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.vnBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN ---* --- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THU

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 0 http://www.lrc-tnu.edu.vn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG 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

Trang 2

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

Trang 3

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

Trang 4

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

Trang 5

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

Trang 6

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

3.2 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

4.2 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

Chương 5: LEO DỐC TÌM VÙNG CỰC TRỊ ……… 69

5.3 Thiết kế thí nghiệm leo dốc……… 69

5.4 Xác định bước leo dốc tìm vùng chứa điểm cực trị………… 81

Chương 6: THÍ NGHIỆM RSM……… 84

6.3 Thiết kế thí nghiệm RSM……… 86

Trang 7

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

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)

Trang 8

Danh mục các hình ảnh

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

Trang 9

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 5.13 Hộp thoại Contour /Surface Plots 80 Hình 5.14 Bề mặt chỉ tiêu thí nghiệm leo dốc 80

Trang 10

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

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

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

Trang 11

data error !!! can't not

read

Trang 12

read

Trang 13

read

Trang 14

read

Trang 15

read

Trang 17

read

Trang 18

read

Trang 19

read

Trang 20

read

Trang 21

read

Trang 22

read

Trang 23

read

Trang 24

read

Trang 26

read

Trang 27

read

Định dạng
Số trang	27
Dung lượng	407,47 KB