Bài giảng tối ưu hóa trong công nghệ thực phẩm

Thiết kế thí nghiệm?• Các khái niệm liên quan đến thiết kế thí nghiệm• Các phương pháp thiết kế thí nghiệm• Các bước tiến hành một thiết kế thí nghiệmMột thiết kế thí nghiệm:– Là một chuỗi các thí nghiệm, thử nghiệm..– Làm thay đổi các yếu tố đầu vào (input variable) và quan sátcác yếu tố đầu ra (observe the respone)

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM

Design of experiment

Nội dung

• Thiết kế thí nghiệm?

• Các khái niệm liên quan đến thiết kế thí nghiệm

• Các phương pháp thiết kế thí nghiệm

• Các bước tiến hành một thiết kế thí nghiệm.

2

2.1 Định nghĩa về thiết kế thí nghiệm

• Một thiết kế thí nghiệm:

– Là một chuỗi các thí nghiệm, thử nghiệm

– Làm thay đổi các yếu tố đầu vào (input variable) và quan sát các yếu tố đầu ra (observe the respone)

2.2 Khái niệm liên quan đến vấn đề thiết

Yếu tố thí nghiệm

• Yếu tố thí nghiệm là một biến độc lập gồm hang loạt

các phần tử có chung một bản chất mà có thể so sánh trong quá trình thực hiện thí nghiệm

• Ví dụ: Hàm lượng TSS của quả thanh long ở những

thời gian bảo quản khác nhau, hàm lượng protein trong khẩu phần ăn…

• Một thí nghiệm có thể có một hoặc nhiều yếu tố thí

nghiệm và các yếu tố thí nghiệm này có thể là yếu tố cố định hoặc yếu tố ngẫu nhiên

Yếu tố thí nghiệm

• Là biến ảnh hưởng đến kết quả đầu ra

• Là tập hợp các công thức thí nghiệm cùng một đặc tính

6

Mức

• Các phần tử riêng biệt khác nhau trong cùng một yếu tố

thí nghiệm được gọi là mức

• Ví dụ nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất khô hòa tan ban đầu (TSS) đến chất lượng cảm quan rượu vang

ta có thể nghiên cứu ở 3 mức TSS ban đầu khác nhau Trong bảo quản có thể quả kéo dài thời gian bảo quan của các loại hóa chất khác nhau cũng có thể coi mỗi

loại hóa chất là một mức thí nghiệm

Công thức thí nghiệm

• Một tổ hợp các mức của các nhân tố được gọi là một

nghi ệm thức hay công thức thí nghiệm.

•

Ví dụ nghiên cứu ảnh hưởng của protein ở 3 mức khác nhau đến sản lượng sữa bò, trong trường hợp này ta

sẽ có 3 công thức Ta xét một trường hợp tương tự

nhưng có thêm yếu tố thứ 2 là thức ăn tinh ở 2 mức, lúc này sẽ có tất cả 6 công thức thí nghiệm

8

Công thức thí nghiệm (nghiệm thức)

• Nghiệm thức là tình trạng khác nhau của một yếu tố màmuốn nghiên cứu

• Nghiệm thức có thể là nồng độ hóa chất, giống vi sinh,thời gian xử lý,

• Số liệu thu thập từ thí nghiệm sẽ tăng lên rất nhiều nếu

áp đặt nhiều nghiệm thức và thiếu hiểu biết cơ bản vềyếu tố nghiên cứu

• Hiểu biết về nguyên liệu thí nghiệm hay mức độ ảnhhưởng của yếu tố có thể hạn chế các nghiệm thứckhông cần thiết.

• Hiểu biết về tác động của nồng độ của một hóa chất,chỉ cần đặt các nghiệm thức trong phạm vi nồng độ tốithiểu và nồng độ tối đa cần thiết

10

Công thức thí nghiệm (nghiệm thức)

2 3 Các nguyên tắc bố trí thí nghiệm

• Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng thái đầu vào

• Nguyên tắc phức tạp dần mô hình

• Nguyên tắc lặp lại thí nghiệm

• Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa

• Nguyên tắc blocking

12

Nguyên tắc không lấy toàn bộ trạng

thái đầu vào

• Để có thông tin toàn diện về hàm mục tiêu đầu ra chúng

• Về lý thuyết nếu không tiến hành tất cả các thựcnghiệm đó thì có thể bỏ sót đặc điểm nào đó của hàmmục tiêu,

• Tuy nhiên thực tế không thể thực hiện được điều đó

rạc, chọn mức biến đổi nào đó cho các yếu tố

Nguyên tắc phức tạp dần mô hình

• Logic tiến hành thực nghiệm là nên làm ít thí nghiệm để

có mô hình đơn giản (ví dụ mô hình tuyến tính), kiểmtra tính tương hợp của mô hình :

– Nếu mô hình tương hợp, đạt yêu cầu thì dừng lại, hoặc cải tiến

;

– Nếu mô hình không phù hợp thì tiến hành giai đoạn tiếp theo của thực nghiệm: làm những thí nghiệm mới, bổ sung để rồi nhận được mô hình phức tạp hơn

14

Nguyên tắc lặp lại thí nghiệm (replication)

• Mỗi đơn vị thí nghiệm phải hiện diện nhiều lần trong mộtcuộc thí nghiệm, đó là sự lặp lại

• Một lô thí nghiệm không lặp lại không đo được sự biến thiên,

từ đó không thể tính toán được mức tin tưởng của các kếtluận

• Lặp lại càng nhiều, trung bình và sai số tiêu chuẩn tính chomỗi nghiệm thức càng tin cậy

• Mục đích :

– Thí nghiệm thống kê trở nên chính xác hơn – Giảm sai số một cách có ý nghĩa

Nguyên tắc ngẫu nhiên hóa (randomization)

• Bảo đảm tính hiệu lực của sự đánh giá

• Làm công bằng sự khác biệt giữa các nghiệm thức

• Có thể tạo được từ các bảng số ngẫu nhiên

16

Nguyên tắc blocking

• Là phân nhóm, phân lô, phân khối

• Giảm sai số thí nghiệm

• Cực đại sự khác biệt giữa các khối

• Cực tiểu sự khác biệt bên trong khối

• Nghiệm thức được bố trí ngẫu nhiên trong khối

2.4 Các bước thiết kế thí nghiệm

• Xác định mục tiêu nghiên cứu

Xác định mục tiêu nghiên cứu

• Vấn đề quan trọng của việc tổ chức nghiên cứu

• Quyết đinh thành công, thất bại của nghiên cứu.

• Xuất phát từ đòi hỏi của nghiên cứu, sản xuất

• Có đơn đặt hàng

• Yêu cầu của cơ quan cấp kinh phí

Xác định các yếu tố thí nghiệm

• Số yếu tố:

– một, hai, hay nhiều hơn

– không nên quá nhiều yếu tố trong một thí nghiệm.

• Bản chất của mỗi yếu tố:

– Định tính hay định lượng ;

– Cố định hay ngẫu nhiên

20

Xác định mẫu thí nghiệm

• Phải mang tính ngẫu ngẫu nhiên

• Phải mang tính đại diện

• Tránh chọn mẫu theo ý kiến chủ quan của người nghiên cứu

Thực hiện thí nghiệm, phân tích kết quả

• Tránh sai số khi thực hiện thí nghiệm:

– Đo đếm kết quả đúng lúc, chính xác – Hạn chế các điều kiện khách quan – Loại bỏ các số liệu đột biến

• Tránh sai số khi sao chép

• Kiểm tra số liệu sao chép

• Kiểm tra các điều kiện thí nghiệm

22

Đo đếm kết quả đúng lúc và chính xác

• Cần phải thực hiện đo đếm một cách đồng nhất

giữa các nghiệm thức vì nếu đo không đồng nhất

sẽ làm tăng sự sai biệt gây ra do các yếu tố không kiểm soát và làm tăng sai số thí nghiệm.

• Khi đo đếm phải dùng một thiết bị đồng nhất, giữa

các nghiệm thức phải cùng do một người hay một nhóm đo.

Hạn chế các điều kiện khách quan

hay không

không.

24

Loại bỏ các số liệu đột biến

đôi khi có những giá trị đột biến (tăng hoặc giảm) bất thường.

• Đối với những số liệu này chỉ ghi nhận và tìm

cách giải thích nó chứ không mô phỏng và sử dụng cho thí nghiệm.

Phân tích số liệu và giải thích kết quả

toán

• Là quan trọng nhất trong nghiên cứu

• Phân tích kết quả được thực hiện song song với quá trình thực hiện thí nghiệm

• Kết qủa phải được giải thích trong điều kiện

của thí nghiệm

• ứng dụng công nghệ thông tin:

– Sử dụng các phần mềm thống kê: minitab, SPSS, R, JMP…

26

2.5 Phương pháp bố trí thí nghiệm

• Lập kế hoạch các bứơc cần tiến hành để thu thập số liệu

khoa học cho vấn đề đang nghiên cứu

• Bố trí thí nghiệm giúp tìm ra ảnh hưởng của các yếu tố

liên quan đến đại lượng đang được quan tâm

Bố trí thí nghiệm

• Yếu tố thí nghiệm

– Thí nghiệm một yếu tố (đơn yếu tố)

– Thí nghiệm đa yếu tố

28

Thí nghiệm một yếu tố

• Có một yếu tố chính thay đổi

• Các yếu tố khác được giữ cố định

Thí nghiệm nhiều yếu tố

• Thí nghiệm trong đó chỉ xem xét và đi đến kết luận đối với giả thiết về một yếu tố, các yếu tố khác có ảnh hưởng đến kết quả đều phải được thực hiện đồng nhất trong các đơn vị thí nghiệm gọi là thí nghiệm một yếu tố.

• Thí nghiệm nhiều yếu tố được tổ chức để nghiên cứu ảnh hưởng của hai hay nhiều yếu tố cùng lúc

Thí nghiệm nhiều yếu tố

34 Temp