2

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРЧУВАННЯ ТА ТОРГІВЛІ

РОБОЧИЙ ЗОШИТ

для виконання лабораторного практикуму

з дисципліни «Основи наукових досліджень

та технічної творчості»

для студентів рівня бакалавр напряму підготовки

6.051701 “Харчові технології та інженерія”

Харків 2012

Затверджено кафедрою технології хліба, кондитерських, макаронних виробів і харчоконцентратів,

протокол №18 від 02.06.2008 р.

Схвалено науково-методичною комісією інженерно-технологічного факультету,

протокол № 7 від 25.06.2008 р.

Рецензент: д. т.н. професор Синєкоп М.С.

З М І С Т

ВСТУП	4
Загальні положення	6
Заняття № 1. Планування експерименту з використанням методу параметричного моделювання (4 год.)	8
Заняття № 2. Реалізація повного факторного експерименту (4 год.)	18
Заняття № 3. Складання математичної моделі (4 год.)	19
Заняття № 4. Проведення оптимізації методом “крутого сходження” (4 год.)	24
Заняття № 5. Аналіз результатів і звіт за проведеною науково-дослідною роботою (4 год.)	27
Методичні вказівки з проведення розрахунків за результатами досліджень під час використання табличної системи «ОНД»	29
Додаток А. Питання для контролю знань студентів	36
Додаток Б. Значення критерію Стьюдента	38
Додаток В. Значення критерію Кохрена	39
Додаток Г. Значення критерію Фішера	40
Додаток Д. Українсько-російський переклад спеціальних термінів	41
Додаток Ж. Приклад процедури лінеаризації математичної моделі	42
Література	44

ВСТУП

Сучасне виробництво потребує підготовки висококваліфікованих фахівців, які мають широкий науково-технічний кругозір, вміють швидко та ефективно вирішувати проблеми, що пов’язані з творчою дослідницькою діяльністю, володіти комп’ютерною технікою, використовувати інформаційні технології у своїй діяльності. Тому в процесі навчання у вищій школі для студента найважливим стає набуття навичок наукових досліджень і застосування програмних засобів під час обробки експериментальних даних.

Під час вивчення курсу “Основи наукових досліджень і технічної творчості” студенти набувають таких навичок і вмінь:

– проводити пошук, відбирати та аналізувати інформацію за темою наукового дослідження;

– формулювати мету та завдання дослідження;

– планувати та проводити експерименти з застосуванням різних програмних засобів;

– обробляти результати досліджень;

– формулювати висновки за одержаними результатами наукового дослідження.

Використання програмних засобів під час обробки одержаних даних у лабораторному практикумі дозволяє позбути рутинної роботи, дає можливість скоротити час для проведення розрахунків, надасть можливість студентам зайнятися роботою з наковою літературою, методиками і основними етапами виконання наукових досліджень та впровадження їх у практику, найбільш повно закріпити знання, які отримані під час вивчення даної дисципліни і дисципліни «Інформатика».

Одними з перспективних наукових методів дослідження, які застосовуються під час вивчення технологічних процесів, є сучасні методи планування експерименту з метою одержання математичної моделі процесу та математичної обробки результатів з метою подальшого використання матеріалів дослідження для оптимізації технологічного процесу.

Метою лабораторного практикуму є засвоєння методів математичного планування, що дозволяють відшукати оптимальні умови проведення технологічного процесу. Практикум складається з п’яти взаємопов’язаних лабораторних робіт, що поєднані однією темою.

Для автоматизації розрахунків у лабораторному практикумі створено багатофункціональну табличну систему "ОНД", яка містить у собі функціональні електронні таблиці, систему допомоги та вбудовану систему оперативного контролю.

Щоб експлуатувати "ОНД", необхідна ПЕОМ стандартної конфігурації з інстальованим інтегрованим пакетом прикладних програм Microsoft Office, що працює в операційному середовищі Windows.

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

Мета практикуму:	1. Закріплення знань, що отримані студентами на лекціях і внаслідок самопідготовки з теми “Організація науково-дослідних робіт”
	2. Надбання практичних навичок проведення наукових досліджень, визначення параметра оптимізації технологічного процесу та факторів варіювання, складання математичної моделі процесу, комп’ютерної обробки результатів дослідження та складання звіту про наукову роботу.
Очікуваний результат:	Одержання студентами знань та вмінь з правил постановки, планування та проведення експерименту, комп’ютерної обробки отриманих результатів, одержання оптимальних умов процесу, що досліджується, та оформлення звіту про наукову роботу.
Місце проведення практикуму:	- навчальні лабораторії кафедри технології хліба, кондитерських, макаронних виробів і харчоконцентратів; - комп’ютерні класи ОЦ університету.
Навчально-допоміжне і технічне забезпечення:	рекомендована література, комп’ютер, лабораторні прилади, посуд.
Використання комп’ютерної техніки:	обробка результатів (обчислення даних та побудова функційно-графічних залежностей).
Організація праці:	1. Перед початком лабораторного практикуму студенти проходять інструктаж з техніки безпеки роботи в лабораторії кафедри. 2. Повторюють правила організації робочого місця з проведення науково-дослідної роботи. 3. Одержують інформацію про обсяг, зміст та організацію всього лабораторного практикуму. 4. Аналізують особливості технологічних процесів, що пропонуються для дослідження. 5. Проводять дослідження і заносять до власного робочого зошиту одержані результати, свої спостереження, а також міркування, пояснення та висновки. 6. На кожному занятті проводиться опитування студентів з метою перевірки освоєння ними теоретичного матеріалу. Питання для контролю знань з теми кожного заняття наведені у додатку А.

Дослідження щодо оптимізації процесу можуть бути проведені згідно з алгоритмом, який наведено на рисунку 1.

Планування експерименту з використанням методу

параметричного моделювання та математичного планування

Складання параметричної моделі процесу, що досліджується

Вибір парамтерів оптимізації та факторів варіювання процесу

С кладання плану експерименту щодо оптимізації

технологічного процесу

Проведення оцінки точності обраного методу дослідження

Реалізація повного факторного експерименту

Перевірка відтворюваності експерименту

Складання математичної моделі

Перевірка вагомості коефіцієнтів рівняння регресії

Перевірка адекватності моделі реальному процесу

Проведення оптимізації процесу методом

“крутого сходження”

Аналіз результатів та звіт за проведеною

науково-дослідною роботою

Рисунок 1 - Алгоритм проведення дослідження щодо оптимізації процесу

Заняття 1

ПЛАНУВАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТУ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДУ ПАРАМЕТРИЧНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

ТА МАТЕМАТИЧНОГО ПЛАНУВАННЯ

Мета роботи - навчитись планувати експеримент з використанням параметричного моделювання та математичного планування

1.1 Складання параметричної моделі процесу, що досліджується

Загальні відомості

Складні системи (або процеси) на етапах їх дослідження підлягають різній мірі формалізації та деталізації залежно від їх складу, структури, властивостей, внутрішнього та зовнішнього впливу. Тому під час моделювання використовують різні види моделей.

Використання у дослідженні технологічних процесів кібернетичних методів моделювання надає можливість дослідникові уявитипроцеси, які вивчаються, у вигляді параметричної моделі з урахуванням вхідних, вихідних, керуючих та збурюючих факторів, що на нього впливають.

Дійсно, згідно з принципами кібернетичного моделювання, щоб процес був здатний функціонувати, він повинен мати хоча б один вихід і один вхід. Перетворення вхідного параметру у вихідний записують:

Y = T (X),

де Т - оператор трансформації, що являє собою закон переходу Х у Y.

Елементи упорядкованої сукупності множин Т, Z, Х, U, V, Y звуться : t Î T - моментом часу, z Î Z - станом елементу, х Î Х - вхідним , u Î U - керуючим, v Î V - збурюючим, y Î Y - вихідним параметрами.

Стан елементу в момент часу t позначається z (t), а параметри, які надходять в елемент (виходять з елементу) в момент часу, t - (x) t, u (t), v (t) та y (t). Процес функціонування елемента складається з послідовної заміни стану згідно з сигналами (впливу), що надходять і які упорядковуються залежно від моментів їх виникнення.

Побудова моделі “чорного ящика” грунтується на виділенні системи з середовища та відображенні входів та виходів системи.

Таким чином, система (або процес) може бути подана у вигляді параметричної моделі (рисунок 2).

Керуючі параметри

U₁

U₂

U_n

Вхідні параметри

Вихідні параметри

Х₁

Y₁

Y₂

Y_n

Х₂

Х_n

V₁

V₂

V_n

Збурюючі параметри

Рисунок 2 - Параметрична схема технологічної системи (елементу) - модель “чорний ящик”

Межі між системою та середовищем, як правило, не записуються, а визнаються існуючими. За перерахування входів та виходів можливе виникнення певних труднощів у дослідника системи.

Неможливо врахувати абсолютно усі входи, оскільки їх може бути велика кількість. Однак також неможна й зневажати деякими з них, які впливають на систему значною мірою. Тому просте, на перший погляд, питання про те, скільки та які саме входи складають моделі, потребує серйозного розгляду та визначається, перш за все, метою дослідження системи.

Послідовність виконання роботи

На початку заняття необхідно обрати процес та дати щодо нього пояснення:

Назва технологічного процесу, обраного для дослідження (за погодженням викладача) ____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Сутність процесу ____________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

Місце і значення даного процесу в технологіях харчових виробництв

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

Перерахувати вхідні та вихідні параметри в цій системі та виділити серед них керуючі та збурюючі параметри. На підставі пояснювальних даних процесу та практичного досвіду визначити верхнє та нижнє значення (у кількісному та якісному вираженні) параметрів, які розглядаються. Дані занести до таблиці 1.

Таблиця 1- Входи та виходи системи

№ з/п	Параметр	Вид дії (код)	Верхнє значення параметру	Нижнє значення параметру

Скласти параметричну модель процесу, зображаючи на ній параметри та їх кодовані значення (літерами та числовими індексами) – рисунок 3.

Рисунок 3 - Параметрична модель процессу, який досліджується _________________________