Tối ưu hóa đa tiêu chuẩn trong chế tạo máy

LÊ NGỌC HƯỞNG LÊ NGỌC HƯỞNG {Biên Tôì ƯU HOÁ ĐA TIÊU CHUẨN TRONG CHÊ TẠO MÁY NHÀ XUẤT BAN HAI ph ò n g - 2003 LÒI NÓI ĐẦU Trong thời gian từ tháng Giêng đến tháng Hai năm 199J tôi có dịp đi giảng bài về vấn đề “Tối ưu hoá đa tiêu chuẩn " tại một số công ty và trường đại học ở Mỹ. Việc tiếp xúc với những người đang làm việc cho công ty củng như thảo luận với các chuyên gia trong các lĩnh vực đã thuyết phục tôi viết cuốn sách này cho các độc giả Mỹ. Mặc dù vấn đề đã được rất nhiều cuốn sách và các bài nghiên cứu đề cập tới ở các mức độ khác nhau, song tôi vẫn chưa thoả mãn về kết quả giải các bài toán tôi ưu hoá chế tạo và cho rằng những kết quả đó chưa gây được ấn tượng. Hơn nữa, còn cố một số phương pháp tối ưu hoá khác nhau. Trong khi giải quyết các bài toán tối ưu hoá, người ta thường giả định rằng vấn đề đã được nêu ra và chỉ cần tìm ra giải pháp. Thực ra, điểu đỏ không đúng với phần lớn các bài toán tối ưu hoá. Thậm chí nếu có ai đỏ có mô hình toán học tương ứng đẽ sử dụng thi đó là trường hợp hiếm hoi và điều này củng không đảm. bảo thành công. Trong các bài toán có các tiêu chuản mâu thuẫn nhau, đó là những bài toán điển hình trong tối ưu hoá chê tạo, nhà thiết kế phải đương dầu với những khù khăn khách quan trong việc dưa ra những ràng buộc đối với các biến thiết kê và các tiêu chuẫn hoạt động. Tuy nhiên, các 5 ràng buộc này lại là những yếu tô quyết định phần lớn đến tập hợp các giải pháp khả thi thoa mãn tất cả những yêu cầu cần thiết đỏi với vật thể được thiết kế. Nếu không xây dựng tập hợp các giải pháp này thi mọi nỗ lực đế tim giải pháp tối ưu cho vấn để thực tế thường không có hiệu quả. Cả cuốn sách lẫn các vấn đề được xem xét trong cuốn sách được mang đến cuộc sống thông qua ý nghĩa thực tiễn của các bài toán được xem xét và đây chính là phần chủ yếu của cuốn sách. Mặc dù khá đa dạng, nhưng tất cả các bài toán này đều có một đặc trưng chung đỏ là đẽ giải quyết chúng điều trước tiên là phải tìm ra tập hợp các giải pháp khả thi. Trọng tăm của cuốn sách lả phương pháp diều tra (tim) không gian tham sô (được gọi là phương pháp PSI) có ỷ nghĩa cho cuộc sống bởi sự cần thiết của việc đưa ra và giải các bài toán tối ưu hoá chê tạo một cách đúng đắn. Cách tiếp cận đa tiêu chuản cho phép chúng ta giải thích theo một cách mới các bài toán quan trọng được nhiều người biết đến như: xác định và phát triển hoạt động của các nguyên mẫu được thiết kê đê sản xuâỉ theo từng đợt hoặc sản xuât hàng loạt và phát triền các phương pháp mới đê tìm ra giải pháp cho các bài toán. Các vấn đề được xem xét trong cuốn sách nay lù các vấn đề quan tâm muôn thuở của các nhà thiết kế, kỹ sư và các nhà phân tích liên quan đến công việc chế tạo máy móc, các cấu trúc, kết cấu, thiết bị. 6 Hiện nay, phương pháp PSI được sử dụng rất hiệu quả trong nhiều lĩnh vực hoạt động của con người. Cuốn sách này giúp bạn đọc phương Tây làm quen với một sô kết qu.ở, thực tiễn của việc áp dụng phương pháp này. Chúng ta đang sông trong một thế giới rộng lớn của các bài toán đa tiêu chuàn thực. Trước đảy, chúng ta được học vè chúng ở phạm vi dơn tiêu chuản và vì thế ở dạng sai lệch. Tuy nhiên, không quá khi nói rằng thế giới cẩn phải được nhìn nhận thực như nó có bởi vì điều đó rât quan trọng đôi với cuộc sông của chúng ta. Nhiều năm trước đây, tôi được mời đến vùng Trung Á giảng bài. Khi nói ở Tast-ken, u-dơ-bè-ki-xtan, tôi chú ý đến một ông già ngái ngủ trông rất giông một nhà hiền triết phương Đông. Ông đội một chiếc khăn xếp và ngồi hoàn toàn bát, động với đôi mắt nhắm. Tôi đang nói về các bui toán ra quyết định và trình bày một ví dụ. Tôi nói: “Giả sử có năm cô dâu đang đứng trước mặt anh và anh phải chọn người xinh đẹp nhất". Tôi thật ngạc nhiên khi ông già đến gần tôi sau bài giảng và nói: “0 Thánh A~la, tôi nghĩ là không ai biết làm điều đó bởi vì nếu khổng người ta đà không hành động ngớ ngân như vậy. Nhưng câu hỏi thực sự ở đây là tại sao anh lại cho rằng người, ta phải chọn một trong số những phụ nữ đại diện mà lại không phải là những người khác?". Với một cáu duy nhất, người đàn ông đã nhấn mạnh vào tầm quan trọng ràt lớn của các bài toán tim các giải pháp khả thi. 7 Trước chúng tôi, người đồng tác giả và tôi đã nhận được sự quan tâm, chú ý và hương ứng nhiọ.t tinh của. độc giả. Chúng tôi rất muôn viết cuốn sách này là hy vọng rằng cuốn sách này sẽ giúp ích cho các nhả thiết kế trong công việc của minh. R.STATNIKOV 8 LÒI DỊCH GIẢ • Cống nghiệp chế tạo máy ở Việt Nam đang vươn lên, vượt nhiều khó khăn nhằm thực hiện tốt nhiệm vụ trung tâm lả cổng nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước đế đến năm 2020 Việt Nam trở thành một nước công nghiệp phát trien như Nghị quyết Đại hội Đảng IX đề ra, bắt kịp nhịp độ phát triền của thế giới, trong đó có ngành chế tạo máy. Ngày nay, hệ thống các tiêu chuẩn quy định và yêu cầu trong công nghệ chế tạo máy ngày càng đòi hỏi khắt khe, đáp ứng các nhu cầu thực tiễn sản xuất đa dạng của nền kinh tê hiện đại. Do đó, Việt Nam phải ưu tiên cho công nghiệp chê tạo của minh để có thể bứt phá vươn lên đi tắt đón đầu nhanh chóng đạt được trình độ chung của công nghệ thế giới. Ngay từ bây giờ, bằng mọi cách, cần phải ứng dụng tối ứu hóa các bước, các khâu trong các giải pháp từ thiết kế đến chế tạo từng chi tiết; từng mẫu máy với sự đáp ứng đầy đủ nhất của hệ thống đa tiêu chiẩn tối ưu nhất hiện nay. Vậy hệ thông những tiêu chuản ấy là gỉ? Bằng phương pháp nào tôi ưu hoá đa tiêu chuẩn đó trong chế tạo may ? Đổ chính là điều được nhắm tới để giải quyết trong nội dung của cuốn sách này; với nhan đề: ”Tôi ưu hoá da tiêu chuãn trong chê tao máy" do Tiến sĩ 9 Lê Ngọc Hưởng biên dịch và PGS - TS Trần Đắc Sửu cùng các Tiến sĩ Lê Viết Lượng, Quản Trọng Hùng hiệu đính. Cuốn sách này gồm 6 chương và nhiều phụ lục-bảng dẫn, chứng minh. Chương I: Tối ưu hoá đa tiêu chuàn và phương pháp PSI. Chương II: Phép làm gần đúng tập hợp các biện pháp khả thi và tập hợp tối ưu Pareto. Chương III: Phân chia và tổng hợp các hệ thống quy mô lớn. Chương TV: Xác định đa tiêu chuẩn các mò hình toán và các bài toán phát triển hoạt động. Chương V: Xác định các biếu thiết kế có ỷ nghĩa. Chương VI: Các ví dụ về tối ưu hoá các náy móc và các hệ thống phức tạp khác. T.s LÊ NGỌC HUỎNG 10 PHẨN GIỚI THIỆU TỐI ƯU HOÁ TRONG CÁC BÀI TOÁN CHẾ TẠO phần lớn các bài toán chế tạo cơ bản là đa tiêu chuẩn. Trong khi thiết kế các máy công cụ, máy bay, ô tỏ, tàu thuỷ và đầu máy chúng ta phải tính đến việc làm thế nào để tăng tối đa năng suất, sức mạnh, độ tin cậy, tuổi thọ, hiệu quả và hệ số sử dụng chúng. Đồng thời chúng ta cũng cỏ gắng giảm độ rung, tiếng ổn, chi phí sản xuất và bảo dưỡng, giảm số lần hư hỏng, tiêu hao nhiên liệu và nguyên liệu Thông thường, các tiêu chuẩn hoạt động của một hệ thống chế tạo hay mâu thuẫn nhau theo nghĩa là tình trạng một số kết quả được cải thiện còn một số khác lại xấu đi. Hiện tại, hằng năm thế giới sản xuất ra hàng chục triệu máy móc, kết cấu, các cấu trúc, người máy (rôbốt) và các máy thao tác cũng như các sản phẩm đắt tiền như các trạm thử vũ khí hạt nhàn và tàu vũ trụ. fíi) chế tạo các máy móc có tính cạnh tranh người ta phải sử dụng công nghệ tiên tiến, nguyên liệu, thiết bị, các bộ vi xử lv (máy tính) Tuv nhiên, cổng việc mới chỉ bắt đầu ở việc thiết kế vốn dược coi là khâu quan trọng nhất trong quá trình tạo ra các máy móc và hệ thống máy móc hiện đại. Rõ ràng một máy móc tối ưu không thể được tạo ra trên cơ sở của một thiết kế loại 2. Nếu như các máy móc được đổi mới trong vòng từ 5 đến 7 năm thì một thiết kế không những phải tối ưu mà còn phải được hoàn thành đạt kết quả trong thời gian ngắn nhất có khi chỉ vài tháng. 11 Tuy nhiên, một thiết đế đầu tiên thường dự đoán là tièu hao nguyên liệu quá mức, mức độ tiếng ổn gây nguy hiếm, độ rung cao, độ tin cậy thấp, tuổi thọ và công suất không tương xííng, tất cả đưa đến sự tiêu hao năng lượng quá mức, gây ồ nhiễm cho môi trường ở mức độ không chấp nhận được và làm cạn kiệt nhanh chóng các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Có điều này là do thực tế tối ưu hoá vẫn chưa trở thành một chính sách kỹ thuật. Để khẳng định điều này cần nói rằng sự tối ưu hoá các tham số kết cấu của các máy móc được sản xuất theo từng đợt hay sản xuất hàng loạt có thể cho kết quả là giảm sự tiêu hao năng lượng và nguyên liệu không dưới 15%, và hạ thấp chi phí 20%. Điểu này làm cho tối ưu hoá được xem như một chính sách kỹ thuật, một sự cần thiết khách quan xuất phát từ sự tãng trưởng mạnh mẽ của sản xuất máy móc trong vòng 40 - 50 năm qua. Cách đây khoảng 20-30 năm, các phương pháp lập trình phi tuyến đột nhiên trở nên phổ biến. Nhiều công trình được xuất bản trong đó các bài toán thiết kế tối ưu cơ bản được thu gọn lại, còn lại là các bài toán tối ưu hoá theo truyền thống. Người ta hy vọng rằng thời đại tối ưu hoá toàn bộ sẽ tới và các nhà máy sẽ sớm bắt đầu sản xuất các ô tô và các máy công cụ tối ưu. Tuy nhiên, những hy vọng này đã tiêu tan dấn do các kết quả của việc sử dụng cấc mô hình toán về tối ưu hoá trong việc giải quyết các bài toán chế tạo cho thấy là khóng có ý nghĩa: “Đầu voi đuôi chuột”, bất chấp thực tế là rất nhiều phương pháp tối ưu hoá hàng đầu đã được phát triển. Phân tích kỹ các bài toán chế tạo đã được giải quyết cho thấy các vấn để tối ưu hoá vẫn chưa được giải quyết tốt. Đê điểu trị 12 [...]... pháp tối ưu trong các doanh nghiệp, chúng tôi còn hực hiện nhiều khoá giảng dạy về “Thiết kế máy móc đa tiêu 'huíữr ở nhiều nước Cuốn sách này được viết cho nhiều đối tiợng độc giả, từ những sinh viên đại học đến các nhà nghiên cứt, các kỹ sư và tất cả những ai đã, đang và sẽ phải giải quyết các bài toán tối ưu hoá chế tạo Đây là một trong những công trình đầu tiên nghiên cứu các vấn đề đa tiêu chuẩn trong. .. luận dứt khoát Trong quá trình chế tạo hàng loạt và chế tạo theo tìm* đạt các máy móc và kết cấu liên quan đến các nguồn nhiên liệu diổng lồ và chi phí cho nhũng thất bại rất cao (do mất thị trường, íản phẩm không cạnh tranh được, sớm thất bại hoặc các tình huúig khẩn cấp) thì việc tối ưu hoá đa tiêu chuẩn trở nên cần thiết Phương pháp PSI dược thực hiện hoá ờ dạng tối ưi hoá đa tiêu chuẩn và các chương... nhiều tiêu chuẩn Thường người ta tập trung vào việc thu gọn các bài toán đa tiêu chuẩn xuống thành các bài toán có 1 tiêu chuẩn Thí dụ, năng suất của một máy là một chỉ số quan trọng Tuy nhiên, có nên làm cho I1Ó luôn ở mức tối đa hay không? Ngoài ra, việc hình thành bài toán đơn tiêu chuẩn lại hay bỏ qua những câu hỏi rất quan trọng như: Cái giá của năng suất tối đa là gì? Điều này làm giảm di các tiêu. .. V e {l, ,kỊ' Một Ị, tập hợp p c D được gọi là tối ưu Pareto nếu như nó bao hàm các điểm tối ưu Pareto Tạp hợp tối ưu Pareto đóng một vai trò quan trọng trong các bài toán tối ưu hoá véc tơ bởi vì: (1) Nó có thể được phân tích đễ dàng hơn tập hợp các giải pháp khả thi; và (2) véc tơ tối ưu thường xuyên thuộc vào tập hợp tối ưu Pareto, bất kể hê thông các ưu tiên được nhà thiết kế sử dụng để so sánh cắc... di các tiêu chuẩn hoạt động đến mức nào? Tại sao một tiêu chuẩn lại được ưa chuộng hon nhiều tiêu chuẩn khác? 23 Những cố gắng đế xây dựng một tiêu chuẩn chung dưứi dạng kết hợp các tiêu chuẩn cụ thể đã cho thấy là thất bại Thông qua việc biến một bài toán đa toán một tiêu chuẩn chung, chúng ta thay bằng một bài toán khác có ít điểm chung ràng là chúng ta phải luôn cố gắng đưa vào cả các tiêu chuấn... các bài toán tối ưu hoá chế tạo Điéu đáng chú ý là sự khó xác định của bài toán tối ưu hoá chế tạo có thể không phải clìỉ do việc sử dụng mô hình toán không phù hợp Nhiéu khi một bài toán tối ưu hoá cho thấy là khó xác định mặc dù mô hình toán đúng Hơn nữa, các nhà thiết kế thường chú ý nhiều đến việc xây dựng mô hình toán học phù hợp, nên hiện nay các vấn đề trong xây dựng một bài toán tối ưu hoá (bài... đóng, và các tiêu chuẩn v(a) liên tục, thì tập hợp tối ưu Pareto không rỗng Vì vậy, khi giải bài toán tối ưu hoá đa tiêu chuẩn, người ta thường phải tìm tập hợp các giải pháp tối ưu Pareto Mặc dù các lập luận này cho việc thiết lập bài toán khá rõ ràng, nhưng một số cách thiết lập khác thường được sử dụng trong thực tiễn Tiếp theo, chúng ta phân tích ba cách khác và chỉ ra những hạn chế của chúng... sách các tiêu chuẩn hoạt động để tìm ra giải pháp tiếp theo cho các vấn đề tối ưu hoá Phương pháp xác định đa tiêu chuẩn được dưa ra trong cuốn sách này cho phép giải được một bài toán ứng dụng quan trọng 16 trong phát triến hoạt độns (cai tiên) nguyên mẫu Ý nghĩa của vấn đề này được nhấn mạnh thông qua thực tế là chi phí phát triển hoạt động thường tương ứng với chi phí đế chế tạo ra một máy mới Cấc... l l 27 Nếu các hàm fị(a) và Oị(oc) là các hàm liên tục trong các tập hợp G và D là các tập hợp đóng n thì Chúng ta hãy thiết lập một trong những bài toán cơ bản của tối ưu hoá đa tiêu chuẩn Trước hết cần phải tìm một tập hợp p . HUỎNG 10 PHẨN GIỚI THIỆU TỐI ƯU HOÁ TRONG CÁC BÀI TOÁN CHẾ TẠO phần lớn các bài toán chế tạo cơ bản là đa tiêu chuẩn. Trong khi thiết kế các máy công cụ, máy bay, ô tỏ, tàu thuỷ và đầu máy chúng ta phải. ƯU HOÁ ĐA TIÊU CHUẨN TRONG CHÊ TẠO MÁY NHÀ XUẤT BAN HAI ph ò n g - 2003 LÒI NÓI ĐẦU Trong thời gian từ tháng Giêng đến tháng Hai năm 199J tôi có dịp đi giảng bài về vấn đề Tối ưu hoá đa tiêu. thì việc tối ưu hoá đa tiêu chuẩn trở nên cần thiết. Phương pháp PSI dược thực hiện hoá ờ dạng tối ưi hoá đa tiêu chuẩn và các chương trình xác định véc tơ (đa tiêi chuẩn) (MOVI) được tạo nên