Ngày nay chỳng ta thường đề cập tới phương phỏp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Song điều đú khụng làm giảm bớt vai trũ và vị trớ của nghiờn cứu thực nghiệm. í nghĩa của nghiờn cứu lý thuyết thường được giới hạn ở tỏc dụng định hướng ban đầu, hỗ trợ giảm bớt khối lượng cụng việc, rỳt ngắn thời gian cho nghiờn cứu thực nghiệm. Trong khi đú thực nghiệm cũn cú tỏc dụng trở lại, bổ sung cho kết quả nghiờn cứu lý thuyết, xỏc định rừ hơn cơ chế của hiện tượng.
Vai trũ của thực nghiệm càng lớn trong khoa học cụng nghệ thỡ mục tiờu đề
ra cho chỳng càng cao. Chớnh thực nghiệm cũng cú nhu cầu phỏt triển. Vỡ thế, nú đó trở thành đối tượng nghiờn cứu một ngành khoa học.
Đó cú một thời gian dài, khi cỏc phương phỏp thớ nghiệm tỡm điều kiện để tối
ưu cỏc quỏ trỡnh chưa được hỡnh thức húa. Người làm thực nghiệm chỉ dựa vào kinh nghiệm và trực giỏc để chọn hướng nghiờn cứu. Cỏc thớ nghiệm được tiến hành bằng phương phỏp cổđiển: lần lượt thay đổi từng thụng số, trong khi giữ nguyờn cỏc yếu tố
giữa chỉ tiờu đỏnh giỏ và cỏc yếu tố ảnh hưởng một cỏch riờng biệt khi làm thực nghiệm một cỏch riờng rẽ theo từng yếu tố. Khi cỏc yếu tốảnh hưởng tăng lờn nhiều lần. Mặc dự cú trong tay một tập hợp cỏc phương trỡnh thực nghiệm đơn yếu tố, nhưng vỡ chỳng chỉ là những trường hợp riờng nờn khụng cho kết luận chặt chẽ về mức độảnh hưởng của từng yếu tố trong mối tỏc động qua lại giữa chỳng, cũng khụng thể tỡm kiếm phương ỏn phối hợp tối ưu cỏc yếu tốảnh hưởng. Ngoài ra nhược điểm cơ bản của cỏc phương phỏp cổ điển là khi nghiờn cứu khụng thấy được hướng chuyển dịch khi tỡm cỏc điều kiện tối ưu của quỏ trỡnh. Vỡ vậy chỳng được gọi là ’’thực nghiệm thụđộng“. Giai đoạn đầu tiờn của quy hoạch thực nghiệm được hỡnh thành cựng với sự
phỏt triển của phõn tớch phương sai.
Giai đoạn phỏt tiển thứ hai của quy hoạch nghiệm được đỏnh dấu bởi sự
xuất hiện của quy hoạch thực nghiệm cực trị, dựa trờn cơ sở lý thuyết thực nghiệm cực trị toỏn học phỏt triển trong những năm 1950. Đi tiờn phong trong lĩnh vực này là Box, Wilson, Hunter, Kiefer...
Ở Việt Nam, quy hoạch thực nghiệm được bắt đầu ứng dụng từ những năm 70 của thế kỷ XX.
Ưu điểm rừ rệt của quy hoạch thực nghiệm là:
1. Giảm đỏng kể số lượng thớ nghiệm cần thiết. Giảm thời gian tiến hành thớ nghiệm và chi phớ phương tiện vật chất.
2. Hàm lượng thụng tin nhiều hơn rừ rệt nhờ đỏnh giỏ được vai trũ của tỏc
động qua lại giữa cỏc yếu tố và ảnh hưởng của chỳng đến hàm mục tiờu. Nhận được mụ hỡnh toỏn hoạc thống kờ thực nghiệm, đỏnh giỏ được sai số thớ nghiệm theo cỏc tiờu chuẩn thống kờ cho phộp xột ảnh hưởng của cỏc yếu tố với mức độ tin cậy cần thiết.
3. Cho phộp xỏc định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của đối tượng nghiờn cứu một cỏch khỏ chớnh xỏc bằng cỏc cụng cụ toỏn học, thay cho cỏch giải gần
đỳng, tỡm tối ưu cục bộ nhưở cỏc thực nghiệm thụđộng.
Theo nghĩa rộng, quy hoạch thực nghiệm là tập hợp cỏc tỏc động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai đoạn đầu đến giai đoạn kết thỳc của quỏ trỡnh nghiờn cứu đối tượng (từ nhận thụng tin mụ phỏng đến việc tạo ra mụ hỡnh toỏn,
xỏc định cỏc điều kiện tối ưu), trong điều kiện đó hoặc chưa hiểu biết đẩy đủ về chơ
chế của đối tượng.
Đối tượng nghiờn cứu của quy hoạch thực nghiệm trong cỏc ngành cụng nghệ thường là một quỏ trỡnh hoặc hiện tượng nào đú cú những tớnh chất, đặc điểm chưa biết cần nghiờn cứu. Người nghiờn cứu cú thể chưa hiểu biết đầy đủ về đối tượng nhưng đó cú một số thụng tin tiờn nghiệm dự chỉ là sự liệt kờ khỏi lược những yếu tố biến đổi, ảnh hưởng đến tớnh chất đối tượng.
Do đối tượng nghiờn cứu của quy hoạch thực nghiệm thường là những hệ
phức tạp, với cơ chế chưa được hiểu biết đầy đủ nhờ cỏc mụ hỡnh lý thuyết, nờn cú thể hỡnh dung chỳng như một ’’hộp đen’’.
Phương phỏp toỏn học trong xử lớ số liệu từ kế hoạch thực nghiệm là phương phỏp toỏn học thống kờ. Vỡ vậy cỏc mụ hỡnh biểu diễn hàm mục tiờu chớnh là cỏc mụ hỡnh thống kờ thực nghiệm.
Đặc tớnh cơ bản của mọi mụ hỡnh thống kờ thực nghiệm là ở chỗ chỳng khụng thể mụ tả chớnh xỏc hành vi của đối tượng theo giỏ trị trung bỡnh, đặc trưng cho tớnh chất ngẫu nhiờn của đối tượng. Cỏc tớnh chất này cú thể bộc lộ đầy đủ khi lặp lại nhiều lần thớ nghiệm trong điều kiện khụng đổi.
Trong tập hợp cỏc mụ hỡnh thống kờ khỏc nhau, mụ hỡnh đực quan tõm nhiều nhất trong thực tế là mụ hỡnh hồi quy (mụ hỡnh của phaantichs hồi quy).
Cỏc mụ hỡnh cụ thểđược thể hiện như kết quả khai triển một hàm chưa biết thành dóy cỏc hàm cơ sở theo một hệ thống nào đú. Trong quy hoạch thực nhiệm người ta chọn hệ thống này ở dạng đa thức, vỡ thế mụ hỡnh toỏn ởđay là mụ hỡnh hồi quy đa thức, cú bậc khỏc nhau. Mụ hỡnh bậc một cũn gọi là tuyến tớnh được cho bởi đa thức bậc một đối với cỏc yếu tố vào. Mụ hỡnh bậc hai cũn gọi là phi tuyến,
được biểu diễn bằng đa thức bậc hai đối với cỏc yếu tố vào...
Để xỏc định cỏc tham số của mụ tả thống kờ thực nghiệm ta phải làm cỏc thực nghiệm theo kế hoạch thực nghiệm.
Đối tượng nghiờn cứu chớnh của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm là cỏc thực nghiệm chủ động. Đú là cỏc thực nghiệm chỉ bao gồm cỏc yếu tố vào thuộc
nhúm biến kiểm tra được và điều khiển được, người thực nghiệm chủđộng thay đổi chỳng theo kế hoạch thực nghiệm đó vạch sẵn.
Tựy theo mục đớch và nhiệm vụ, cỏc thực nghiệm chủ động cú thể chia thành: thực nghiệm sàng lọc, thực nghiệm mụ phỏng, thực nghiệm cực trị.
Thực nghiệm cực trị cú thể coi là loại thực nghiệm được phỏt triển từ thực nghiệm mụ phỏng. Nhiệm vụ của nú là xõy dựng mụ hỡnh toỏn thực nghiệm, theo
đú xỏc định giỏ trị tối ưu của hàm mục tiờu và cỏc tọa độ tối ưu của hàm. Núi cỏch khỏc là xỏc định bộ kết hợp giỏ trị cỏc yếu tố vào mà tại đú hàm mục tiờu cú cực trị. Quy hoạch thực nghiệm trong những trường hợp thực nghiệm cực trị gọi là quy hoạch thực nghiệm cực trị.
Cỏc nguyờn tắc cơ bản của quy hoạch thực nghiệm được thiết lập nhằm nõng cao tớnh hiệu quả của nghiờn cứu thực nghiệm, nhận tối đa thụng tin với số thớ nghiệm tối thiểu.
- Nguyờn tắc khụng lấy toàn bộ trạng thỏi đầu vào; - Nguyờn tắc phức tạp dần mụ hỡnh toỏn học; - Nguyờn tắc đối chứng với nhiễu;
- Nguyờn tắc ngẫu nhiờn húa;
- Nguyờn tắc tối ưu của quy hoạch thực nghiệm.