Формальные методы построения математических моделей

Автор: Пользователь скрыл имя, 13 Февраля 2012 в 21:55, лекция

Краткое описание

Впервые методы планирования эксперимента были разработаны Р. Фишером в начале 20-х годов применительно к сельскому хозяйству. С начала 50-х годов начинается интенсивное применение планирования эксперимента в химии и химической технологии.

Файлы: 1 файл

Формальные методы построения математических моделей.docx

— 27.08 Кб (Скачать)

Формальные методы построения математических моделей. 

Впервые методы планирования эксперимента были разработаны Р. Фишером  в начале 20-х годов применительно  к сельскому хозяйству. С начала 50-х годов начинается интенсивное  применение планирования эксперимента в химии и химической технологии. 

В СССР работы по планированию эксперимента начаты в 1960 году под руководством В. В. Налимова, и в настоящее время это — один из методов научного исследования. 

Методы планирования эксперимента используются при исследовании различных объектов: доменных печей, листопрокатных станов, электролизных  ванн, металлорежущих станков, радиоэлектронных устройств и др.  

Выбор факторов и  переменных состояния объекта исследования 

  

Объект химической технологии можно представить схемой, изображенной на рис. . По традиции входные управляемые переменные обозначим : x1, x2, ..., хn и согласно принятой терминологии назовем их факторами.; выходные—у1, у2, ..., уm . Они называются  переменными состояния, функцией отклика. 

Выбор переменных состояния. Различают экономические и технологические  переменные состояния. В качестве экономических используют производительность, себестоимость и другие показатели. Технологическими переменными служат качество продукта, выход целевого продукта, надежность получаемых изделий и др. Объект исследования может иметь несколько переменных состояния, которые следует сократить до минимума. Опыт показывает, что в большинстве случаев удается ограничиться одной переменной состояния, и тогда вектор У превращается в скаляр у.  

Если переменных состояния несколько, то эксперимент  проводится по каждой из них, а затем  решается компромиссная задача. 

При выборе переменной состояния необходимо учитывать  следующие требования: 

1) переменная состояния  должна иметь количественную  характеристику, т. е. измеряться; 

2) переменная состояния  должна однозначно измерять эффективность  объекта исследования; это требование  эквивалентно корректной постановке  задачи; 

3) переменная состояния  должна быть статистически эффективной,  т. е. обладать возможно меньшей дисперсией при проведении опытов; это позволяет хорошо различать опыты. 

Правильный выбор  переменной состояния объекта исследования повышает шансы экспериментатора на успех. 

Выбор факторов. При  выборе факторов нужно выполнять  следующие требования: 

1) фактор должен  быть регулируемым, т. е. с помощью  определенного регулирующего устройства  фактор можно изменять от значения x1 до значения x2. Например, расход  вещества может быть изменен  от 30 л/ч до 40 л/ч или количество  вещества А в 100 г смеси — от 10 г до 20 г (системотехники называют это операционной определенностью). 

2) точность измерения  и управления факторов должна  быть известна и достаточно  высока (хотя бы на порядок  выше точности измерения выходной  переменной); очевидно, что низкая  точность измерения факторов  уменьшает возможности воспроизведения  эксперимента. 

К факторам и переменным состояния одновременно также предъявляется  ряд требований: 

1) факторы и переменные  состояния должны иметь области  определения, заданные технологическими  или принципиальными ограничениями  (пример технологического ограничения  — максимальная производительность  компрессора, подающего газ в  реактор; 

пример принципиального  ограничения — температура кристаллизации жидкого продукта, образующегося  в результате реакции);  

области определения  факторов должны быть таковы, чтобы  при различных их комбинациях  переменные состояния не выходили свои ограничения; 

2) между факторами  и переменными состояниями должно  существовать однозначное соответствие; оно позволит в основном эксперименте  построить математическую модель  объекта исследования и решить  поставленную задачу эксперимента. 

  

Планирование эксперимента 

Пассивный и активный эксперимент. Метод наименьших квадратов  позволяет получить описание объекта  по любым данным, лишь бы матрица  системы нормальных уравнений была  невырожденной. Поэтому с появлением ЭВМ возникла идея — получать математические описания технологических процессов, пользуясь в качестве исходных данных результатами нормальной эксплуатации процесса. 

В реальных условиях технологический процесс все  время испытывает случайные колебания  режима. Сегодня значения контролируемых факторов—несколько иные, чем вчера, а завтра будут еще немного другими. Нельзя ли каждое изменение режима рассматривать как эксперимент, и, обработав совокупность таких «экспериментов» методом наименьших квадратов, получить описание процесса, а затем использовать это описание для управления и оптимизации? Такой подход получил название пассивного экспе­римента. 

Достоинство пассивного эксперимента—отсутствие затрат на опыты: данные получаются «сами собой». Но надежды, возлагавшиеся на этот метод, в большинстве случаев не оправдались. 

Анализ неудач пассивного эксперимента  выявил несколько  их причин.  

·        Во-первых, в нормальных условиях колебания  режима малы, опытные точки находятся  близко одна к другой. Хорошо известно, что чем ближе опытные точки, тем сильнее влияют на описание случайные  ошибки. Действительно, различия в получаемых значениях отклика при этом малы, и эти малые различия плохо  выделяются на фоне шума—случайных ошибок. Поэтому значения коэффициентов регрессии оцениваются со значительными ошибками. 

·        Во-вторых, в пассивном эксперименте факторы сильно коррелированны. Это делает крайне ненадежным анализ влияния отдельных факторов—всегда может оказаться, что влияет не данный фактор, а другой, с ним коррелированный. 

·        В-третьих, сами значения факторов в  производственных условиях часто измеряются с заметными ошибками; поэтому  применение метода наименьших квадратов  в его обычном варианте становится некорректным. 

В связи с этим в теории эксперимента любой эксперимент, при планировании которого не учтено влияние плана эксперимента на статистические свойства получаемых оценок, часто  называют пассивным. Ему противопоставляют  активный эксперимент, в основе которого лежит планирование эксперимент  а. 

Планы экстремального эксперимента. Химики-технологи наиболее широко пользуются планами так называемого экстремального эксперимента, разработанными для определения оптимальных условий протекания процессов в объектах исследования. Оптимум определяется по математической модели объекта исследования, которую ищут в виде полиномиального уравнения: 

  
 
 

  

  

  

если объект характеризуется  одной переменной состояния. Логику появления полинома как математической модели объекта исследования можно  объяснить следующим образом. Исследователь  полагает, что математическую модель объекта принципиально можно  представить дифференциальными  уравнениями. В общем виде искомое  решение можно пред­ставить функцией: 

y= F (X,b),                              

где у—переменная состояния объекта исследования; Х—матрица факторов; b — матрица коэффициентов. 

Коэффициенты b полинома можно интерпретировать как коэффициенты ряда Тейлора, в который «удается»  разложить решение  в окрестностях некоторой точки . 

Пользуясь статистическими  методами и учитывая конечность экспериментальных  данных, можно получить оценки  коэффициентов  регрессии b- b в уравнении (1). 

Уравнение (1)называют уравнением регрессии и широко используют для получения математической модели объекта исследования.  

Обработка экспериментальных  данных. 

Прежде чем приступить к планированию эксперимента, необходимо убедиться в том, что опыты  воспроизводимы, Для этой цели проводят N серий  из k параллельных опытов в  рассматриваемой области изменения  влияющих факторов. 

            Результаты  опытов заносятся  в таблицу:

Номер 

серии 

опытов 

  

Результаты параллельных опытов 

  

yj,средн. 

  

sj2 

Y11 

Y12 

……….. 

Y1k 

Y1средн 

s12 

Y21 

Y22 

……….. 

Y2k 

Y2средн 

s22 

Y31 

Y32 

……….. 

Y3k 

Y3средн 

s32 

  

  

  

  

  

  

  

Yj1 

Yj2 

……….. 

Yjk 

Yjсредн 

sj2 

  

  

  

  

  

  

  

YN1 

YN2 

  

YNk 

YNсредн. 

SN2 
 

  

  

  

  

1)      Определяется  среднее арифметическое значение  функции отклика для любой  серии опытов j (j=1(1)N): 
 
 

 Оценивается дисперсия  для каждой серии параллельных  опытов: 
 
 

            Определяется расчётное значение  критерия Кохрена:        ;  

                                            

4)  По специальным  таблицам определяют  табличное   значение Кохрена - GT. Они зависят от  доверительной вероятности P(как правило P=0.95),от N и от f=k-1. 

Если выполняется  условие :  Gp GT , то опыты считаются воспроизводимым 

Определяется  погрешность  эксперимента. Оценка дисперсии воспроизводимости рассчитывается по формуле: ,с ней связано число степеней свободы N*(k-1) 

  

Полный факторный  эксперимент. 

  

В последовательности реализации планов можно выделить следующие  этапы: 

1) оценка априорной  информации и отсеивание факторов, несущественных для конкретного  объекта исследования; 

2) получение математической  модели объекта в виде линейной  функции отклика; 

3) поиск оптимальной  области объекта по линейной  функции отклика; 

4) получение математической  модели объекта исследования области оптимума в виде нелинейной функции отклика; 

5) поиск оптимальной  координаты факторного пространства  в области оптимума. 

Экстремальный эксперимент  заканчивается определением оптимальной  координаты, соответствующей оптимальным  условиям протекания процессов объекта  исследования. 

В подавляющем большинстве  процессы химической технологии являются сложными; на процесс влияет не один, а ряд факторов. 

Возможны два подхода  к исследованию таких многофакторных систем. Первый можно описать формулой: «Изменяй факторы по одному». Исследование системы разбивается на серии, в  пределах каждой из которых изменяется (варьируется) лишь один фактор, а остальные  неизменны. В следующей серии  изменяется второй фактор и т. д. Идея другого подхода— построить план эксперимента, предусматривающий изменение всех влияющих факторов, с тем, чтобы этот план обеспечивал максимум точности, минимум корреляции и другие хорошие статистические свойства. Такой эксперимент называют многофакторным. 

Информация о работе Формальные методы построения математических моделей