3. Види експериментів

У залежності від кількості змінних факторів експеримент ділять на однофакторний і багатофакторний. При однофакторному експерименті вивчають вплив змінного фактора Х на результат Y у вигляді функції

Y = f (X). Якщо вивчають дію на об’єкт дослідження декількох факторів

Х₁, Х₂.... Х_к, то вибирають один з двох можливих способів. При першому окремо ставлять дослід для кожного із змінних факторів при стабілізації інших і отримують k окремих функцій Y = f₁ (X₁), Y = f₂ (X₂) ….Y = f_k (X_k), які пов’язують змінні фактори з вихідним параметром. Таким чином, хоч об’єкт дослідження багатофакторний, але задачу дослідження виконують у формі однофакторних експериментів. Другий спосіб полягає в тому, що за спеціальною матрицею змінюють одночасно значення усіх факторів, і в результаті отримують рівняння, яке зв’язує всі фактори Y = f (Х₁, Х₂.... Х_к). Саме такий вид експерименту називають багатофакторним.

Перевагою однофакторного експерименту є його простота виконання та обробки результатів кожного досліду, наочність результатів, можливість оперативно змінювати рівні факторів. До недоліків відноситься необхідність проведення великого об’єму дослідів при великій кількості змінних факторів; крім того, цей метод не дозволяє встановити вплив сукупності факторів на об’єкт.

У зв’язку з розвитком математичних методів планування експериментів, останнім часом багатофакторний експеримент знаходить широке застосування у всіх галузях науки, в тому числі і в лісообладнувальному комплексі та деревообробці.

Залежно від участі дослідника експеримент поділяють на активний та пасивний. При активному експерименті дослідник за заздалегідь наміченим планом змінює рівні факторів, у процесі роботи має можливість втручатися в хід дослідів, оперативно змінювати умови функціонування об’єкта дослідження. Це найбільш поширений вид експериментів, який проводять в лабораторних умовах. Але в деяких випадках, особливо виробничих умовах, дослідник не може втручатися в хід процесу, і робить висновки лише за результатами пасивного спостереження.

Залежно від призначення експерименти поділяють на пошуковий та основний. Пошуковий експеримент часто проводять перед основним для визначення характеру та законів розподілу вихідної величини, для аналізу діючих факторів, визначення їх рівнів, відкидання незначущих, для розрахунку кількості спостережень в основному експерименті, для відпрацювання методики досліджень і роботи експериментальної установки.

Задачі дослідження вирішують у процесі реалізації основного експерименту.

Пошукові досліди часом поєднують з основними. Наприклад, у випадку отримання непередбачених результатів визначають причину їх появи; в дослідженнях оптимізаційного характеру за допомогою пошукових дослідів знаходять самий короткий шлях до екстремуму.

4. Визначення сфери дослідження

Велике значення для проведення експерименту має попередній ретельно виконаний аналіз сфери дослідження. Повне уявлення про всі фактори, які можуть подіяти на об’єкт дослідження і всю інформацію, яку можна отримати від нього, дасть можливість правильно спланувати свої дії, уникнути методичних помилок і більш цілеспрямовано і з меншими витратами досягнути поставленої мети.

Визначити сферу експерименту – означає встановити усі діючі фактори, правильно вибрати змінні фактори, визначити їх рівні та вибрати вихідні параметри. Цю роботу проводять на основі апріорної інформації, отриманої при вивченні літературних джерел з теми дослідження. У процес дослідження вводять і в подальшому контролюють всі фактори, вплив яких або встановлений, або тільки припускається. Кількість таких факторів повинна бути якомога більшою. Чим менша кількість факторів, що залишилась поза увагою дослідника, тим меншими будуть похибки результатів дослідів. Фактори, що впливають на процес, доцільно розділити на групи для окремих елементів, які беруть участь у процесі, що досліджується, наприклад, для матеріалів, обладнання, умов протікання процесу і т.д. Такий підхід дає можливість більш повно врахувати дані фактори та доповнювати їх список у процесі аналізу сфери дослідження. Наприклад, елементами процесу склеювання є матеріал, який склеюється, клеючі матеріали та умови склеювання. Фактори, що відносяться до матеріалу, який склеюється, є порода деревини, її вологість, температура, напрямок волокон, структура та шорсткість поверхні. Фактори, які характеризують клей: марка смоли, її в’язкість, концентрація, життєздатність, температура, вид та кількість затверднювача. До умов склеювання можна віднести: спосіб нанесення клею на поверхню деревини, витрати клею, час відкритої витримки, час закритої витримки, температура та тиск при пересуванні, час витримки під тиском, час витримки після склеювання. Список вказаних факторів можна доповнити залежно від конкретних умов склеювання.

Наступним етапом є вибір та обгрунтування постійних та змінних факторів. Вибір змінних факторів повинен забезпечити вирішення певних науково-технічних задач, поставлених в дослідженні. Кількість таких факторів повинна бути мінімальною, але достатньою для вирішення конкретних наукових проблем. При виборі змінних факторів потрібно врахувати керування ними. Якщо керування рівнями фактору обмежене або неможливе, то його слід віднести до групи постійних факторів.

Керуючись попередньо зібраною інформацією про процес, який досліджується та задачами дослідження, встановлюють для змінних факторів межі їх зміни – найменші та найбільші значення.

Зміну факторів залежно від умов дослідження вибирають в широких або вузьких межах. Якщо досліджується вплив температури взагалі на міцність склеювання, то межі вибирають широкими, наприклад, від 60 до 150 ⁰С. Якщо таке дослідження виконують для пресу з паровим підігрівом плит, то межі беруть вузькими – від 120 до 135 ⁰С. При виборі меж фактору потрібно врахувати, що зміна фактору в цих межах повинна викликати помітну зміну вихідного параметра. Крім цього, якщо передбачається екстремум функції, то потрібно прагнути, щоб межі зміни фактору змогли його виявити.

Межі зміни фактору розділяють на інтервали. Інтервали можуть бути рівними або нерівними. Якщо дослідження планують за класичним способом, то вибір кількості інтервалів і їх величини проводиться дослідником довільно і обмежується з одного боку точністю одержаних результатів (чим більша кількість інтервалів, тим точніші результати) та об’ємом досліджень з другого боку (із збільшенням кількості інтервалів збільшується кількість дослідів). При використанні математичних методів планування експерименту, як кількість інтервалів, так і значення факторів в інтервалах точно визначені.

Для кожного з постійних факторів визначають рівень, на якому він повинен бути стабілізований. Рівень в цьому випадку вибирають у межах можливих значень фактора в реальних умовах з урахуванням технічних і технологічних можливостей обладнання, засобів вимірювань, технічних умов на матеріали.

Про вплив змінних факторів судять за наслідками вихідного параметру. Вибір вихідних параметрів залежить від мети та задач дослідження і в кожному конкретному випадку повинен бути обгрунтований з технічних та економічних міркувань. Неправильний вибір вихідного параметра може знецінити всю проведену роботу.

У дослідженнях оптимізаційного характеру, коли метою роботи є знаходження мінімуму або максимуму вихідного параметра (в цьому випадку його називають параметром оптимізації), правильний його вибір має особливе значення. В багатьох випадках можливий вибір декількох параметрів оптимізації процесу; оптимальний за одним параметром, може бути неоптимальний за іншим. Наприклад, процес склеювання, оптимальний щодо міцності, тобто такий, що забезпечує максимальну в даних умовах міцність склеювання, не обов’язково буде забезпечувати мінімальну собівартість.