Современный этап развития науки характеризуется:

-участием больших научных коллективов в решении крупных комплексных проблем;

-сложным оснащением исследований;

-требованием сокращения продолжительности исследований;

-требованием повышения эффективности труда ученых на базе автоматизации научных исследований (НИ).

Автоматизация НИ - это область, где зарождаются, опробываются

иразрабатываются новые идеи и технические решения по измерению параметров природных и технических объектов, формализации их модельного описания и анализа.

Современные экспериментальные НИ основаны на широком ис­ пользовании измерительно-вычислительных комплексов, проблемно ориентированных по отдельным направлениям исследований. При этом специализация касается в основном измерительной части и про­ граммного обеспечения. Такая специализация приводит к удорожа­ нию автоматизированных систем НИ (АСНИ), и внесение большей унификации в эту область было бы полезным.

Автоматизация НИ охватывает широкий круг проблем:

1)совершенствование организации научных коллективов;

2)планирование исследований на основе применения методов кибернетики;

3)моделирование элементов творческого процесса;

4)создание средств и систем автоматизации экспериментов;

5)создание автоматизированных научных приборов.

Цель автоматизации НИ - это совершенствование и разработка принципиально новых методик проведения, технологий исследований и организации научно-исследовательской работы, а в перспективе - полное переоснащение научно-исследовательских организаций со­ временными научными приборами, оборудованием для проведения исследований и средствами кибернетической техники. Это позволит значительно увеличить производительность труда ученых, освоить принципиально новые области исследования и методы, обеспечи­ вающие получение ранее недоступных научных результатов, сокра­ тить сроки исследований, ускорить обработку и увеличить объем на­ учной информации, что в итоге будет способствовать дальнейшему

развитию фундаментальных направлений в науке и получению значи­ тельного народно-хозяйственного эффекта.

Основой такого переоснащения являются АСНИ различных уровней иерархии. АСНИ отличаются от других типов автоматизи­ рованных систем (например, управление технологическими процес­ сами - АСУТП, управление производством - АСУП, проектирование - САПР и др.) характером информации на выходе системы. Это, прежде всего обработанные или обобщенные данные, получаемые

врезультате научной деятельности человека, а также создаваемые на их основе модели. Поэтому АСНИ являются системами для полу­ чения, корректировки и исследования моделей, используемых затем

вдругих типах автоматизированных систем для управления, прогно­ зирования или проектирования.

Благодаря разработке и практическому применению систем авто­ матизации научно-технических экспериментов, автоматизированных систем управления научно-исследовательскими организациями, ин­ формационно-поисковых систем для научно-исследовательских орга­ низаций открыты новые возможности в организации отдельных об­ ластей научной деятельности и можно достичь качественно новых результатов во многих областях науки и техники.

Учебное пособие включает в себя введение, шесть глав, заключе­ ние, список литературы. Глава 1 посвящена современным НИ и их ав­ томатизации, в главе 2 рассматривается спектральный анализ иссле­ дуемого объекта. Глава 3 посвящена применению на практике спек­ трального анализа исследуемого объекта. В главе 4 рассматриваются вопросы статистической обработки результатов измерений, а глава 5 посвящена построению математической модели исследуемого объекта. Вопросы планирования эксперимента рассматриваются в главе 6.

1.СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ИИССЛЕДОВАНИЯ

ИИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

1.1.Характерные особенности современных НИ

Внаше время наука превратилась в одну из основных движущих сил научно-технического прогресса. Революционные сдвиги, проис­ шедшие в технике, - прямое следствие высокого уровня, достигнутого наукой, роль которой с каждым годом неуклонно возрастает. Научные исследования (НИ) представляют собой познавательный процесс, ре­ зультатом которого является новая информация, необходимая для ре­ шения определенной проблемы. Наука развивается по ряду направле­ ний, в связи с этим НИ весьма разнообразны.

НИ начинаются с постановки задачи, в которой формально опре­ деляется подлежащая решению научная проблема, намечаются сроки проведения работ и ресурсы, отводимые для этой цели.

Следующий этап НИ - поиск, систематизация, обобщение и ана­

лиз существующей первичной информации - в основном связан с библиографическими исследованиями.

На основе анализа имеющейся информации разрабатываются априорные гипотезы, предположительно описывающие исследуемое явление и не противоречащие до сих пор известным фактам. Выби­ раются критерии оценки результатов НИ, методы и средства их про­ ведения в целях проверки и уточнения априорных гипотез.

Далее НИ развиваются по двум руслам: экспериментальные НИ и теоретические НИ. Более подробно рассмотрим экспериментальные НИ, которые могут проводиться как наблюдения в естественных усло­ виях, либо как исследования методами физического моделирования. При использовании методов физического моделирования значитель­ ную роль играет планирование эксперимента. Задача планирования эксперимента состоит в организации изменений условий (активных воздействий на исследуемое явление) эксперимента таким образом, чтобы кратчайшим путем и в достаточном количестве получить пер­ вичную информацию, характеризующую объект исследований с задан­ ной достоверностью. Как при физическом моделировании, так и при проведении наблюдений в естественных условиях, основной целью эксперимента является извлечение первичной информации, для чего

используются измерения, запись наблюдений и т.п. Полученная пер­ вичная информация должна быть собрана, а в необходимых случаях преобразована к требуемому виду. Современные средства извлечения данных часто имеют очень высокую информативность, благодаря чему можно достаточно быстро провести всесторонние исследования. Одна­ ко при этом наряду с полезной первичной информацией накапливается значительное количество малоценных данных, которые должны быть отсеяны. «Обогащенная» таким образом первичная информация накап­ ливается с целью обеспечения требуемой полноты описания исследуе­ мого явления. Далее для повышения объективности первичной инфор­ мации ее обобщают. На основе математической обработки обобщенной первичной информации определяют эмпирические зависимости, харак­ теризующие исследуемые явления.

Теоретические НИ основаны на использовании существующих и специально создаваемых для конкретной задачи методов математи­ ческого анализа. Особым видом теоретических НИ является матема­ тическое моделирование, которое можно назвать математическим экспериментом.

В процессе теоретических исследований осуществляется анализ разработанных ранее гипотез, на основе которого определяются зави­ симости, характеризующие исследуемое явление.

Критерием истины, как известно, является практика, т.е. в данном случае эксперимент, поэтому большинство НИ представляет собой различные сочетания теоретических и экспериментальных исследова­ ний. На основе сопоставительного анализа результатов теоретических и экспериментальных НИ выводятся новые закономерности, характе­ ризующие исследуемую проблему. С учетом этих данных и априор­ ных гипотез разрабатываются апостериорные гипотезы.

В зависимости от поставленной задачи НИ могут быть фундамен­ тальными или прикладными. Фундаментальные НИ ведут к разработ­ ке новой теории и в некоторых случаях к закладке новых направлений науки. Цель прикладных исследований - разработка практических рекомендаций для промышленного производства. С учетом этих ре­ комендаций выпускаются опытные образцы изделий, которые под­ вергаются промышленным НИ. На основе анализа их результатов разрабатываются рекомендации для промышленного выпуска. Далее проводятся промышленные испытания серийных образцов. Обработка

процесса и научные расчеты, информационный поиск, а также для автоматизации научно-организационных работ. Для каждой разно­ видности научной деятельности характерны соответствующие наборы задач автоматизации, решаемых АСНИ.

1.3.1. Задачи автоматизации экспериментальных исследований

Характерными задачами автоматизации экспериментальных ис­ следований являются:

1) сбор и регистрация экспериментальных данных (опрос датчи­ ков объекта, преобразование аналоговых сигнатов датчиков в цифро­ вую форму и ввод кодированных значений сигналов в ЭВМ для хра­ нения и дальнейшей обработки и т.п.);

2)автоматизированное (автоматическое) управление экспери­ ментами;

3)статистическая обработка выходной экспериментальной ин­ формации серии экспериментов;

4)выделение сигнала на фоне шума методами фильтрации;

5)хранение и экспресс-анализ экспериментальных данных;

6)обработка данных проведенного эксперимента;

7)обработка экспериментальных данных в реальном масштабе времени;

8)идентификация математической модели исследуемого объекта;

9)выполнение алгоритмов анализа, оценки и интерпретации вы­ ходной экспериментальной информации;

10)синтез оптимального плана эксперимента;

11)накопление данных серии экспериментов;

12)обеспечение возможности непосредственного оперативного участия исследователя в ходе эксперимента;

13)оформление и выдача выходной экспериментальной инфор­ мации в удобной для последующего использования форме;

14)выполнение алгоритма принятия решений по результатам экспериментальных исследований;

15)выполнение алгоритмов планирования экспериментов; 16) предсказание исследуемых процессов по их математическим

моделям с целью управления ими по заданному критерию качества; 17) распознавание и классификация объектов;