4.4. Применение плана первого порядка дробного факторного эксперимента для исследования технических устройств

Исследование технических объектов обычно связано с их математическим описанием, которое позволяет выбрать структуру и параметры устройства на стадии разработки, а также организовать наиболее эффективные режимы функционирования в процессе эксплуатации.

Для ряда устройств построению эмпирической модели предшествует получение теоретической модели. Сравнение результатов эксперимента с теоретической зависимостью позволяет объяснить смысл изучаемого явления и показать преимущества эксперимента.

В качестве примера рассмотрим усилитель с положительной и отрицательной обратными связями. Схема усилителя собрана на ин-

образуют положительную обратную связь, которая при определенных

соотношениях между сопротивлениями повышает коэффициент усиления по напряжению схемы

в зависимости от параметров отрицательной и положительной обратных связей коэффициент усиления

KU изменяется в широких пределах, а при некоторых значениях сопротивлений схема может оказаться неработоспособной.

Для решения поставленной задачи исследования получим теоретическую и эмпирическую модели усилителя, а затем сравним их.

77

4.4.1. Теоретическая модель усилителя

Для схемы, собранной на операционном усилителе, при выводе зависимости KU f R1,R2,R3,R4 принимаются следующие допуще-

ния: коэффициент усиления в разомкнутом состоянии и его входное сопротивление бесконечно велики. Следовательно, потенциалы в точках 1, 3 (см. рис. 4.3) одинаковы:

Выражение (4.43) является общим, так как из него могут быть получены известные соотношения коэффициентов усиления по напряжению для инвертирующего и неинвертирующего усилителей. При R4 (разомкнута положительная обратная связь) находим коэффициент усиления для инвертирующего усилителя:

Усилитель устойчиво работает при отрицательных значениях KU , т.е. условие устойчивой работы определяется неравенством

78

принималось допущение об идеальности операционного усилителя К140УД6, на котором собран усилитель напряжения.

По результатам экспериментального исследования можно оценить, насколько реальный коэффициент усиления KU отличается от теоретического и в каких пределах он будет изменяться при отклонении факторов R1, R2, R3 , R4 от их номинальных значений.

В процессе эксперимента коэффициент усиления определяется как отношение выходного и входного напряжений по формуле (4.37). Оба напряжения измеряются комбинированным цифровым прибором Щ4310. Согласно паспортным данным основная относительная погрешность 0 измерения постоянного напряжения определяется в процентах выражением

обусловленная отклонениями температурыИи напряжения питания от

номинальных значений. Дополнительная погрешность используемого

Входное сопрот влен е RВХ прибора при измеряемых напряжениях 2 мВ – 20 В RВХ 100 МОм. Входное напряжение постоянного тока UВХ 13 мВ снимается с источника ВСП-50. Величины варьируемых сопротивлений устанавливаются с помощью измерительных магазинов сопротивления Р33 с погрешностью (%)

где RN – наибольшее значение сопротивления магазина (100 кОм); RX – номинальное значение включенного сопротивления.

Выбор интервалов варьирования и кодирование факторов. Ин-

тервалы варьирования факторов определяются в предварительном эксперименте из условия существенного (на 30 – 40 %) изменения отклика – коэффициента усиления. Заданное изменение отклика имеет

80

место при изменении сопротивлений примерно на 10 % от номинального значения. В качестве номиналов сопротивлений приняты их значения, соответствующие KU 92,5. Номинальные значения (основные уровни) факторов и интервалы их варьирования представлены в табл. 4.17.

Таблица 4.17

Условия эксперимента

План и результаты эксперимента. В предварительном экспе-

рименте выяснено, что взаимодействие факторов X1X3X4 , т.е. коэф-

ве плана эксперимента можно принять план ФЭ 24 1 с генерирую-

парных взаимодейств й между со ой. Так как тройные взаимодейст-

следует считать допуст мым. План и результаты измерения отклика

UВХ 13мВ. Повторные измерения дают тот же результат, поэтому в каждой строке плана проводится одно измерение отклика. Дисперсию воспроизводимости в таком случае следует определять по метрологическим характеристикам средства измерения. Основную и дополнительную погрешности измерения вольтметра Щ4310 определяем по формулам (4.48) – (4.50). В эксперименте выходное напряжение измерялось на пределе UN 2 В и составляло UВЫХ 1 1,5 В. Следова-

81

тельно, основная относительная погрешность прибора 0 1%, дополнительная Д 1,5 0 1,5%, общая погрешность 2,5%.

Таблица 4.18

План и результаты ДФЭ 24 1

этому среднее квадрат ческое отклонение результата измерения –

82

Ошибка определения коэффициентов bu вычисляется по формуле (4.18) и составляет

2 b 2tT Sb 2 1,86 0,5 1,86.

Табличное значение t-критерия Стьюдента определяем для уровня значимости 0,05 и числа степеней свободы d.f N 8.

Коэффициенты, характеризующие взаимодействие факторов, оказались статистически незначимыми, поэтому уравнение регрессии имеет вид

FT 3,838. Так как F FT , то уравнение (4.54) адекватно описывает функцию отклика.

По полученной модели могут быть вычислены коэффициенты влияния (чувствительности) факторов на коэффициент усиления и определены числовые характеристики KU как случайной величины в зависимости от разброса сопротивлений резисторов. Для этого в уравнении (4.54) необходимо перейти от кодированных факторов к физическим переменным. Тогда

83