4678

2

УДК 658: 519

Мещерякова, А.А. Планирование технического и технологического эксперимента / Методические указания к лабораторным работам по направлению подготовки магистров 15.04.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств» для всех форм обучения / А.А.

Мещерякова – Воронеж. ФГБОУ ВО «ВГЛТУ», 2016. – 39 с.

Печатается по решению редакционно-издательского совета ВГЛТУ

Рецензент: д.т.н., профессор, зав. кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет имени Петра I» Афоничев Д.Н.

4

Введение

Предлагаемые методические указания к лабораторным работам по курсу «Планирование технического и технологического эксперимента» имеют целью выбора факторов, уровней их варьировня и нулевой точки, априорному ранжированию факторов, полнофакторному эксперименту и дробнофакторному эксперименту. Последовательность и характер выполненных работ призваны дать магистрантам некоторые сведения и навыки в организации комплекса работ, методов подготовки и оценки результатов испытаний.

Цель методических указаний – формирования у магистрантов навыков по планированию, проведению и обработке результатов технического и технологического эксперимента. Задачи методических указаний – приобретение навыков по методике планирования и проведения технического и технологического эксперимента, обработке статистических данных. Методические указания способствуют приобретению знаний в области применения методов планирования технического и технологического эксперимента для исследования конструкций, систем, технологических процессов и их оптимизации.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих концепций:

способность к абстрактному мышлению, анализу, синтезу (ОК-1);

готовность действовать в нестандартных ситуациях, нести социальную и этическую ответственность за принятые решения (ОК-2);

готовность к саморазвитию, самореализации, использованию творческого потенциала (ОК-3);

способность руководить подготовкой заявок на изобретения и промышленные образцы в области автоматизированных технологий и производств, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством (ОПК-4);

способность разрабатывать технические задания на модернизацию и автоматизацию действующих производственных и технологических процессов и производств, технических средств и систем автоматизации, управления, контроля, диагностики и испытаний, новые виды продукции, автоматизированные и автоматические технологии ее производства, средства и системы автоматизации, управления процессами, жизненным циклом продукции и ее качеством (ПК-1);

5

способность проводить патентные исследования с целью обеспечения патентной чистоты и патентоспособности новых проектных решений и определения показателей технического уровня проектируемой продукции, автоматизированных и автоматических технологических процессов и производств, средств их технического и аппаратно-программного обеспечения (ПК-2);

способность: составлять описание принципов действия и конструкции устройств, проектируемых технических средств и систем автоматизации, управления, контроля, диагностики и испытаний технологических процессов и производств общепромышленного и специального назначения для различных отраслей национального хозяйства, проектировать их архитектурно-программные комплексы (ПК-3);

способность разрабатывать эскизные, технические и рабочие проекты автоматизированных и автоматических производств различного технологического и отраслевого назначения, технических средств и систем автоматизации управления, контроля, диагностики и испытаний, систем управления жизненным циклом продукции и ее качеством с использованием современных средств автоматизации проектирования, отечественного и зарубежного опыта разработки конкурентоспособной продукции, проводить технические расчеты по проектам, технико-экономический и функционально-стоимостной анализ эффективности проектов, оценивать их инновационный потенциал и риски (ПК-4);

способность разрабатывать функциональную, логическую и техническую организацию автоматизированных и автоматических производств, их элементов, технического, алгоритмического и программного обеспечения на базе современных методов, средств и технологий проектирования (ПК-5).

Однофакторные эксперименты, где варьируется один параметр при фиксированных значениях других, требуют выполнение большого числа опытов, и что не менее важно, не всегда дают возможность выявить общую картину влияния факторов на объект оптимизации.

Применение методов планирования технического и технологического экспериментов позволяет не только обоснованно сократить число опытов, и что самое главное, без потери информации, но и выявить взаимодействие факторов, их суммарное взаимное влияние на объект оптимизации.

Планирование технического и технологического эксперимента позволяет без больших материальных, временных затрат определить пути дальнейшего продолжения исследований.

6

Для ознакомления магистрантов с основами планирования технического и технологического эксперимента, усвоения основных понятий и методов, разработано данное методическое указание.

При изложении данной дисциплины в связи с ограниченностью по времени, трудно организовать и получить экспериментальные данные, и с учетом того, что данную дисциплину изучают магистранты, имеющие понятия, представления о проведении опытов, то в данной работе предлагаются задачи связанные непосредственно с организацией опытов, а затем дальнейшее продолжение работы с результатами опытов, выдаваемых преподавателем. Такой подход позволяет достаточно полно изучить общие методы планирования технического и технологического эксперимента и обеспечить возможность для дальнейшего самостоятельного углубленного изучения данной проблемы.

7

Лабораторная работа № 1 ВЫБОР ФАКТОРОВ, УРОВНЕЙ ИХ ВАРЬИРОВАНИЯ И

НУЛЕВОЙ ТОЧКИ

Цель работы: приобрести навыки по выбору факторов, их уровней варьирования.

Общие сведения

Фактором называется управляемая независимая переменная, соответствующая одному из возможных способов воздействия на объект исследования. Факторы должны быть совместимыми и независимыми. Совместимость предполагает допустимость любой комбинации факторов, а независимость – отсутствие между факторами корреляционной связи.

К исследуемым параметрам также предъявляют ряд требований. Они должны быть:

-эффективными, то есть способствовать скорейшему достижению цели;

-универсальными – быть характерными не только для исследуемого объекта;

-статистически однородными, то есть определенному набору значений факторов xi с точностью до погрешности эксперимента должно соответствовать определенное значение фактора yi;

-выражаться количественно одним числом;

-легко вычисляться и иметь физический смысл;

-существовать при любом состоянии объекта.

Геометрический аналог параметра (функции отклика) называется поверхностю отклика, а пространство, в котором строят эту поверхность, – факторным пространством. Размерность факторного пространства равна числу факторов. Так, например, при двух факторах факторное пространство представляет собой факторную плоскость.

При планировании эксперимента требуемых свойств математической модели (ММ) добиваются выбирая условия проведения опытов. Множество точек факторного пространства, в которых проводится эксперимент, представляется с помощью плана эксперимента.

Фактор считается заданным, если указаны его название и область определения. В выбранной области определения он может иметь несколько значений, которые соответствуют числу его различных состояний. Выбранные для эксперимента количественные и качественные состояния фактора носят название уровней фактора.

В планировании технического и технологического эксперимента значения факторов, соответствующие определенным уровням их варьирования, выражаются в кодированных величинах. Под интервалом варьирования

8

подразумевается разность между двумя именованными его значениями, принятая за единицу при его кодировании.

При выборе факторов рекомендуется учитывать ряд требований. В качестве факторов рекомендуется выбирать такие независимые переменные, которые соответствуют одному из разумных в рассматриваемом случае воздействии на объект исследований, могут быть измерены имеющимися средствами с достаточно высокой гарантированной точностью, являются управляемыми и однозначными, совместимы один с другим, не связаны между собой линейными корреляционными связями, Желательно, чтобы факторы оценивались количественно, хотя возможно применение факторов, характеризующихся только качественно.

После выбора факторов устанавливают нулевую точку и выбирают интервалы варьирования для установления верхних и нижних уровней факторов, которые в кодированном обозначении соответствуют +1 и –1.

Интервал варьирования фактора выбирают с учетом того, что значение факторов, соответствующие уровням +1 и –1, должны быть достаточно отличимы от значения, соответствующего нулевому уровню. Поэтому во всех случаях величина интервала варьирования должна быть больше удвоенной квадратичной ошибки фиксирования данного фактора.

Здесь необходимо учитывать, что чрезмерное увеличение интервалов варьирования может привести к снижению эффективности поиска оптимума, а малый интервал варьирования уменьшает область эксперимента, что замедляет поиск оптимума.

Выбор факторов завершается составлением списка всех факторов, которые заслуживают внимания. При этом указываются наименования и обозначения факторов, их интервалы и уровни варьирования, координаты нулевой точки. Перечисленные данные фиксируются в таблицах.

В качестве примера приведена таблица 1.

9

Порядок выполнения работы.

1.Выбрать объект исследования (машина, прибор, процесс и т.д.)

2.Определить факторы, дать их описание, характер влияния на исследуемый объект, методы и способы регулирования, измерения и т.д.

3.Выбрать нулевой уровень и интервалы варьирования.

4.Заполнить таблицу факторов.

Контрольные вопросы:

1.Дайте определение фактора?

2.Что понимается под интервалом варьирования?

3.Какие требования необходимо учитывать при выборе факторов?

4.Что может привести к снижению эффективности поиска оптимума?

Лабораторная работа № 2 АПРИОРНОЕ РАНЖИРОВАНИЕ ФАКТОРОВ

Цель работы: изучить метод априорного ранжирования факторов.

Общие сведения

Здесь рассматриваются методы, которые применяют при обработке литературных данных на первой стадии экспериментальной работы в тех случаях, когда из большего числа факторов нужно выделить наиболее важные для дальнейшего изучения и отсеять остальные.

На стадии предварительного изучения объекта исследования при формализации априорных сведений иногда полезно проведение психологического эксперимента, заключающегося в объективной обработке данных, полученных в результате опроса специалистов или из исследований, опубликованных в литературе. Такой эксперимент позволяет более правильно спроектировать объект исследования, принять или отвергнуть некоторые предварительные гипотезы, дать сравнительную оценку влияния различных факторов на параметры оптимизации и тем самым правильно отобрать факторы для последующего активного эксперимента, обоснованно исключив некоторые из них из дальнейшего рассмотрения.

При решении подобных задач можно использовать метод априорного ранжирования факторов.

Особенность метода априорного ранжирования факторов заключается в том, что факторы, которые согласно априорной информации могут иметь существенное влияние, ранжируются в порядке убывания вносимого ими вклада. Вклад каждого фактора оценивается по величине ранга – места, которое