THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM

Nội Dung Chính

Nguyễn Như Phong

Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp

Đại học Bách Khoa, ĐHQG TPHCM

1.LỊCH SỬ THỰC NGHIỆM

Lịch sử thực nghiệm bắt đầu từ 1930 với ứng dụng thực nghiệm đầu tiên ở công nghiệp sản xuất len và dệt ở Anh. Sau đệ nhị thế chiến thực nghiệm ứng dụng trong các ngành công nghiệp hóa và công nghiệp quá trình ở Mỹ và Tây Âu.

Ronald A Fisher là nhà cải cách đầu tiên ứng dụng kỹ thuật thống kê vào thiết kế và phân tích thực nghiệm. Tiếp theo Fisher là những đóng góp của F. Yales, R.C.Bose, …

2.THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM

Thực nghiệm là một chuỗi các thử nghiệm, thay đổi có chủ đích các biến vào của một quá trình hay một hệ thống, quan sát và xác định các thay đổi đáp ứng ra của qúa trình hay hệ thống. Thực nghiệm nhằm nghiên cứu quá trình hay hệ thống để thiết kế hay cải tiến quá trình hay hệ thống.

Thiết kế thực nghiệm họach định và tiến hành thực nghiệm, phân tích kết quả thực nghiệm nhằm thu được các kết luận khách quan và đúng đắn. Trong kỹ thuật, thiết kế thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong thiết kế sản phẩm mới, phát triển và cải tiến quá trình sản xuất.

3.ỨNG DỤNG THỰC NGHIỆM

Thiết kế và phân tích thực nghiệm là một phần quan trọng trong quá trình nghiên cứu phát triển, được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực. Một vài ứng dụng thường gặp của thiết kế thực nghiệm:

Định tính qúa trình.
Tối ưu hóa qúa trình.
Thiết kế và phát triển sản phẩm.
Cải tiến sản phẩm

Thiết kế thực nghiệm là công cụ quan trọng phát triển và cải tiến quá trình sản xuất. Thiết kế thực nghiệm giúp giảm thời gian và chi phí phát triển quá trình, tăng năng suất quá trình, cải thiện chất lượng sản phẩm. Định tính quá trình là xác định các biến quá trình ảnh hưởng lên đáp ứng ra của qúa trình từ đó xác định các yếu tố đầu vào quá trình nhằm đạt được đáp ứng ra của quá trình như mong muốn. Tíêp theo định tính quá trình, là tối ưu hóa qúa trình nhằm các định các yếu tố đầu vào nhằm có được đáp ứng ra quá trình tốt nhất.

Thiết kế thực nghiệm cũng đóng vai trò quan trọng trong thiết kế và cải tiến sản phẩm như đánh giá và so sánh các thiết kế cơ bản, đánh giá các phương án sử dụng nguyên liệu, chọn lựa tham số thiết kế để có sản phẩm bền vững, họat động tốt ở những điều kiện khác nhau, xác định các đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Thiết kế thực nghiệm giúp giảm thời gian thiết kế và phát triển sản phẩm, sản phẩm dễ chế tạo hơn, tin cậy hơn, chi phí sản xuất thấp hơn.

4.CHIẾN LƯỢC THỰC NGHIỆM

Thực nghiệm thường được thực hiện trên nhiều yếu tố nhằm xác định ảnh hưởng của các yếu tố đầu vào lên đáp ứng đầu ra. Chiến lược thực nghiệm là phương pháp tổng quát họach định và tiến hành thực nghiệm, bao gồm:

Chiến lược ước đóan.
Chiến lược đơn yếu tố
Chiến lược đa yếu tố.

Với chiến lược ước đóan, nhà thực nghiệm sẽ thử nghiệm với 1 tổ hợp các mức của các yếu tố, gọi là 1 xử lý thực nghiệm, từ kết quả thực nghiệm thu đựợc sẽ quyết định thực nghiệm một xử lý thực nghiệm khác, quá trình thực nghiệm tiếp tục đến khi có được kết quả hay lời giải mong muốn hay chấp nhận.

Chiến lược đơn yếu tố là chiến lược mỗi lúc chỉ thay đổi một yếu tố. Chiến lược này chọn lựa mức nền tảng ban đầu cho từng yếu tố, tuần tự thay đổi từng yếu tố với mức nền cho các yếu tố còn lại, ghi lại kết quả của từng xử lý thực nghiệm từ đó chọn xử lý cho kết quả tối ưu theo từng yếu tố.

Chiến lược đa yếu tố đồng thời thay đổi các yếu tố. Chiến lược này có ưu điểm có tính đến tương tác giữa các yếu tố nhưng khi số yếu tố hay số mức yếu tố tăng, số xử lý thực nghiệm là rất lớn, có thể dẫn đến không khả thi về thời gian và nguồn lực.

5.NGUYÊN LÝ THỰC NGHIỆM

Thiết kế thực nghiệm bằng phương pháp thống kê dựa trên 3 nguyên lý cơ bản:

Lặp lại
Ngẫu nhiên
Phân khối.

Các xử lý thực nghiệm được lặp lại với mỗi mẫu thực nghiệm. Mỗi thử nghiệm là một lần lặp lại.

Nguyên lý ngẫu nhiên thể hiện ở phân bổ nguyên liệu thực nghiệm và trình tự thực hiện các thử nghiệm. Ngẫu nhiên là nền tảng cho việc sử dụng phương pháp thống kê trong thiết kế thực nghiệm.

Nguyên lý ngẫu nhiên còn giúp trung bình hóa và lọai bỏ ảnh hưởng của các yếu tố không được tính đến.

Phân khối đựơc sử dụng nhằm giảm thiểu hay lọai bỏ biến thiên do các yếu tố phân khối, là yếu tố gây phiền tóai, không tính đến khi thực nghiệm. Mỗi mức của yếu tố phân khối tương ứng với 1 khối. Phân khối phân chia dữ liệu thực nghiệm theo thành từng nhóm tương ứng với các khối.

6.QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

Quy trình thiết kế và phân tích thực nghiệm gồm các bước :

Xác định vấn đề.
Chọn lựa yếu tố, mức và khỏang biến thiên.
Chọn lựa biến ra.
Chọn lựa kế họach thực nghiệm.
Thực hiện thực nghịêm
Phân tích thống kê dữ liệu thực nghiệm
Kết luận & kiến nghị.

7.PHÂN LỌAI THỰC NGHIỆM

Các thực nghiệm thường dùng bao gồm:

Thực nghiệm so sánh
Thực nghiệm đơn biến
Thực nghiệm phân khối
Thực nghiệm đa biến
Thực nghiệm nhị phân