốn làm thí. .. tiến trình từng bước thiết kế thí nghiệm cho lớp các bài toán cực trị 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. .. đâu và khi nào thì kết thúc Các mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 http://www.lrc-tnu.edu.vn - Hệ thống hóa các bước của tiến trình thiết kế thí nghiệm theo các tài liệu thiết kế thí nghiệm trên thế giới; - Xây dựng trình tự, tóm tắt các giai đoạn, hướng dẫn xử lý và phân tích số liệu thí nghiệm cho bài toán cực trị; - Khai thác phần mềm chuyên dụng. .. mềm ứng dụng phổ biến nhất để thiết kế thí nghiệm là phần mềm MiniTab, phần mềm này sẽ được giới thiệu ở Chương 3 Trình tự từng bước, ứng dụng phần mềm MiniTab để tiến hành tìm cực trị theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu bao gồm: Thí nghiệm sàng lọc, Leo dốc tìm vùng cực trị, Thiết kế thí nghiệm RSM để xác định điểm tối ưu sẽ lần lượt được trình bày trong Chương 4, Chương 5 và Chương 6 Các kết luận và. .. thiết kế thí nghiệm Phần 2.2 tiếp theo sẽ trình bày một số khái niệm cơ bản về thiết kế thí nghiệm Các nguyên tắc về thiết kế thí nghiệm sẽ được trình bày trong phần 2.3 Cơ sở lý thuyết của việc xử lý dữ liệu thí nghiệm dựa trên lý thuyết về phương hồi quy và phân tích phương sai, hai vấn đề quan trọng này sẽ được trình bày tóm lược trong phần 2.4 Trong quá trình làm thí nghiệm người làm thí nghiệm không . 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 thực hiện trực tiếp nhằm minh hoạ cho tiến trình thiết kế và xử lý thí nghiệm. . 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. khảo và ứng dụng cho nghiên cứu thực nghiệm của mình. 1.2 Tổng quan về thiết kế thí nghiệm Như trên đã trình bày, thí nghiệm nhằm mục đích tìm hiểu mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của