Организация и математическое планирование эксперимента

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  бюджетное учреждение

высшего профессионального  образования

 

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

 

Кафедра металлургии

 

 

 

 

ОРГАНИЗАЦИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Конспект лекций

 

Курс лекций для студентов, обучающихся по направлению: 150400 «Металлургия»

Профиль подготовки: «Металлургия цветных металлов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

 

2013

 

УДК 669.712

 

 

ОРГАНИЗАЦИЯ И  МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА: Курс лекций / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»; Сост. Бажин В.Ю. СПб, 2013. 110 с. 

 

Курс лекций содержит краткое изложение материала  по дисциплине «Организация и математическое планирование эксперимента», в соответствии с программой, утверждённой в 2012 г., и предназначен для знакомства студентов с вопросами теории и практики проведения работ по организации и математическому планированию экспериментальных исследований применительно к производству цветных металлов.

Предназначен для студентов, обучающихся по направлению: 150400 «Металлургия». Профиль подготовки: «Металлургия цветных металлов».

 

 

Ил. 17. Библиогр.: 23 назв.

 

 

Научный редактор: проф. В.М.Сизяков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

©    Национальный минерально-

сырьевой университет «Горный», 2013 г.

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Основной целью изучения дисциплины «Организация и математическое планирование эксперимента» является Целью дисциплины является конкретизация навыков и методов выполнения опытных исследований технологических процессов и металлургических агрегатов на основе использования методов математического планирования экспериментов и статистической обработки их результатов, в т.ч. изучения  явлений тепло- и массообмена в гетерогенных и гомогенных средах, аэрогидродинамики и физико-химических закономерностей протекания гидро- и пирометаллургических процессов.

Задачи дисциплины - подготовка будущего магистра к самостоятельному решению профессиональных задач в научно-исследовательской и производственно-технологической деятельности.

Лекционный курс предназначен для студентов, обучающихся по направлению: 150400 «Металлургия». Профиль подготовки: «Металлургия цветных металлов». Одновременно он может быть использован при подготовке специалистов по близкородственным технологическим специальностям: 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств (в металлургии)», 110300 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей», 130405 «Обогащение полезных ископаемых».

Металлургия цветных  металлов относится к динамично  развивающейся сфере научной, проектно-конструкторской и производственной деятельности народного хозяйства. Это вызывает необходимость не только целенаправленного использования уже имеющейся теоретической и технологической базы, опыта практического освоения технических решений, но и их дальнейшего совершенствования на основе научных исследований в интересах развития производства цветных металлов и удовлетворения потребностей народного хозяйства в продукции металлургической отрасли. Тем самым экспериментальное научное исследование является обязательной нормой необходимой для создания новых и эффективной эксплуатации действующих производственных мощностей. Одновременно это является нормой подготовки магистров по направлению 150400 «Металлургия», которая обеспечивает овладение приёмами организации и математического планирования эксперимента по всему спектру задач металлургии цветных металлов.

Данный лекционный курс представляет собой лишь базовый уровень для получения знаний в области организации и математического планирования эксперимента. Его развитию способствует самостоятельная работа с учётом рекомендуемого библиографического списка, применение полученных знаний в практике освоения других дисциплин, при выполнении курсовых работ, проведении самостоятельных научных исследований и подготовке выпускной квалификационной работы.

 

1.1. принципы экспериментального исследования

 

В настоящее время  возрастает необходимость рационального  использования в науке и технике труда ученых и инженеров, а также средств производства - технической оснастки и оборудования. Одно из направлений повышения производительности научного труда заключается в применении современных математических методов и вычислительных средств, таких как планирование эксперимента, исследование операций, математическое моделирование и др.

Практическая польза от научных исследований в значительной степени зависит от методов их проведения и формы, в которой  представляются результаты. Применение эффективной технологии исследований позволяет существенно сократить период внедрения результатов, что приводит к экономии времени и средств.

С помощью традиционных методов исследования не удается обеспечить требуемую модернизацию или проектирование производственных мощностей. Поэтому в науке, технике и производстве при решении разнообразных задач применяются новые эффективные методы исследования. При этом особое внимание уделяется моделям процессов и способам их построения.

Для эффективного анализа  механизма явлений и управления процессами необходимо выявить взаимосвязи между факторами, определяющими динамику процесса, и представить их в количественной форме, т.е. в виде математической модели. Математическая модель является математическим отображением наиболее существенных сторон процесса. Модель представляет собой совокупность уравнений, условий и алгоритмических правил  и позволяет:

 

• получать информацию о процессах, протекающих в объекте;
• рассчитывать системы, т. е. анализировать и проектировать их;
• получать информацию, которую можно использовать для управления моделируемым объектом.

Эксперимент занимает центральное место в науке. Однако возникает вопрос, насколько эффективно он используется? Следует отметить, что недостаточно высокий уровень организации и проведения научных исследований существенно снижает их коэффициент полезного действия. Чтобы повысить эффективность исследований необходимо применение математических методов и построение математической теории планирования эксперимента.

Эксперименты и наблюдения являются основой для открытия законов природы и для проверки теоретических гипотез. По мере роста сложности исследуемых процессов и явлений очень быстро возрастают также затраты на аппаратуру и проведение эксперимента. За последние годы была создана последовательная и достаточно строгая теория регрессионного анализа, базирующаяся на современных теоретико-вероятностных представлениях. Эта теория позволила значительно глубже понять и оценить результаты, получаемые МНК. Опыт показал, что классический регрессионный анализ, несмотря на хорошо разработанную теорию, не нашел широкого применения для решения экстремальных задач в физике, химии и металлургии. При решении подобного рода задач приходится иметь дело с очень большим числом независимых переменных. В этом случае метод становится крайне громоздким, и возникают практически непреодолимые трудности, связанные, с одной стороны, с необходимостью ставить очень большое число экспериментов, с другой стороны, с интерпретацией уравнения регрессии (все коэффициенты регрессии оказываются корреляционно связанными между собой).

Большие возможности  открылись после того, как в регрессионный анализ были привнесены идеи планирования эксперимента. В 1935 г. Р. Фишер опубликовал монографию «Планирование эксперимента» («Design of Experiments»), давшую название новому направлению исследований. Планирование эксперимента применялось им в задачах с дискретными факторами, решаемых с помощью аппарата дисперсионного анализа. Бóльшая часть методов планирования эксперимента относится к задачам исследования поверхности отклика и изучения механизма явлений. Эти методы получили особенно широкое распространение, когда появилась работа Г. Бокса и Р. Уилсона (1951). Развитие современных идей планирования эксперимента для оценивания параметров регрессионных уравнений и констант теоретических моделей связано с именем американского математика Ю. Кифера.

Отметим следующие новые возможности, которые дает исследователям теория планирования эксперимента.

Статистическое представление  об эксперименте является основой для исследования сложных объектов и систем. Эти сложные объекты характеризуются большим числом факторов, воздействующих на результаты эксперимента. При классическом подходе к экспериментам исследование влияния совокупности факторов на результаты эксперимента проводится при условии, что изменяется только один из факторов, а значения всех остальных лишь фиксируются. В сложных системах с большим числом неконтролируемых воздействий это условие не выполняется. Статистическая концепция учитывает влияние неконтролируемых факторов иным образом. Воздействие этих факторов рассматривается как дополнительный стохастический шум, наложенный на истинные результаты экспериментов. Для того чтобы воздействие сделать случайным, применяют специальные методы. Благодаря этому удается надежно отделить факторы, интересующие экспериментатора, от шумового фона, обусловленного неконтролируемыми воздействиями.

Математическая статистика предоставляет в распоряжение экспериментатора методы анализа данных и принятия решений относительно исследуемого объекта на основании обработанных результатов эксперимента. Эти методы учитывают стохастический характер результатов и основываются на статистической проверке гипотез.

В отношении статистических выводов необходимо всегда иметь  в виду следующее обстоятельство: положительные результаты проверки некоторой статистической гипотезы означают лишь то, что постулируемая гипотеза не противоречит результатам эксперимента. Результаты проверки гипотезы никогда не могут служить доказательством абсолютной справедливости и правильности гипотезы.

Аналогичная ситуация возникает при построении математических моделей процессов. Исследователь может постулировать целый ряд гипотез о виде модели и экспериментальным путем выбрать среди этих моделей ту, которая наилучшим образом соответствует результатам экспериментов.

 

1.2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОМУ КОМПЛЕКСУ

 

Минерально-сырьевой комплекс России является базовой областью развития народного хозяйства и составляет материально-экономическую основу для развития смежных отраслей производства. Одно из ключевых мест минерально-сырьевого комплекса в экономике России вызывает необходимость дальнейшего повышения его технико-экономических показателей на основе совершенствования техники и технологии добычи и переработки полезных ископаемых природного и техногенного происхождения. К приоритетным задачам развития минерально-сырьевого комплекса России на современном этапе относятся:

- расширение сырьевой  базы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности. Вовлечение в сферу производства новых месторождений, в том числе в экономически неразвитых районах. Выявление новых видов сырья, добыча и переработка сырья техногенного происхождения;

- разработка высокоэффективных технологий для добычи и переработки, как традиционных видов сырья, так и вновь выявленных, отличающихся сложными горно-геологическими условиями для добычи и неблагоприятным сочетанием химико-минералогического состава для его переработки;

- создание высокопроизводительных, экономичных в эксплуатации и технологичных в изготовлении конструкций машин и механизмов, механизированных и автоматизированных комплексов, аппаратуры для осуществления химико-металлургических процессов, а также вспомогательного оборудования различного назначения;

- повышение качества  производимой продукции и расширение  её ассортимента на основе комплексной переработки. Производство новых видов продукции, обладающей высокими потребительскими свойствами;

- разработка и внедрение  систем автоматизации, обеспечивающих решение ключевых производственных вопросов таких, как занятость обслуживающего персонала во вредных условиях труда и достижение высокой экономической эффективности производства;

- создание экологически  безопасных производств, отличающихся высокой глубиной переработки сырья и исключающих накопление отходов. Переработка техногенных отходов и образований, разработка и внедрение ресурсосберегающих технологических процессов и производств, обеспечивающих комплексное решение технико-экономических и экологических вопросов при добыче и переработке сырья природного и техногенного происхождения.

Все перечисленные задачи, а также связанные с их решением вопросы составляют комплекс проблем  минерально-сырьевой отрасли России, находящихся под постоянным вниманием научно-технического сообщества и нуждающихся в проработке на основе дальнейшего развития научно-технической компоненты горнодобывающей и перерабатывающей отрасли.

В Российской Федерации  имеется значительный опыт по решению указанных проблем с использованием достижений в области фундаментальных и прикладных наук. Заметный вклад в этой области сделан отраслевыми и академическими институтами, вузами и университетами, и в целом научным сообществом России с использованием передовых научных подходов и производственного опыта отечественных и зарубежных предприятий.

Существенный вклад  в решение проблем минерально-сырьевого  комплекса на протяжении всего периода  существования с 1773 года вносит Национальный минерально-сырьевой университет «Горный» – Первое высшее техническое учебное заведение России, которое на современном этапе развития участвует в решении задач горнометаллургической отрасли по всему спектру имеющихся проблем. Несмотря на постоянное внимание к проблемам минерально-сырьевого комплекса и развитую исследовательскую инфраструктуру, направленную на их решение, заметная часть вопросов приобретает новые качества и новые аспекты, составляющие актуальные задачи современного горнометаллургического производства.