Bài giảng thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu (data analysis and design of experiment) bài 4 pgs ts trịnh văn dũng

PGS TS Trịnh Văn Dũng Bộ môn Quá trình và thiết bị CN Hóa – Sinh học – Thực phẩm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU (Data Analysis and Design[.]

THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

(Data Analysis and Design of Experiment)

x 2

y

x 1

X 2



X 1



1 Khái niệm chung

2 Các phương pháp quy hoạch thực nghiệm

3 Ứng dụng trong CN HH – SH – TP

4 Bài tập

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Việc áp dụng các giải pháp thiết kế và đánh giá chất lượng của trong bất kỳ lĩnh vực công nghiệp nào, chủ yếu được thực hiện trên cơ sở

dữ liệu thực nghiệm.

Lập kế hoạch thực nghiệm làm tăng hiệu quả của các nghiên cứu thực nghiệm:

-tăng cường công việc của nhà nghiên cứu

-rút ngắn thời gian và chi phí của thí nghiệm

-tăng độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Lý thuyết về kế hoạch thực nghiệm cho thấy những vấn đề sau:

-Thử nghiệm cần tổ chức như thế nào để giải quyết tốt nhất nhiệm

vụ (về thời gian và chi phí hoặc tính chính xác của kết quả)?

-Các kết quả của thử nghiệm sẽ được xử lý như thế nào để có được

lượng thông tin tối đa về đối tượng đang điều tra?

-Có thể rút ra những kết luận gì có giá trị nào về đối tượng đang

điều tra?

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Thực nghiệm là một tác động có mục đích trên đối tượng nghiên cứu

để có được thông tin đáng tin cậy về nó.

Lập kế hoạch thực nghiệm là:

-phương tiện để xây dựng mô hình toán học của các quy trình khác

nhau

-một phương pháp giảm thời gian và nguồn lực, tăng năng suất của

nhà nghiên cứu

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Theo cấu trúc:

-tự nhiên - phương tiện nghiên cứu thực nghiệm tương tác trực tiếp

với đối tượng nghiên cứu;

-mô hình - không thử nghiệm với bản thân đối tượng, nhưng với mô

hình của nó;

-mô hình-kibernetic (máy) - một loại thử nghiệm mô hình, trong đó

các đặc tính tương ứng của đối tượng nghiên cứu được tính toán bằng cách sử dụng một thuật toán trên máy tính

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Theo các giai đoạn nghiên cứu khoa học:

-phòng thí nghiệm - thí nghiệm về nghiên cứu các luật chung về các

hiện tượng và quy trình khác nhau, về việc xác minh các giả thuyết

và lý thuyết khoa học;

-thí nghiệm khuynh hướng được tiến hành, nếu cần thiết, để nghiên

cứu một quá trình cụ thể xảy ra trong vật thể được điều tra bằng cách xác định các đặc tính vật lý, hóa học và các tính chất khác Theo kết quả của các bài kiểm tra, các khuyết tật khác nhau được đánh giá trong tính toán thiết kế;

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Theo các giai đoạn nghiên cứu khoa học: :

-phòng thí nghiệm;

-thí nghiệm khuynh hướng;

-các thí nghiệm công nghiệp được tiến hành khi tạo ra một sản phẩm

hoặc quy trình mới dựa trên dữ liệu thí nghiệm hoặc băng ghế thử nghiệm, đồng thời tối ưu hóa quy trình hiện tại, đồng thời tiến hành kiểm tra chất lượng và các kiểm tra chọn lọc về chất lượng sản phẩm.

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Theo đặc trưng của nhiệm vụ đặt ra với mô hình của đối tượng:

-có tính đến sự không đồng nhất của các loại hình (thành phần vật

chất, sự khác biệt về thời gian, sự thành lập);

-tính toán để xác định cơ chế hiện tượng (nghiên cứu các vật thể

được tổ chức tốt với mức độ thông tin ban đầu đủ cao);

-có tính đến không gian riêng các tham số của nó, tương ứng với cực

đại của một số tiêu chí tối ưu trong sự có mặt biến thiên thời gian của các tham số phẩm.

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Theo đặc trưng của nhiệm vụ đặt ra với mô hình của đối tượng:

-có tính đến mức độ ảnh hưởng của các biến đầu vào đối với các biến

đầu ra;

-cho phép chuyển đổi một tập các biến sang một đối tượng nghiên

cứu;

-được tính toán để dự đoán hành vi của đối tượng nghiên cứu;

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Theo phương pháp tiến hành:

-một thí nghiệm thụ động dựa trên việc ghi lại các tham số đầu vào

và đầu ra đặc trưng đối tượng nghiên cứu mà không ảnh hưởng đến thí nghiệm trong quá trình tiến hành Chế biến thực nghiệm dữ liệu được thực hiện chỉ sau khi kết thúc thử nghiệm;

-thử nghiệm tích cực Khi sử dụng các phương pháp thử nghiệm tích

cực, mô tả toán học được xây dựng như một tập hợp các đặc tính đầu ra tĩnh và động của vật, được ghi lại khi các sự nhiễu loạn đặc biệt được áp dụng cho các đầu vào của nó theo một chương trình đã được lên kế hoạch trước;

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Thử nghiệm tích cực cho phép bạn nhanh chóng thiết lập mẫu, tìm chế độ tối ưu hoạt động của vật thể, nhưng thường thì khó thực hiện hơn Can thiệp vào quá trình công nghệ Quá trình này có thể dẫn đến giảm năng suất và sản xuất các sản phẩm bị lỗi Đôi khi, ví dụ, các biện pháp, với các quan sát thiên văn, một thí nghiệm tích cực là không thể ở tất cả.

Mục đích của việc lập kế hoạch thực nghiệm là tạo ra chiến lược cho các biến đầu vào để xây dựng mô hình thực nghiệm:

-Đơn giản nhất (ít thí nghiệm)

-Phản ánh chính xác nhất

-Dễ tính toán xử lý nhất

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

Việc sử dụng lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm cung cấp:

1 Tối thiểu hóa, giảm số lượng thí nghiệm cần làm.

2 Khảo sát tác động đồng thời của tất cả các yếu tố.

3 Lựa chọn một chiến lược rõ ràng cho phép đưa ra những quyết định sáng suốt sau mỗi lần thử nghiệm.

4 Giảm thiểu các sai sót thực nghiệm thông qua việc sử dụng do kiểm đinh thống kê.

―Hộp đen‖

x 1

y

x 2

x k Việc sử dụng lý thuyết về quy hoạch thực nghiệm cung cấp:

1) Giảm thiểu, tức là giảm số lượng thí nghiệm

2) Ảnh hưởng đồng thời của tất cả các yếu tố

3) Cho kết quả phản ánh chính xác sự kiện

4) Dễ tính toán xử lý

Có nhiều phương pháp:

-Quy hoạch trực giao cấp I

-Quy hoạch trực giao cấp II

-Quy hoạch trực giao riêng phần

-Quy hoạch trực giao toàn phần

-Quy hoạch trực giao đơn hình

-Quy hoạch trực giao tối ưu

-Quy hoạch trực giao ….

―Hộp đen‖

: :

x1

x2

xk

y

ξ X: k

―Hộp đen‖

x 1

y

x 2

x k

Quy hoạch trực giao cấp 1, là lập phương trình hồi quy có chứa:

-Số hạng bậc 1

-Số hạng của đạo hàm bậc 1

k

u j i

1 u , j , i

u x j x i x iju b k

j i

1 j , i

j x i x ij b k

1 i

i x i b 0

b

























―Hộp đen‖

x 1

y

i

x 2

x k

Quy hoạch trực giao cấp 2, là lập phương trình hồi quy có chứa:

-Số hạng bậc 2

-Số hạng của đạo hàm bậc 1

k

j i

1 j , i

j x i x ij b k

1 i

k

1 i

2 i x ii b i

x i b 0

b

















―Hộp đen‖

x 1

y

x 2

x k

Lập phương trình hồi quy bằng quy hoạch thực nghiệm gồm các bước sau:

1) Lựa chọn các yếu tố chính và khoảng biến đổi của chúng

2) Lập kế hoạch và thực hiện thí nghiệm thực tế

3) Xác định các hệ số của phương trình hồi quy

4) Phân tích thống kê kết quả thu được