Контрольные вопросы

1. Что такое экологическая сертификация?

2. В чем состоят задачи экологической сертификации?

3. Какие бывают объекты экологической сертификации?

7. Планирование промышленного эксперимента

На современном этапе научно-технического прогресса необыкновенно возрастает роль средств, позволяющих рационально использовать ресурсы, выделенные для решения народнохозяйственных задач. Кибернетика предлагает такие средства, как исследование операций, теория систем, математическое моделирование, теория эксперимента, вычислительная техника и др.

Часть этих методов предназначена для увеличения эффективности научного эксперимента на всех стадиях разработки, исследования, проектирования и эксплуатации производств. Единство теории и практики эксперимента совместно с вычислительной техникой образуют комплекс автоматизированного эксперимента, предназначенный для повышения производительности научного труда.

Объект химической технологии, на котором осуществляется планируемый эксперимент, характеризуется обязательным условием – все входные переменные, или факторы, x₁, х₂,..., х_п должны быть управляемыми. Этого требует сама постановка планирования эксперимента, предполагающего активное вмешательство в ход эксперимента. Такой объект химической технологии называют объектом исследования.

Согласно принятой терминологии факторы х₁, х₂. ..., х_п – это измеряемые к регулируемые входные переменные объекта (независимые переменные); помехи z₁, z₂, ..., z_s – это неконтролируемые, случайным образом изменяющиеся переменные объекта; выходные переменные y₁, y₂, ..., y_m – это контролируемые переменные, которые определяются факторами и связаны с целью исследования. Часто в планируемом эксперименте Y называют параметром оптимизации (технологический или экономический показатель процесса).

Факторы х₁, х₂, ..., х_n иногда называют основными, поскольку они определяют условия эксперимента. Помехи z₁, z₂, ...., z_s – как правило, недоступны для измерения. Они проявляются лишь в том, что изменяют влияние факторов на выходные Переменные. Объект исследования может иметь несколько выходных переменных.

Количество факторов и характер их взаимосвязей с выходной переменной определяют сложность объекта исследования. При наличии качественной статистической информации о факторах и зависящей от них выходной переменной можно построить математическую модель объекта исследования или функцию отклика у = f(x₁, х₂, ..., х_n), связывающую параметр оптимизации с факторами, которые варьируются при проведении опытов.

Пространство с координатами х₁, х₂, ..., х_n принято называть факторным, а графическое изображение функции отклика в факторном пространстве – поверхностью отклика).

При описании объектов, находящихся в стационарном состоянии, математическая модель чаще всего представляется полиномом:

y = f (x_l, х₂, ..., х_n, β₀, β₁, …, β_n). (41)

Поскольку в реальном процессе всегда существуют неуправляемые и неконтролируемые переменные, величина y носит случайный характер. Поэтому при обработке экспериментальных данных получаются так называемые выборочные коэффициенты регрессии b₀, b₁, ..., b_i, ..., b_n, являющиеся оценками теоретических коэффициентов β₀, β₁, ..., β_i, ..., β_n.

Математическая модель в форме уравнения регрессии общем случае будет иметь вид

(42)

Составлению плана эксперимента всегда должны предшествовать сбор априорной информации для составления характеристики объекта исследования, опыты по наладке экспериментальной установки и при необходимости – опыты для установления области определения наиболее существенных факторов и выходной переменной.

Теорией и практикой эксперимента выработаны определенные требования (условия), которым должны удовлетворять независимые и зависимые переменные. Поэтому на стадии подготовки к проведению эксперимента весьма полезны приведенные ниже рекомендации.

1. При выборе выходной переменной необходимо учитывать, что она должна: иметь количественную характеристику, т.е. должна измеряться; однозначно оценивать (измерять) работоспособность объекта исследования; быть статистически эффективной, т.е. иметь возможно меньшую дисперсию при проведении опытов (это позволяет четко различать опыты); отражать как можно более широкий спектр исследуемого явления, т.е. обладать универсальностью (практически это требование обеспечить трудно, тогда рекомендуют пользоваться так называемой обобщенной переменной); иметь достаточно четкий физический смысл.

Удачный выбор выходной переменной в значительной степени определяется уровнем знания технологии.

2. При выборе факторов нужно выполнять следующие требования: фактор должен быть регулируемым, т.е., определенным регулирующим устройством фактор должен изменяться от значения x'_i до значения x"_i (например, расход вещества может изменяться от 30 до 40 л/ч или количество вещества А в смеси от 10 до 80%, это свойство называют операционной определенностью); точность измерения и управления фактором должна быть известна и достаточно высока (хотя бы на порядок выше точности измерения выходной переменной), очевидно, что низкая точность измерения фактора уменьшает возможности воспроизведения эксперимента; связь между факторами должна быть как можно меньшей (в пределе должна отсутствовать), это свойство называют однозначностью факторов, Что соответствует независимости одного фактора от другого.

Ряд требований предъявляется одновременно к факторам и выходной переменной: факторы и выходная переменная должны иметь области определения, заданные технологическими или принципиальными ограничениями (пример технологического ограничения – максимальная производительность компрессора, подающего газ в реактор; пример принципиального – температура кристаллизации жидкого продукта, образующегося в результате реакции); области определения факторов должны быть таковы, чтобы при их предельных значениях значение выходной переменной оставалось в своих границах; между факторами и выходной переменной должно существовать однозначное соответствие (причинно-следственная связь).

Успех современного экспериментирования в значительной мера обязан теории эксперимента, которая признана дать экспериментатору ответы на следующие вопросы:

1. Как нужно организовать эксперимент, чтобы наилучшим образом решить поставленную задачу (в смысле затрат времени, средств или точности результатов)?

2. Как следует обрабатывать результаты эксперимента чтобы получить максимальное количество информации об исследуемом объекте?

3. Какие обоснованные выводы можно сделать об исследуемом объекте по результатам эксперимента?

Основой теории эксперимента является статистическое представление об эксперименте (рассматриваются случайные величины или случайные функции). Это представление отвечает действительности: как правило, итоги эксперимента связаны с некоторой неопределенностью, получающейся в результате влияния неконтролируемых факторов случайного характера процесса на микроуровне, изменений условий эксперимента, ошибок измерения и др.

Статическое представление об эксперименте позволило перейти к многофакторному активному эксперименту, в котором удается надёжно отделить влияние факторов от шумового фона и перейти к статистически обоснованным методам анализа результатов и принятия решений.

Теория эксперимента использует принципы и концепции кибернетики, такие как математическое моделирование, оптимизация. Большое значение имеет концепция: оптимального использования факторного пространства с точки зрения определенных характеристик точности решения. Так, удается получать оценки коэффициентов модели, обладающие минимальной дисперсией, или удаётся получать наилучшие предсказательные свойства модели. Теория эксперимента указывает исследователю точную логическую схему и способы поиска решения задач на разных этапах исследования. Можно представить весь процесс исследования циклами, повторяющимися после решения каждой из последовательных задач исследования, причем объем знаний об объекте непрерывно увеличивается.