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

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 Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cam đoan Tôi xin cam đoan kết trình bày luận văn thân thực hiện, chưa sử dụng cho khóa luận tốt nghiệp khác Theo hiểu biết cá nhân, chưa có tài liệu khoa học tương tự công bố, trừ thông tin tham khảo trích dẫn Trang Thành Trung Tháng 08 năm 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời cám ơn Lời xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn khoa học tôi, Tiến sỹ Nguyễn Văn Dự, giúp đỡ cho nhiều suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp Nếu tận tình bảo động viên thầy, luận văn có lẽ hoàn thành Tôi xin gửi lời cám ơn tới gia đình thầy tạo điều kiện tốt để thực thí nghiệm minh họa đề tài Tôi xin cám ơn tới Ban giám hiệu, Phòng TT-KT&ĐBCLGD Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện để tham gia hoàn thành khóa học Tôi xin chân thành cám ơn cô Phạm Thị Bông Trưởng phòng TT-KT&ĐBCLGD trường ĐHKTCN giúp đỡ thời gian công việc để hoàn thành luận văn Lòng biết ơn chân thành xin bày tỏ với người vợ yêu quý – Hoàng Thị Thu Giang, người đảm nhiệm thay chăm lo việc nhà chăm sóc, động viên suốt thời gian thực luận văn Thêm gái Trang Hoàng Anh, nguồn cổ vũ lớn trình hoàn thành đề tài Cuối cùng, xin cám ơn thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên hỗ trợ giúp đỡ thời gian học tập Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tóm tắt Luận văn trình bày cách có hệ thống tiến trình nghiên cứu thực nghiệm khí có trợ giúp máy tính Một ví dụ thực tế triển khai cấu rung-va đập RLC nhằm cung cấp minh họa tham khảo trực quan, dễ hiểu cho nghiên cứu khác Các khái niệm lý luận nghiên cứu thực nghiệm hệ thống hóa trình bày lại theo cấu trúc ngắn gọn, dễ hiểu Điều giúp người đọc cán kỹ thuật không chuyên toán, xác xuất thống kê dễ dàng hiểu rõ ứng dụng cho nghiên cứu Cách khai thác phần mềm thiết kế thí nghiệm thương mại cho thiết kế xử lý số liệu tóm tắt, có hình ảnh trực quan minh họa Điều giúp người đọc nhanh chóng sử dụng máy tính để xác lập bước, thông số để làm thí nghiệm Khó khăn kiến thức tin học hay kỹ tính toán loại bỏ Cách thức xây dựng kế hoạch thí nghiệm tay hay nhờ lập trình Matlab lâu làm thay hoàn toàn thao tác vận hành phần mềm ứng dụng thông thường Vấn đề khó khăn khởi đầu nghiên cứu thực nghiệm xác định biến thí nghiệm để đưa vào khảo sát Bài toán giải trọn vẹn nhờ kỹ thuật thiết kế thí nghiệm sàng lọc (Screening Design) Cách thức thiết kế xử lý liệu thí nghiệm diễn giải rõ ràng luận văn Bài toán tìm vùng cực trị cho trình, tham số điều khiển hệ thống, … thí nghiệm leo dốc giải thích cách dễ hiểu Thông qua ví dụ thực tế, người đọc dễ dàng áp dụng cho toán nghiên cứu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Kỹ thuật thiết kế xử lý thí nghiệm tối ưu hóa phương pháp bề mặt tiêu (RSM) tóm tắt, diễn giải minh họa ví dụ cụ thể Kết ứng dụng ưu việt tốc độ hội tụ độ xác, mà có ý nghĩa tham khảo tốt cho toán kỹ thuật khác Mục lục Trang Lời cam đoan………………………………………………………………………… Lời cám ơn…………………………………………………………………………… Tóm tắt………………………………………………………………………………… Các ký hiệu viết tắt………………………………………………………………… Danh mục hình ảnh, đồ thị……………………………………………… Danh mục bảng biểu…………………………………………………………… 10 Chương 1: GIỚI THIỆU…………………………………………………………… 11 1.1 Đặt vấn đề…………………………………………………………………… 11 1.2 Tổng quan thiết kế thí nghiệm…………………………………… 13 1.3 Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………………… 18 1.4 Các kết 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 thiết kế thí nghiệm……………………… 20 2.3 Các nguyên tắc thiết kế thí nghiệm……………………………………… 26 2.4 Phương trình hồi quy 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 khử sai số………………………………………………………… 33 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.5.1 Sai số hệ thống………………………………………………………… 34 2.5.2 Sai số ngẫu nhiên…………………………………………………… 34 2.5.3 Sai số thô……………………………………………………………… 34 2.5.3.1 Phương pháp khử sai số thô………………………………… 34 2.5.3.2 Khử sai số thô biết ……………………………………… 35 2.5.3.3 Khử sai số thô chưa biết ……………………………… 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 MiniTab……………………………………… 37 3.3 Dữ liệu MiniTab……………………………………………………… 41 3.4 Kết luận chương……………………………………………………………… 44 Chương 4: THÍ NGHIỆM SÀNG LỌC………………………………………… 45 4.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 45 4.2 Mục tiêu yêu cầu………………………………………………………… 46 4.3 Thiết kế thí nghiệm sàng lọc……………………………………………… 46 4.4 Phân tích xử lý 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 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 yêu cầu………………………………………………………… 86 6.3 Thiết kế thí nghiệm RSM………………………………………………… 86 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6.4 Phân tích xử lý liệu thí nghiệm RSM…………………………… 92 6.4.1 Thí nghiệm đơn mục tiêu…………………………………………… 92 6.4.2 Thí nghiệm đa mục tiêu……………………………………………… 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 tiêu- Response Surface Methodology RLC-07 Cơ cấu rung RLC tác giả Nguyễn Văn Dự, 2007 RLC-09 Cơ cấu rung RLC thực La Ngọc Tuấn, 2009 CCD Thiết kế phức hợp - Central Composite Design P-value Giá trị xác suất xác định ý nghĩa 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 Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Danh mục hình ảnh Hình Nội dung Trang Hình 1.1 Mô hình thí nghiệm 13 Hình 2.1 Thí dụ 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 MiniTab® 38 Hình 3.2 Menu Submenu MiniTab® 39 Hình 3.3 Một DialogBox MiniTab® 41 Hình 3.4 Mô hình thiết kế thí nghiệm sử dụng MiniTab® 41 Hình 4.1 Hộp thoại 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 mức biến thí nghiệm sàng lọc 52 Hình 4.5 Mô hình thiết kế thí nghiệm biến 52 Hình 4.6 Ngẫu nhiên hóa thí nghiệm 53 Hình 4.7 Bảng liệu thí nghiệm sàng lọc 54 Hình 4.8 Hộp thoại Data Window Print Options 56 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.9 Hộp thoại phân tích 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 phân tích ảnh hưởng 59 Hình 4.13 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng 60 Hình 4.14 Đồ thị Pareto ảnh hưởng 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 ảnh hưởng 67 Hình 5.1 Hộp thoại Create Factorial Design - Designs 72 Hình 5.2 Bảng thiết lập 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 liệu thí nghiệm 75 Hình 5.6 Bảng phân tích ảnh hưởn 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 tiêu thí nghiệm leo dốc 80 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 5.15 Khoảng cách dịch chuyển bước leo dốc 83 Hình 6.1 So sánh thiết kế CCD thiết kế Box-Behnken 86 Hình 6.2 Kết thí nghiệm toàn phần mức vùng leo dốc 87 Hình 6.3 Kết phân tích hồi quy thí nghiệm toàn phần mức vùng leo dốc 88 Hình 6.4 Hộp thoại 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 mức cho 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 phân tích hồi quy thí nghiệm CCD 95 Hình 6.14 Loại bỏ ảnh hưởng tương tác không quan trọng thí nghiệm CCD 96 Hình 6.15 Kiểm tra mức độ phù hợp 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 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 tối ưu hóa thí nghiệm 102 Hình 6.25 Đồ thị thí nghiệm kiểm chứng 102 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... ràng luận văn Bài toán tìm vùng cực trị cho trình, tham số điều khiển hệ thống, … thí nghiệm leo dốc giải thích cách dễ hiểu Thông qua ví dụ thực tế, người đọc dễ dàng áp dụng cho toán nghiên cứu... nghiên cứu thực nghiệm xác định biến thí nghiệm để đưa vào khảo sát Bài toán giải trọn vẹn nhờ kỹ thuật thiết kế thí nghiệm sàng lọc (Screening Design) Cách thức thiết kế xử lý liệu thí nghiệm diễn... 6.2 Kết thí nghiệm toàn phần mức vùng leo dốc 87 Hình 6.3 Kết phân tích hồi quy thí nghiệm toàn phần mức vùng leo dốc 88 Hình 6.4 Hộp thoại thiết kế thí nghiệm RSM 89 Hình 6.5 Mô hình thiết kế thí