tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật ứng dụng thiết kế thí nghiệm bằng máy tính cho bài toán tìm cực trị của quá trình và hệ thống cơ khí

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM BẰNG MÁY TÍNH
CHO BÀI TOÁN TÌM CỰC TRỊ CỦA QUÁ TRÌNH VÀ
HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Học Viên : Trang Thành Trung
Lớp : K11 - CNCTM
Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy
Hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Văn Dự
THÁI NGUYÊN - 2010
1
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Tên đề tài:
“Ứng dụng thiết kế thí nghiệm bằng máy tính cho bài toán
tìm cực trị của quá trình và hệ thống cơ khí”
Hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Văn Dự
Học viên thực hiện: Trang Thành Trung
Lớp: K11-CNCTM
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Thí nghiệm đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu khoa học. Chỉ có
thí nghiệm mới cho ta kết quả chính xác để khẳng định chân lý khoa học.
Theo Montgomery, thí nghiệm là một quá trình kiểm nghiệm hay một chuỗi
các kiểm nghiệm mà trong đó, các thông số đầu vào của một quá trình hay hệ thống
được thay đổi một cách có chủ đích nhằm thay đổi các kết quả (đầu ra) của hệ
thống hay quá trình, để xác định các nguyên nhân, quan hệ giữa đầu vào và đầu ra
của hệ thống, quá trình hay đối tượng thí nghiệm. Thí nghiệm nhằm gây ra một hiện
tượng theo qui mô nhỏ để quan sát nhằm củng cố lý thuyết hoặc kiểm nghiệm một

điều mà giả thuyết đã dự đoán một cách có hệ thống, có cơ sở lý luận. Thí nghiệm
thường được ứng dụng trong các bài toán sau:
- Thiết kế, thử nghiệm sản phẩm, quá trình mới;
- Phát triển quá trình sản xuất;
- Cải tiến quá trình, hệ thống sản xuất.
Thí nghiệm rất quan trọng nhưng muốn làm thí nghiệm có hiệu quả, cho ra
kết quả tin cậy, nhưng lại tốn ít công sức, thời gian và chi phí thì công việc đầu tiên
cần phải làm là tiến hành quy hoạch thực nghiệm hay thiết kế thí nghiệm.
Ở Việt Nam, lý thuyết về thiết kế thí nghiệm đã được bắt đầu ứng dụng từ
những năm 1970. Lý thuyết về thiết kế thí nghiệm đã thu hút sự quan tâm và nhận
được nhiều đóng góp hoàn thiện của các chuyên gia toán thống kê, điều khiển học
2
và thực nghiệm, ví dụ: PGS.TS Trần Địch, Phạm Văn Lang - Bạch Quốc Khang,
Bùi Minh Trí, Nguyễn Minh Tuyển, Nguyễn Doãn Ý …. Tuy nhiên, các tài liệu về
hướng dẫn, thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm còn nặng về trình bày lý
thuyết toán, xác suất và thống kê nên gây khó khăn trong việc thực hiện thí nghiệm
đối với những người làm kỹ thuật. Hơn nữa, đến nay ở Việt Nam cũng chưa có tài
liệu nào hướng dẫn cụ thể tiến trình từng bước thiết kế thí nghiệm cho lớp các bài
toán cực trị.
Vì những lý do nói trên, các nhà nghiên cứu thực nghiệm thường gặp nhiều
khó khăn trong việc thiết kế và xử lý số liệu các thí nghiệm trong nghiên cứu của
mình. Hầu hết các bước thí nghiệm được xác lập thông qua việc thiết lập các ma
trận thí nghiệm bằng tay – tốn thời gian và nhiều khi không chính xác. Matlab®
thường được sử dụng để xử lý số liệu thí nghiệm, điều này đòi hỏi nhà nghiên cứu
phải biết kỹ thuật lập trình để xử lý các mã lệnh cần thiết. Một số nghiên cứu về tối
ưu hóa đã không chỉ ra được vùng cực trị chỉ vì do người làm nghiên cứu không
hiểu rõ các bước xử lý, có một phần nguyên nhân là do các tài liệu hướng dẫn tiếng
Việt chưa được trình bày rõ ràng, dễ hiểu.
Xuất phát từ nhu cầu đó, đề tài này được thực hiện nhằm hệ thống hóa các
bước thiết kế thí nghiệm và cách thức khai thác phần mềm máy tính đang được thế

giới sử dụng rộng rãi nhằm phục vụ cho một số bài toán thí nghiệm cơ khí cụ thể.
Một số thí nghiệm cơ khí được sưu tập và thực hiện trực tiếp nhằm minh hoạ cho
tiến trình thiết kế và xử lý thí nghiệm. Qua đó, người đọc có thể tham khảo và ứng
dụng cho nghiên cứu thực nghiệm của mình.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Đã có một thời gian dài, các nhà thực nghiệm chỉ dựa vào kinh nghiệm và
trực giác để chọn hướng nghiên cứu. Các thí nghiệm được tiến hành bằng phương
pháp cổ điển là: lần lượt thay đổi từng thông số, trong khi giữ nguyên các yếu tố
còn lại. Phương pháp truyền thống này chỉ cho phép tìm kiếm các mối quan hệ phụ
thuộc giữa chỉ tiêu đánh giá và các yếu tố ảnh hưởng một cách riêng biệt khi làm
thực nghiệm một cách riêng rẽ theo từng yếu tố. Khi số lượng các yếu tố ảnh hưởng
lớn, khối lượng thí nghiệm sẽ bị tăng lên gấp nhiều lần.
Nếu tiến hành thí nghiệm mà không được lập kế hoạch trước, không bố trí
trước trình tự thí nghiệm, không xác định được những những yếu tố cần khảo sát
3
thì người làm thí nghiệm rất dễ bị rơi vào một mê cung các sắp xếp thí nghiệm rắc
rối, tốn rất nhiều công sức, tiền của và thời gian mà chưa chắc đã ra được kết quả
mong muốn. Do vậy cần phải xây dựng chiến lược tiến hành thí nghiệm dựa trên
những thông tin đã biết và nhưng thông tin tiên nghiệm về đối tượng thí nghiệm.
Mục đích của việc thiết kế thí nghiệm nhằm:
- Giảm thiểu các yếu tố không điều khiển được (nếu biết);
- Giảm thời gian tiến hành thí nghiệm và chi phí phương tiện vật chất;
- Xác định các yếu tố quan trọng có thể điều khiển được;
- Xác định được cấp độ giá trị sai khác giữa các kết quả;
- Xác định số lượng thí nghiệm cần thiết tối thiểu.
Theo báo cáo của các nhà sản xuất Âu-Mỹ (Mukul Mehta), sử dụng các
phương pháp thiết kế thí nghiệm có thể giảm được 20-30% thời gian giải quyết vấn
đề; giảm ít nhất 50% chi phí kiểm nghiệm, chế tạo vật liệu khi thử nghiệm; tăng 2-3
lần giá trị, chất lượng và độ tin cậy của thông tin thu thập được.
Khi tiến hành thiết kế thí nghiệm hàm lượng thông tin về đối tượng thí

nghiệm thu được nhiều hơn do đánh giá được vai trò tác động qua lại giữa các yếu
tố và ảnh hưởng của chúng đến hàm mục tiêu. Bên cạnh đó, người làm thí nghiệm
xác định được điều kiện tối ưu đa yếu tố của đối tượng nghiên cứu một cách khá
chính xác bằng các công cụ toán học thay cho cách giải gần đúng. Hơn nữa người
nghiên cứu có thể đánh giá được sai số thí nghiệm, cho phép xét ảnh hưởng của các
thông số với mức độ tin cậy xác định dựa vào mô hình toán học thực nghiệm thu
được.
Trong nghiên cứu về lý thuyết thiết kế thí nghiệm thì nghiên cứu tìm giá trị
cực trị hay tìm vùng tối ưu luôn được các nhà nghiên cứu quan tâm. Lớp các bài
toán hay lý thuyết nghiên cứu thực nghiệm về vấn đề tối ưu được biết đến với cái
tên Response Surface Methodology – RSM. Ở Việt Nam, lớp bài toán này còn được
gọi bởi nhiều tên gọi khác nhau như: phương pháp bề mặt phản ứng/phản hồi hay
phương pháp bề mặt cực trị/đáp trị hoặc phương pháp bề mặt chỉ tiêu…
Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methodology - RSM) là tập
hợp các kỹ thuật thống kê và toán học rất hữu ích cho việc phát triển, nâng cao và
tối ưu hóa quá trình sản xuất. Nó cũng có các ứng dụng quan trọng trong việc thiết
kế và xây dựng các sản phẩm mới cũng như trong việc cải thiện các sản phẩm hiện
4
có. Nội dung chính của RSM là sử dụng một chuỗi các thí nghiệm được thiết kế để
tối ưu hóa một quy trình sản xuất.
RSM được ứng dụng nhiều trong các ngành Sinh học, Khoa học y học, Khoa
học xã hội, Khoa học thực phẩm, Khoa học vật lý, kỹ thuật hoá học… nhưng rộng
rãi và nhiều nhất là trong lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong tình huống mà các
tham số đầu vào có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm hoặc quy
trình sản xuất. Các tham số đầu vào này được gọi là biến đầu vào và chất lượng của
sản phẩm hay quy trình được gọi là đầu ra hay chỉ tiêu. Tất cả các ứng dụng của
RSM trong thế giới thực đa số đều liên quan đến vấn đề tối ưu hoá một hoặc nhiều
chỉ tiêu.
Theo nghiên cứu của Raymond H. Myers, André I. Khuri and Walter H.
Carter, Jr. (1989) đã đặc biệt nhấn mạnh các ứng dụng thực tế của phương pháp bề

mặt chỉ tiêu trong lĩnh vực hoá chất và xử lý. Tháng 12 năm 1975, Mead và Pike đã
viết bài báo “A Review of Response Surface Methodology from a Biometric
Viewpoint” đăng trên tạp chí Biometrics tiếp tục nhấn mạnh những ứng dụng của
phương pháp RSM trong lĩnh vực sinh học, trong bài báo này Mead và Pike đã đưa
ra một định nghĩa về RSM rộng hơn nhiều so với Hill và Hunter. Cũng theo Myers,
Khuri và Carter (năm 1989), Mead và Pike đã phát biểu nguồn gốc của RSM đã
từng bắt đầu từ những năm 1930 với việc sử dụng lý thuyết bề mặt đường cong chỉ
tiêu còn theo Hill và Hunter phương pháp RSM được giới thiệu bởi G.E.P Box và
K.B Wilson với việc sử dụng thiết kế trực giao trong mô hình đánh giá bậc một vào
năm 1951. Trong thực tế có rất nhiều mốc thời gian mà chủ đề về RSM được các
nhà khoa học đưa ra để thảo luận nhưng mốc thời gian quan trọng nhất là năm 1951
khi Box và Wilson đưa ra phương pháp RSM trong một cuộc hội thảo khoa học.
Box và Wilson đã sử dụng mô hình đa thức bậc nhất để tính gần đúng các biến chỉ
tiêu nhằm cải thiện quá trình chế tạo trong ngành công nghiệp hoá học với mục đích
là tối ưu hoá các phản ứng hoá học thu được. Box và Wilson thừa nhận rằng mô
hình này chỉ mang tính chất gần đúng không có tính chính xác nhưng mô hình này
rất dễ dàng đánh giá và ứng dụng, ngay cả khi có ít thông tin về quy trình. Công bố
của Box và Wilson đã có ảnh hưởng sâu sắc đến các nghiên cứu về thiết kế thí
nghiệm được ứng dụng trong công nghiệp và cũng là động lực của nhiều nghiên cứu
trong lĩnh vực này sau này.
5
Tháng 5 năm 1954, các cuộc thảo luận về các nguyên tắc cơ bản của RSM và
triết lý cơ bản của nó đã được đưa ra trong một cuốn sách được viết bởi một nhóm
các nhà hóa học, kỹ sư và các nhà thống kê và được hiệu chỉnh bởi Dr O. L. Davies.
Bất cứ ai bắt đầu một nghiên cứu về RSM đều được khuyến khích để nghiên cứu tài
liệu này. Nhưng các chuyên khảo của Myers (1976) mới là cuốn sách đầu tiên viết
dành riêng về chủ đề RSM. Ngoải ra còn có 2 cuốn sách viết đầy đủ về chủ đề
RSM: Box và Draper (1987) và Khuri và Cornell (1987, 1996, 2006). Một ấn bản
thứ hai của Box và Draper cũng đã được xuất bản vào năm 2007 với tiêu đề hơi
khác so với ấn bản thứ nhất.

Sự phát triển về lý thuyết thiết kế tối ưu đặc biệt trong lĩnh vực thiết kế thí
nghiệm chỉ thực sự được quan tâm sau công bố của Elfving (1952, 1955, 1959),
Kiefer (1958, 1959, 1960, 1962) và từ đó một số tác giả khác đã công bố những kết
quả nghiên cứu quan trọng liên quan đến phương pháp RSM: Hill và Hunter (1966),
Mead và Pike (1975), Myers, Khuri và Carter (1989, 2004).
3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU VÀ MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.
3.1 Đối tượng nghiên cứu.
- Bài toán tìm cực trị bằng thực nghiệm thông qua công cụ RSM.
- Phạm vi nghiên cứu là các bài toán kỹ thuật cơ khí.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Trong phạm vi của đề tài, chỉ nghiên cứu về lý thuyết Response Surface
Methodology (RSM). Phần mềm MiniTab cho thiết kế thí nghiệm và một số hệ
thống cơ khí điển hình minh hoạ cho thí nghiệm.
3.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài
Đề tài này có mục tiêu là xây dựng trình tự tóm tắt, từng bước xây dựng và
phân tích thí nghiệm cho bài toán tìm cực trị.
Các mục tiêu cụ thể:
- Tóm tắt về lý thuyết tìm cực trị bằng thực nghiệm;
- Hệ thống hoá tiến trình thiết kế thí nghiệm bằng máy tính;
6
- Phân tích các kết quả thí nghiệm;
- Mô tả cách sử dụng phần mềm MiniTab cho thiết kế thí nghiệm tìm cực trị
thông qua các ví dụ kỹ thuật.
- Ứng dụng cho một vài trường hợp cụ thể, chẳng hạn như:
+ Xác định cặp thông số điện áp, khoảng cách va đập tối ưu cho cơ cấu RLC
bằng thực nghiệm.
4. NGUỒN TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1 Nguồn tài liệu.
Luận văn đã sử dụng các tài liệu trong và ngoài nước, các tạp chí khoa học
kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu liên quan.

4.2 Phương pháp nghiên cứu.
- Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết thiết kế thí nghiệm và máy tính cho các bài toán
tìm cực trị trong cơ khí.
- Triển khai cho một số bài toán cụ thể.
5. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN
- Đã hệ thống hóa và hướng dẫn tỉ mỉ từng bước quá trình ứng dụng máy tính để
thiết kế thí nghiệm. Mỗi bước có ví dụ minh họa cụ thể để người đọc nắm vững
cách ứng dụng một cách trực quan;
- Xây dựng được tài liệu hướng dẫn sử dụng Minitab® cho thiết kế và xử lý số liệu
thí nghiệm;
- Cụ thể hóa các bước tiến hành cho bài toán tìm cực trị bằng thực nghiệm;
- Ứng dụng tổng hợp cho bài toán tối ưu hóa thông số hoạt động của cơ cấu rung va
đập RLC-09 và đã tìm được điểm cộng hưởng của cơ cấu, từ đó việc ứng dụng cơ
cấu rung va đập RLC trong thực tế trở nên rất hứa hẹn.
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Ý nghĩa khoa học: Hệ thống hoá kiến thức nghiên cứu thực nghiệm theo dạng từng
bước (step-by-step). Khai thác khả năng hỗ trợ của máy tính.
- Ý nghĩa thực tiễn: Giúp các tác giả nghiên cứu thực nghiệm dễ dàng thiết kế thí
nghiệm, thu thập và xử lý dữ liệu một cách đơn giản, chuẩn tắc và tiết kiệm.
7
7. KẾT CẤU LUẬN VĂN.
Bản luận văn gồm 112 trang được bố cục thành 7 chương, 79 hình vẽ, 08
bảng biểu và 22 tài liệu tham khảo. Bố cục và nội dung chính của luận văn như sau:
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…………………………………………………………
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 σ………………………………………
2.5.3.3 Khử sai số thô khi chưa biết σ………………………………
33
34
34
34
34
35
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 của MiniTab……………………………………… 37
3.3 Dữ liệu trong MiniTab……………………………………………………… 41
3.4 Kết luận chương……………………………………………………………… 44
Chương 4: THÍ NGHIỆM SÀNG LỌC…………………………………………. 45
4.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 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
4.5 Kết luận chương……………………………………………………………… 68
Chương 5: LEO DỐC TÌM VÙNG CỰC TRỊ ……………………………… 69
5.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 69
5.2 Mục tiêu và 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
8
Chương 6: THÍ NGHIỆM RSM………………………………………………… 84
6.1 Giới thiệu……………………………………………………………………… 84
6.2 Mục tiêu và yêu cầu…………………………………………………………. 86
6.3 Thiết kế thí nghiệm RSM………………………………………………… 86
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
92
103
6.5 Kết luận chương……………………………………………………………… 108
Chương 7: KẾT LUẬN…………………………………………………………… 109
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………… 111
Chương 1
Chương này giới thiệu các cơ sở lý luận và tính cần thiết thực hiện của đề tài
nghiên cứu, các mục tiêu và tóm tắt các kết quả nghiên cứu đã đạt được.
Thí nghiệm và tầm quan trọng của thiết kế thí nghiệm cũng như tính cấp thiết
thực hiện đề tài được giới thiệu trong phần 1.1. Các nghiên cứu liên quan trong lĩnh
vực thiết kế thí nghiệm được tóm tắt trong phần 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
được giới thiệu trong phần 1.3. Tiếp theo, phần 1.4 sẽ trình bày các kết quả chính đã
đạt được của nghiên cứu này. Cuối cùng, cấu trúc của luận văn được tóm lược trong

phần 1.5.
Chương 2
Chương này sẽ cung cấp một số khái niệm, định nghĩa và giải thích một số
thuật ngữ cơ bản nhất cần dùng trong thiết kế thí nghiệm.
Khái niệm thiết kế thí nghiệm (Design of Experiment): “Thiết kế thí
nghiệm là tập hợp các tác động nhằm đưa ra chiến thuật làm thực nghiệm từ giai
đoạn đầu đến giai đoạn kết thúc của quá trình nghiên cứu đối tượng (từ nhận thông
tin mô phỏng đến việc tạo ra mô hình toán, xác định các điều kiện tối ưu) trong điều
kiện đã hoặc chưa hiểu biết đầy đủ về cơ chế của đối tượng nghiên cứu” [4].
Đơn vị nghiên cứu (experimental unit): đơn vị hay đối tượng nghiên cứu
thường là một quá trình, một cơ cấu hoặc hiện tượng nào đó có những tính chất, đặc
điểm chưa biết cần nghiên cứu.
Yếu tố can thiệp (factors): là những can thiệp (intervention) áp dụng trên các
đối tượng nghiên cứu. Yếu tố can thiệp còn được gọi là biến độc lập (independent
variable) hay biến giải thích (explanatory variable).
9
Mức độ can thiệp (treatment levels): là những “giá trị” của một yếu tố can thiệp.
Mức (Level): là giá trị mã hóa cho một giá trị của biến thí nghiệm, nó là đại
lượng không thứ nguyên.
Bước (∆): là khoảng thay đổi thông số đầu vào, được tính theo công thức sau:

∆=
Mức trên - mức dưới
2
Biến chỉ tiêu (response variable): là biến số chịu ảnh hưởng của yếu tố can
thiệp, chúng là các biến số phụ thuộc của đối tượng.
Bậc tự do (Degree of Freedom): trong thống kê dữ liệu, bậc tự do là số phép
so sánh độc lập có thể tạo được trong tập dữ liệu.
Bậc tự do gắn với một biến quá trình bằng số giá trị (cấp độ hay mức) của
biến đó trừ đi 1.

Thí nghiệm sàng lọc (Screening Design): là thí nghiệm có nhiệm vụ xác
định các yếu tố ảnh hưởng chính để tiếp tục nghiên cứu trong các thí nghiệm tiếp
theo.
Biểu đồ Pareto (Pareto Chart): là một biểu đồ dạng thanh nằm ngang, biểu
diễn mức độ ảnh hưởng của các yếu tố được khảo sát. Trên biểu đồ có một đường
mức chuẩn, các yếu tố có giá trị vượt quá đường mức này được coi là có ảnh hưởng
lớn đến chỉ tiêu đầu ra các yếu tố còn lại coi như ảnh hưởng không đáng kể.
Thí nghiệm leo dốc (Path of steepest Ascent/Descent): giá trị ước lượng ban
đầu cho các điều kiện hoạt động tối ưu của hệ thống hay quá trình thường là không
chính xác và giá trị ước lượng này thường ở xa so với vùng tối ưu. Mục đích của
thiết kế thí nghiệm leo dốc là di chuyển nhanh đến lận cận vùng chứa điểm tối ưu.
Ma trận thí nghiệm (Matrix experiments): là dạng mô tả chuẩn các điều kiện
tiến hành thí nghiệm (các điểm thí nghiệm) theo bảng chữ nhật, mỗi hàng là một thí
nghiệm, còn gọi là một phương án kết hợp các thông số đầu vào, còn các cột ứng
với các thông số đầu vào.
P-value: Trị số P-value là giá trị xác suất được tính toán từ các dữ liệu thí
nghiệm thu được để kiểm tra mức ý nghĩa của hệ số ước lượng trong phép phân tích
thống kê. P-value có giá trị giới hạn từ 0 đến 1.
10
Mức ý nghĩa α (α-level): được sử dụng trong việc kiểm nghiệm giả thuyết
không, mức α là giá trị lớn nhất có thể chấp nhận được so sánh với giá trị p-value để
xác định ý nghĩa của việc kiểm tra giả thuyết thống kê.
Lack of fit test: kiểm tra sự phù hợp của mô hình với dữ liệu thí nghiệm thu
được. Sự kiểm tra này sẽ được làm rõ hơn ở các chương sau.
Các nguyên tắc về thiết kế thí nghiệm sẽ được trình bày trong phần 2.3. Cơ
sở lý thuyết của việc xử lý dữ liệu thí nghiệm dựa trên lý thuyết về phương hồi quy
và phân tích phương sai, hai vấn đề quan trọng này sẽ được trình bày tóm lược
trong phần 2.4. Trong quá trình làm thí nghiệm người làm thí nghiệm không thể
không tránh khỏi sai số, phần 2.5 sẽ giúp người làm thí nghiệm nhận biết được các
sai số và biện pháp khắc phục sai số thí nghiệm.

Chương 3
Chương này giới thiệu về lịch sử cũng như các lĩnh vực ứng dụng của phần
mềm MiniTab. Những kiến thức căn bản nhất về MiniTab: môi trường làm việc,
giao diện, các thanh công cụ, dữ liệu, …cũng đã được trình bày, đây là những kiến
thức mà người làm thí nghiệm cần nắm được để ứng dụng trong việc thiết kế thí
nghiệm.
Chương 4
Khó khăn cho những người làm thí nghiệm là thường không biết bắt đầu từ
đâu và công việc cụ thể là phải làm gì? Thí nghiệm sàng lọc là bước đầu tiên trong
quá trình thiết kế thí nghiệm cho lớp bài toán tìm cực trị. Nội dung của thí nghiệm
cũng như mục đích và yêu cầu của thí nghiệm sàng lọc được giới thiệu trong phần
4.1 và 4.2. Phần 4.3 sẽ hướng dẫn người làm kỹ thuật từng bước thiết kế thí nghiệm
sàng lọc ứng dụng phần mềm MiniTab®. Xử lý và phân tích dữ liệu thí nghiệm
sàng lọc trên phần mềm MiniTab sẽ được trình bày trong phần 4.4.
Chương 5
Khi các yếu tố ảnh hưởng chính đến chỉ tiêu đầu ra đã được xác định, bước
tiếp theo là xác định vùng hoạt động tối ưu của các thông số này. Tuy nhiên các ước
tính ban đầu về điều kiện hoạt động tối ưu của các yếu tố này không chính xác và
11
thường ở xa so với vùng tối ưu thực tế. Vì vậy với mục đích di chuyển nhanh đến
vùng lân cận có chứa điểm tối ưu, thường giả thiết rằng mô hình bậc một là thích
hợp để mô tả bề mặt chỉ tiêu trong một vùng nhỏ của hàm chỉ tiêu.
Phương pháp leo dốc là phương pháp di chuyển liên tục thí nghiệm từ những
thí nghiệm ban đầu “leo” nhanh đến vùng lân cận có chứa điểm tối ưu.
Nội dung các bước thiết kế và xử lý thí nghiệm leo dốc ứng dụng trên phần
mềm MiniTab đã được trình bày, hướng dẫn một cách cụ thể.
Ví dụ minh họa: khảo sát sự ảnh hưởng của 2 yếu tố đầu vào (điện áp và khoảng
cách va đập) đến chỉ tiêu đầu ra (lượng dịchchuyển của ống dây) trong cơ cấu rung
va đập RLC-09. Từ một thiết kế thí nghiệm ban đầu của cặp thông số điện áp 80V-
86V và khoảng cách va đập 5mm- 6mm ở rất xa so với vùng chứa điểm cực trị, sử

dụng thí nghiệm leo dốc đã tìm được vùng chứa điểm cực trị của cơ cấu RLC-09 có
điện áp được cấp là 110V và khoảng cách va đập là -0,8 mm.
Chương 6
Khi thí nghiệm đã tiến gần đến vùng tối ưu, mô hình bậc một sẽ không còn
phù hợp để đánh giá thí nghiệm nữa. Lúc này, cần thiết kế thí nghiệm bề mặt chỉ
tiêu (Response Surface Methodology - thiết kế thí nghiệm RSM ) để xác định cực
trị cho hàm mục tiêu và biểu biễn chính xác quan hệ vào-ra. Thiết kế thí nghiệm
RSM là một kỹ thuật toán học và thống kê rất hữu ích đối với việc mô hình hoá và
phân tích các vấn đề liên quan đến tối ưu hoá quá trình. Nếu điểm tối ưu hoá (điểm
cực đại hoặc cực tiểu) có tồn tại trong khu vực các mức của các biến đang nghiên
cứu thì mô hình bề mặt chỉ tiêu trong thí nghiệm RSM có thể xác định được chính
xác điểm tối ưu đó.
Chương này đã hướng dẫn người làm thí nghiệm tìm được phương trình hồi
quy bậc hai phù hợp để mô tả quá trình, điểm cực trị được xác lập. Từng bước giải
quyết thí nghiệm đơn mục tiêu và thí nghiệm đa mục tiêu được hướng dẫn cụ thể.
Thông qua 2 ví dụ minh họa về thí nghiệm trên cơ cấu RLC-09 và thí nghiệm gia
công phay cứng vật liệu SKD61 người đọc có thể dễ dàng hiểu và áp dụng cho các
bước thí nghiệm tìm cực trị của mình.
12
Áp dụng thực tế trên cơ cấu RLC-09, điểm cộng hưởng (cực trị) của cơ cấu
đã được tìm ra với cặp điện áp 109,1 V; khoảng cách va đập là -1,51mm. Khi đó,
khoảng dịch chuyển lớn nhất thu được sẽ là 138,6155 mm.
Chương 7
Chương này trình bày các kết quả chính đạt được và các hướng đề xuất
nghiên cứu tiếp theo.
Các kết quả chính đã đạt được
Đề tài đã giải quyết được vấn đề cơ bản là trình bày lại một cách có hệ thống
tiến trình nghiên cứu thực nghiệm, kèm theo các ví dụ minh họa được lấy từ các tài
liệu và thực tế. Các kết quả cụ thể là:
- Đã trình bày lại các khái niệm cơ bản, các thuật ngữ dùng trong thiết kế và

xử lý số liệu thực nghiệm. Tác giả đã cố gắng diễn đạt bằng ngôn ngữ và văn phong
kỹ thuật của một cán bộ kỹ thuật cơ khí thay cho việc trình bày về lý thuyết xác
xuất thống kê. Điều này có thể giúp các nhà nghiên cứu thực nghiệm trẻ dễ dàng
nắm bắt các thông tin cốt yếu để có thể triển khai nghiên cứu thực nghiệm được
ngay.
- Đã hệ thống hóa và có hướng dẫn tỉ mỉ từng bước quá trình ứng dụng máy
tính để thiết kế thí nghiệm. Thay vì cố gắng đọc, hiểu cách ứng dụng lý thuyết về
ma trận và thống kê, rồi tìm cách thiết kế và xử lý số liệu thí nghiệm bằng tay hay
lập trình Matlab như bấy lâu nay, người đọc có thể khai thác phần mềm máy tính
một cách đơn giản và do đó, có thể dành thời gian, sức lực chủ yếu cho việc triển
khai nghiên cứu. Mỗi tiến trình thiết kế đều được minh họa bằng các ví dụ cụ thể để
người đọc có thể nắm vững cách ứng dụng một cách trực quan.
- Đã giúp đỡ được 2 đề tài nghiên cứu thực nghiệm của các bạn cùng khóa
triển khai như một ứng dụng thực tế của nghiên cứu này. Hai đề tài này đều được
triển khai trong lĩnh vực cơ khí, một đề tài về xác định vùng gia công tối ưu khi
13
phay hợp kim cứng SKD61, đề tài thứ hai là về xác định thông số bù sai số khi gia
công trên máy CNC.
- Xây dựng được tài liệu hướng dẫn sử dụng Minitab® cho thiết kế và xử lý
số liệu thí nghiệm; Cụ thể hóa các bước tiến hành cho bài toán tìm cực trị bằng thực
nghiệm;
- Đã triển khai hoàn chỉnh một nghiên cứu thực nghiệm như một ứng dụng
thực tế của nghiên cứu. Các thông số làm việc tối ưu của cơ cấu rung-va đập RLC
đã được xác định một cách nhanh chóng và chính xác bằng kỹ thuật RSM. So sánh
kết quả nghiên cứu trước đây cho thấy, sử dụng thiết kế thí nghiệm RSM cho tốc độ
chụm nhanh hơn và kết quả chính xác hơn hẳn.
Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo
Do thời gian và kiến thức còn hạn chế, nội dung luận văn chưa giải quyết hết
được một số vấn đề mà các nghiên cứu thực nghiệm trong cơ khí đặt ra. Còn nhiều
câu hỏi mà các tác giả nghiên cứu, đặc biệt các nhà nghiên cứu trẻ, đặt ra nhưng

chưa được giải đáp thỏa đáng. Một trong số các vấn đề chính yếu cần được quan
tâm là:
- Hệ thống hóa kiến thức cơ sở lý luận và hướng dẫn thiết kế thí nghiệm dạng
so sánh đánh giá giữa hai hay nhiều hệ thống, quá trình … với nhau;
- Giải thích và trợ giúp nghiên cứu thực nghiệm cho một số dạng nghiên cứu
thực nghiệm khác trong lĩnh vực cơ khí, chẳng hạn như các bài toán thiết kế, cải
tiến sản phẩm, quy trình công nghệ …
- Hệ thống hóa và diễn đạt lại theo văn phong kỹ thuật cho một số cơ sở kiến
thức để đánh giá mức độ ảnh hưởng, các chuẩn đánh giá … cho các yếu tố thí
nghiệm.
14