Полный факторный эксперимент второго порядка

Автор: Пользователь скрыл имя, 28 Марта 2012 в 15:34, реферат

Краткое описание

Чаще всего эксперимент ставят для решения одной из двух основных задач. Первую задачу называют экстремальной. Она заключается в отыскании условий процесса, обеспечивающих получение оптимального значения выбранного параметра. Признаком экстремальных задач является требование поиска экстремума некоторой функции. Эксперименты, которые ставят для решения задач оптимизации, называют экстремальными.

Файлы: 1 файл

16.doc

— 295.50 Кб (Скачать)

-             

y7             

             

7             

+             

+             

+             

-             

-             

+             

-             

-             

y7

 

8             

+             

-             

-             

+             

+             

-             

y8             

             

8             

+             

-             

+             

-             

+             

-             

+             

-             

y8

 

 

Определяющими контрастами реплики являются соотношения

 

1= x1x2x3x4;    1= x2x3x5.

Перемножив определяющие контрасты, получим третье соотношение

 

1= x1x4x5.

 

Полная характеристика разрешающей способности рассматриваемой реплики будет определяться обобщающим определяющим контрастом, имеющим вид

 

1= x1x2x3x4= x2x3x5= x1x4x5.

 

Схему смешивания оценок находим последовательным умножением обобщающего определяющего контраста на x1, x2, x3 и т. д.

 

x1= x2x3x4= x1x2x3x5= x4x5         b1 → β1 + β234 + β1235 + β45;

 

x2= x1x3x4= x3x5=x1x2x4x5          b2 → β2 + β134 + β35 + β1245;

 

x3= x1x2x4= x2x5=x1x3x4x5          b3 → β3 + β124 + β25 + β1345;

 

x4= x1x2x3= x2x3x4x5= x1x5         b4 → β4 + β123 + β2345 + β15;

 

x5= x1x2x3x4x5=x2x3= x1x4          b5 → β5 + β12345 + β23 + β14;

 

x1x2= x3x4= x1x3x5=x2x4x5          b12 → β12 + β34 + β135 + β245;

 

x1x3= x2x4= x1x2x5=x3x4x5          b13 → β13 + β24 + β125 + β345.

 

          Для 1/16 реплики генерирующими соотношениями

 

x4= x1x2x3;  x5= x1x2; x6= x1x3; x7= x2x3

 

матрица планирования представлена табл. 16.10. Определяющими контрастами этой реплики будут соотношения

 

1) 1= x1x2x3x4;       2) 1= x1x2x5;          3) 1= x1x3x6;          4) 1= x2x3x7.

 

          Если попарно перемножить определяющие контрасты 1х2; 1х3; 1х4; 2х3; 2х4; 3х4, то получим

 

1= x3x4x5;              1= x2x4x6;              1= x1x4x7;              1= x2x3x5x6;

 

1= x1x3x5x7;           1= x1x2x6x7.

 

          Произведения определяющих контрастов по три: 1x2x3; 1х2х4; 2х3х4; 1х3х4 - будут равны

 

1= x1x4x5x6;           1= x2x4x5x7;

 

1= x5x6x7;              1= x3x4x6x7.

 

          Умножая определяющие контрасты по четыре, получим

 

1= x1x2x3x4x5x6x7.

 

 

 

          Чтобы полностью характеризовать разрешающую способность данной реплики, запишем обобщающий определяющий контраст

 

1= x1x2x3x4= x1x2x5=x1x3x6=x2x3x7=x3x4x5=x2x4x6= x1x4x7= x2x3x5x6= x1x3x5x7=

 

x1x2x6x7= x1x4x5x6= x2x4x5x7= x5x6x7=x3x4x6x7= x1x2x3x4x5x6x7.

 

          Если эффектами взаимодействия, начиная с тройных, можно пренебречь, то коэффициенты будут оценками:

 

b1 → β1 + β25 + β36 + β47; b2 → β2 + β15 + β37 + β46; b3 → β3 + β16 + β27 + β45;

 

b4 → β4 + β35 + β26 + β17; b5 → β5 + β12 + β34 + β67; b6 → β6 + β13 + β24 + β57;

 

b7 → β7 + β23 + β14 + β56.

 

          Таким образом, получаем весьма сложную систему смешивания . Все линейные эффекты оказались смешанными с несколькими парными взаимодействиями, поэтому разрешающая способность этой дробной реплики очень низкая. Пользоваться такой репликой можно лишь в том случае, если все парные взаимодействия близки к нулю.

 

          Выбор дробной реплики зависит от конкретной задачи. Для получения линейной модели рекомендуют выбирать дробные реплики с возможно большей разрешающей способностью, т. е. реплики, у которых линейные эффекты смешаны с эффектами взаимодействия близкими к нулю. При выборе дробной реплики важно учитывать насыщенность плана, т. е. соотношение между числом опытов и числом коэффициентов, определяемых по результатам этих экспериментов. Дробная реплика, полученная заменой всех эффектов взаимодействия новыми факторами, называется насыщенной. Применение насыщенных планов требует минимального числа экспериментов. Число экспериментов в матрице насыщенной дробной реплики равно числу коэффициентов линейной модели. Гипотезу адекватности модели в этом случае проверить невозможно, так как число степеней свободы равно нулю.

 

          Например,  1/16-реплика  от   полного   факторного эксперимента 27 (табл. 16.10) является насыщенной, так как линейная модель не содержит коэффициентов, которые необходимо определить по результатам восьми экспериментов. При этом не остается степеней свободы дли проверки адекватности модели.

 

          Дробные реплики широко применяют при получении линейных моделей. Эффективность применения дробных реплик зависит от удачного выбора системы смешивания линейных эффектов с эффектами взаимодействия. При построении дробных реплик используют следующее правило: новый фактор, введенный в планирование, нужно поместить в столбец матрицы, принадлежащий взаимодействию, которым можно пренебречь.

 

16.4. Свойства матриц полного  и дробного

 

факторных экспериментов

 

 

 

          Для матриц таких экспериментов характерны следующие свойства.

 

          1. Свойство симметричности относительно центра эксперимента - алгебраическая сумма элементов столбца каждого фактора равна нулю:

 

 

 

где j - номер опыта; i - номер фактора; N - число опытов в матрице.

 

          2. Свойство нормировки - сумма квадратов элементов каждого столбца равна числу опытов:

 

 

 

          3. Свойство ортогональности - сумма построчных произведений элементов любых двух столбцов равно нулю:

 

 

 

где i, l - номера факторов, причем i¹l.

 

          Ортогональность является одним из наиболее важных свойств матрицы. Ортогональность матрицы позволяет оценить все коэффициенты уравнения регрессии независимо друг от друга, т. е. величина любого коэффициента не зависит от того, какие величины имеют другие коэффициенты. Если тот или иной коэффициент регрессии окажется незначимым, то его можно не учитывать, не пересчитывая остальных.

 

          4. Свойство ротатабельности: точки в матрице планирования подбирают так, что математическая модель, полученная по результатам полного или дробного факторных экспериментов, способна предсказывать параметры оптимизации с одинаковой точностью в любых направлениях на равных расстояниях от центра эксперимента. Это очень важное свойство матрицы, так как, начиная эксперимент, исследователь не знает, в каком направлении предстоит двигаться в поисках оптимума.

 

 

 

 

 

         

 

16.5.  Проведение эксперимента и обработка  его  результатов

 

 

 

          После выбора плана эксперимента, основных уровней и интервалов варьирования факторов переходят к эксперименту. Каждая  строка матрицы - что условия эксперимента. Для исключения систематических ошибок рекомендуется эксперименты, предусмотренные матрицей, проводить в случайной последовательности. Порядок проведения следует выбирать по таблице случайных чисел (табл. 11). Например, если требуется провести восемь экспериментов, то из случайного места таблицы последовательно выписывают числа, лежащие в интервале от 1 до 8, при этом не учитываются уже выписанные и числа больше восьми. Так, например, начиная с числа 87 (1-я строка табл. 16.11), получаем следующую последовательность реализации  экспериментов:

 

 

 

Номер опыта в матрице                                1     2        3        4        5     6    7     8

Порядок реализации экспериментов   7     2        8         3         1     4    5     6

 

    

Таблица 16.11Фрагмент таблицы случайных чисел

 

87             

63             

88             

23             

62             

51             

07             

69             

59             

02             

89             

49             

14             

98             

53             

41             

92             

36

 

07             

76             

85             

37             

84             

37             

47             

32             

25             

21             

15             

08             

82             

34             

57             

57             

35             

22

 

03             

33             

48             

84             

37             

37             

29             

38             

37             

89             

76             

25             

09             

69             

44             

61             

88             

23

 

13             

01             

59             

47             

64             

04             

99             

59             

96             

20             

30             

87             

31             

33             

69             

45             

58             

48

 

00             

83             

48             

94             

44             

08             

67             

79             

41             

61             

41             

15             

60             

11             

88             

83             

24             

82

 

24             

07             

78             

61             

89             

42             

58             

88             

22             

16             

13             

24             

40             

09             

00             

65             

46             

38

 

61             

12             

90             

62             

41             

11             

59             

85             

18             

42             

61             

29             

88             

76             

04             

21             

80             

78

 

27             

84             

05             

99             

85             

75             

67             

80             

05             

57             

05             

71             

70             

21             

31             

99             

99             

06

 

96             

53             

99             

25             

13             

63             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

             

 

 

 

 

 

          Для компенсации влияния случайных погрешностей каждый эксперимент рекомендуется повторить n раз. Эксперименты, повторенные несколько раз при одних и тех же значениях факторов, называют параллельными. Под дублированием понимают постановку параллельных экспериментов. Обычно число n параллельных экспериментов принимают равным 2-3, иногда – 4-5. При проведении исследований приходится иметь дело с тремя вариантами дублирования экспериментов: 1) с равномерным дублированием экспериментов; 2) с неравномерным дублированием экспериментов; 3) без дублирования экспериментов.

 

          При равномерном дублировании все строки матрицы планирования имеют одинаковые числа параллельных экспериментов. В случае неравномерного дублирования числа параллельных экспериментов  неодинаковы. При отсутствии дублирования параллельные эксперименты не проводятся. Наиболее предпочтительным из трех вариантов дублирования является первый. При этом варианте эксперимент отличается повышенной точностью, а математическая обработка экспериментальных данных - простотой. Характер дублирования  влияет на содержание математической обработки результатов наблюдений. Рассмотрим методику обработки результатов эксперимента для каждого из трех вариантов дублирования.

 

          Обработка результатов эксперимента при равномерном дублировании. Для каждой строки матрицы планирования по результатам n параллельных экспериментов  находят  среднее арифметическое значение параметра оптимизации:

 

 

 

где u - номер параллельного эксперимента; yju - значение параметра оптимизации в u-м параллельном эксперименте  j-й строки матрицы.

 

          С целью оценки отклонений параметра оптимизации от его среднего значения для каждой строки матрицы планирования вычисляют дисперсию  эксперимента по данным n параллельных экспериментов. Статистической дисперсией называют среднее значение квадрата отклонений случайной величины от ее среднего значения:

 

                                              (16.4)

 

          Ошибка sj эксперимента определяется как корень квадратный из дисперсии

 

 

 

          В этом случае ошибка  при большом рассеянии будет значительной. Рассеяние результатов эксперимента определяется влиянием неуправляемых факторов, погрешностями измерений и другими причинами. Большое рассеяние изучаемой величины может произойти из-за наличия в эксперименте сомнительных результатов. Для проверки сомнительных, т. е. резко выделяющихся результатов, используют специальные критерии; одним из таких критериев является отношение U (ГОСТ 11.002-73). Чтобы оценить принадлежность резко выделяющихся результатов yj max или yj min к данной нормальной совокупности и принять решение об исключении или оставлении их в составе выборки, находят отношение

 

или

 

где yj max - наибольшее значение параметра оптимизации среди его значений, полученных в n параллельных экспериментах j-й строки матрицы планирования; yj min - наименьшее значение параметра оптимизации среди его значений, полученных в n параллельных экспериментах j-й строки матрицы планирования.

 

          Результат сравнивают с величиной b, взятой из ГОСТ 11.002-73 (табл. 1)  для числа n параллельных экспериментов и принятого уровня значимости a. Число n параллельных экспериментов  и объем выборки n в рассматриваемом случае понятия равноценные. Если Umax³b, то сомнительный результат может быть исключен, в противном случае его считают нормальным и не исключают.

 

          Аналогично производится оценка результата yj min: если Umin³b, то сомнительный результат признают анормальным; при Umin<b подозреваемый в анормальности результат считают нормальным. Чтобы числа параллельных экспериментов  были одинаковы во всех строках матрицы, необходимо повторить те, результаты которых были признаны анормальными. В математической статистике для проверки гипотез пользуются критериями согласия. Для того чтобы принять или забраковать гипотезу при помощи этих критериев, устанавливают уровни значимости их. Уровень значимости представляет собой достаточно малое значение вероятности, отвечающее событиям, которые в данной обстановке исследования можно считать практически невозможными.

Информация о работе Полный факторный эксперимент второго порядка