MODELIROVANIE_metodichka
.pdf
Х1
Х2
10,0
9,0
8,0
7,0
Рис. 3. Кривые равных значений адгезионной прочности
теста (числа на кривых – значения адгезионной прочности, Н)
Х2
5,2
5,0
4,8 4,8
4,6
4,6
5,0
5,2
5,4
Х1
Рис. 4. Кривые равных значений эффективной вязкости
теста (числа на кривых – значения вязкости теста, кПа×с)
120
Из представленных графических зависимостей видно, что можно получать равные значения адгезионной прочность теста y1 и эффективной вязкости теста y2, изменяя сочетание входных па- раметров X1 и X2, т. е. можно выбирать различные комбинации содержания ПАВ и pH, используемой для замеса воды, для полу- чения теста с заданными реологическими и адгезионными свой- ствами.
Задание
Уравнение регрессии второго порядка, полученное в прак- тической работе № 11, привести к канонической форме. Постро-
ить линии равных значений функции отклика и выполнить анализ конфигурации поверхности отклика. Рассчитать угол поворота новых координатных осей относительно старых. Установить за- висимость между координатными переменными при канониче- ском преобразовании.
Контрольные вопросы
1.Какие виды поверхностей отклика Вы знаете?
2.Как рассчитать коэффициенты канонической формы?
3.Как по уравнению регрессии, записанному в канониче- ской форме, определить вид поверхности отклика?
4.Что такое поверхность отклика? Как графически ее мож- но представить?
5.В чем заключается приведение уравнения регрессии вто- рого порядка к канонической форме?
6.Как рассчитать угол поворота новых координатных осей относительно старых при каноническом преобразовании?
7.Как установить зависимость между координатными пе- ременными при каноническом преобразовании?
8.Какой подход используют при графическом изображении поверхностей отклика при числе факторов, большем двух?
121
Практическая работа № 13 ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДОМ НЕОПРЕДЕЛЕННЫХ МНОЖИТЕЛЕЙ ЛАГРАНЖА
Цель работы: 1) ознакомить с методами оптимизации целе- вых функций; 2) овладеть практическими навыками оптимизации.
Рекомендуемая литература: [2, 7].
Теоретические сведения
Метод неопределенных множителей Лагранжа, относящий- ся к аналитическим методам оптимизации, позволяет определить экстремум целевой функции нескольких переменных, заданной аналитически, при условии, что на независимые переменные на-
ложены ограничения в виде равенств. |
|
||
Так, если |
требуется |
найти экстремум |
функции |
y = f (x1 ,x2 ,.......xn ) |
при наличии ограничений типа |
равенства |
|
ϕi (x1, x2 ,.......xn )= 0 |
( i =1,......,m ; |
m < n ), то для решения этой за- |
|
дачи вводится вспомогательная функция Лагранжа, представ-
ляющая собой сумму
m
F(х1,......хn ,λ1,......λm )= f (x1,....xn )+ åλiϕi (x1,....xn ). (1)
i=1
Координаты экстремальных точек целевой функции в этом случае определяются решением системы уравнений, получаемой приравниванием нулю частных производных от функции (1) по всем независимым переменным xk (k =1,...,n)и по всем множите-
лям Лагранжа λi (i =1,...,m). При этом получается система урав- нений:
ì |
¶F(х ,......х |
n |
,λ ,......λ |
m |
) |
= 0, |
k =1,...n; |
|
ï |
1 |
|
1 |
|
||||
ï |
|
¶xk |
|
) |
|
(2) |
||
í |
¶F(х ,......х |
n |
,λ ,......λ |
m |
= 0, |
|||
ï |
1 |
|
1 |
|
i =1,...m. |
|||
ï |
|
¶λ |
|
|
|
|
||
î |
|
|
|
i |
|
|
|
|
122
содержащая n + m уравнений, из которых можно исключить m неопределенных множителей Лагранжа, имеющих вспомогатель- ное значение, и найти координаты экстремальных точек, которых может быть несколько.
Каждое ограничение добавляет одно уравнение, и при этом вводится один множитель Лагранжа.
Представленный метод с успехом может быть использован при оптимизации целевых функций, представленных в виде урав- нений регрессий второго порядка, полученных по результатам ЦКРП. При этом на независимые переменные накладывается ог- раничение: значения факторов X1 ,…, X n не должны выходить за
область эксперимента, границы которой определяются значения- ми факторов в звездных точках. Указанное ограничение аналити-
чески может быть записано в виде выражения
ϕ(X1,...,X n )= X12 + X 22 + ....+ X n2 = ρ 2 , |
(3) |
что в факторном пространстве (для случая двух независимых пе- ременных) представляет собой сферу с центром в центре экспе- римента и с радиусом ρ (на факторной плоскости – окружность с радиусом ρ. Значение ρ при этом равно величине звездного пле- ча.
Следует помнить, что при составлении функции Лагранжа,
ограничения должны быть представлены в виде равенства
ϕi (x1, x2 ,.......xn )= 0 .
Так, для двухфакторной задачи оптимизации с учетом ог- раничения (3), функция Лагранжа, записанная в виде (1), прини-
мает вид |
|
|
|
|
|
|
F(X1, X 2 ,λ)= b0 + b1X1 + b2 X 2 + b12 X1 X 2 + |
(4) |
|||||
+ b X 2 |
+ b |
X 2 |
+ λ(X 2 |
+ X 2 − ρ 2 ). |
||
11 |
1 |
22 |
2 |
1 |
2 |
|
Дифференцируя последнее уравнение по переменным |
X1 , |
|||||
X 2 и λ, составим систему уравнений: |
|
|
||||
123
ì |
¶F(X1, X 2 |
,λ) |
= b1 |
+ b12 X 2 |
+ 2b11 X1 |
+ 2λX1 = 0, |
||
ï |
¶X1 |
|
|
|||||
ï |
|
,λ) |
|
|
|
|
||
ï |
¶F(X1, X 2 |
= b2 |
+ b12 X1 |
+ 2b22 X 2 |
+ 2λX 2 = 0, . (5) |
|||
í |
¶X 2 |
|
|
|||||
ïï |
|
,λ) |
|
|
|
|
||
¶F(X |
, X |
|
= X12 + X 22 - ρ 2 = 0. |
|
||||
ï |
1 |
|
2 |
|
|
|||
î |
¶λ |
|
|
|
|
|
|
|
Последнюю систему решают при разных значениях радиуса ρ, который изменяют от нуля до величины звездного плеча (на- пример, для двухфакторной задачи 0 £ ρ £1,41). Из полученных
решений выбирают одно, соответствующее условию оптимизации – минимум или максимум параметра оптимизации.
Пример 1
Необходимо определить геометрические размеры закрыто- го прямоугольного сборника для сахаропаточного сиропа объе- мом V = 2 м3 при условии минимизации расхода нержавеющей стали на его изготовление. Высота сборника должна быть равна h0
= 1 м.
В соответствии с условием задачи необходимо минимизи- ровать площадь S поверхности прямоугольного сборника
S = 2 × l × h + 2 × b × h + 2 × l × b ,
где l, b, h – соответственно, длина, ширина и высота сборника, м. Ограничения, накладываемые на высоту и объем сборника,
представим в виде равенств:
h - h0 = 0 ; |
l × b × h -V = 0 . |
Составим функцию Лагранжа, представляющую собой сум-
му целевой функции и ограничений
124
F(l,b,h,λ1,λ2 )= 2(l × h + b × h + l × b)+ λ1(h - h0 )+ λ2 (l × b × h -V )
.
Дифференцируя последнее уравнение по переменным l, b, h и неопределенным множителям Лагранжа λ1, λ2, составим систе- му уравнений:
ì¶F |
= 2(h + b)+ λ2 × b × h = 0; |
|||
ï |
¶l |
|
|
|
ï |
¶F |
= 2(h + l)+ λ2 × l × h = 0; |
||
ï |
||||
ï |
¶b |
|
|
|
ï |
¶F = 2(l + b)+ λ + λ × l × b = 0; |
|||
í |
¶h |
1 |
2 |
|
ï |
¶F |
|
|
|
ï |
|
|
= h - h0 = 0; |
|
¶λ1 |
|
|||
ï |
|
|
|
|
ï |
¶F |
|
= l × b × h -V = 0. |
|
ï |
|
|
|
|
¶λ2 |
|
|
||
î |
|
|
|
|
Из первого уравнения найдем λ2, подставив λ2 в третье |
||||
уравнение, найдем λ1: |
|
|||
λ2 = - 2(h + b); bh
λ1 = -2(l + b)- lb - 2(h + b) = 2b (l - h). bh h
Подставим λ2 во второе уравнение
2(h + l)+ - 2(h + l)lh = 2h (b - l)= 0. bh b
Получим систему из трех уравнений:
125
ìï2bh (b - l)= 0; ïí h - h0 = 0;
ïï lbh -V = 0.
î
Решая последнюю систему уравнений, получим:
b = l; |
h = h ; |
l2h =V. |
|
0 |
0 |
Подставляя в последние выражения V = 2 м3 и h0 = 1 м, окончательно получим l = 1,414 м, b = 1,414 м и h = 1 м. Площадь поверхности сборника для сахаро-паточного сиропа составит
S = 2[(1,414 +1,414)1 +1,414 ×1,414]= 9,656 м2.
Нетрудно убедиться, что любые другие размеры l и b при высоте сборника равна h0 = 1 м дадут большее значение площади поверхности сборника, т. е. больший расход нержавеющей стали на его изготовление.
Пример 2
Одним из направлений совершенствования существующих технологий шоколадного производства является электрохимиче- ская обработка какао-продуктов, позволяющая повысить выход какао-масла при прессовании и улучшить ароматические свойст- ва шоколадных изделий. Для изучения изменения физико- химических свойств какао-крупки в процессе электрохимической обработки было использовано центральное композиционное рота- табельное планирование. В качестве функции отклика y принято содержание жира (%) в какао-крупке; в качестве независимых фак- торов х1 – величина силы тока (А), х2 – продолжительность элек- трохимической обработки (мин) (табл. 1, 2). Эксперимент прово- дился на специальной установке для электрохимической обра- ботки пищевых продуктов. Содержание липидов в какао-крупке определялось рефрактометрическим методом.
126
Обработку результатов ЦКРП проводили по типовой мето- дике. При этом были рассчитаны коэффициенты уравнения рег- рессии. Установлено, что в соответствии с критерием Стьюдента все коэффициенты являются статистически значимыми. Адекват- ность полученного уравнения устанавливали по критерию Фише- ра. Сравнение расчетного значения критерия с табличным показало, что уравнение регрессии адекватно описывает поверхность отклика.
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
Характеристики планирования |
||||
Параметр |
|
x1, А |
|
x2, мин |
||
Основной уровень |
|
0,60 |
|
|
25,0 |
|
Интервал варьирования |
0,10 |
|
|
5,0 |
||
Верхний уровень |
|
0,70 |
|
|
30,0 |
|
Нижний уровень |
|
0,50 |
|
|
20,0 |
|
Нижняя “звездная” точка |
0,46 |
|
|
18,0 |
||
Верхняя “звездная” точка |
0,74 |
|
|
32,0 |
||
|
|
|
Матрица ЦКРП |
|
Таблица 2 |
|
|
|
|
|
|
||
№ опыта |
|
X1 |
X2 |
|
Функция отклика y , % |
|
1 |
|
-1 |
-1 |
|
55,23 |
|
2 |
|
+1 |
-1 |
|
57,94 |
|
3 |
|
-1 |
+1 |
|
58,53 |
|
4 |
|
+1 |
+1 |
|
56,16 |
|
5 |
|
-α |
0 |
|
54,42 |
|
6 |
|
+α |
0 |
|
56,79 |
|
7 |
|
0 |
-α |
|
58,14 |
|
8 |
|
0 |
+α |
|
56,83 |
|
9 |
|
0 |
0 |
|
59,21 |
|
10 |
|
0 |
0 |
|
58,90 |
|
11 |
|
0 |
0 |
|
59,54 |
|
12 |
|
0 |
0 |
|
58,80 |
|
13 |
|
0 |
0 |
|
59,70 |
|
Полученное уравнение регрессии в кодированных пере- менных выглядит следующим образом:
y = 59,23 + 0,609X1 + 0,3X 2 −1,27X1 X 2 −1,707X12 − 0,767X 22 ,
где X1, X2 – соответственно, кодированные значения силы тока, А и продолжительность электрохимической обработки, мин.
127
При анализе коэффициентов при линейных членах уравне- ния регрессии установлено, что на содержание липидов в какао- крупке наибольшее влияние оказывает сила тока. Общее содер- жание свободных липидов в какао-крупке с увеличением силы тока возрастает. Следует отметить, что большое значение имеет межфакторное взаимодействие, оно оказывает нежелательное влияние на содержание свободных липидов. Длительное воздей- ствие электрического поля приводит к потерям какао-масла в процессе обработки, что видно из рис. 1.
Кроме полученного уравнения регрессии, представляет ин- терес исследование поверхности отклика с целью получения оп- тимального соотношения параметров. В качестве критерия опти- мальности примем максимум содержания липидов в какао-крупке
сучетом граничных условий изменения независимых переменных.
Сэтой целью уравнение регрессии приведем к канониче-
ской форме
y − 59,3 = −0,448X12 − 2,027X 22 .
Как видно из уравнения, исследуемая двухмерная поверх- ность представляет собой эллипсоид, причем в центре поверхно- сти имеет место максимум выходного параметра, на что указыва- ет знак “–” перед каноническими коэффициентами. На рис. 2
представлены кривые равных значений содержания липидов в какао-крупке в зависимости от продолжительности обработки и величины силы тока.
Для определения оптимальных режимов электрохимиче- ской обработки какао-крупки воспользуемся методом неопреде- ленных множителей Лагранжа.
Для этого составим функцию Лагранжа (4), представляю- щую собой сумму целевой функции и ограничения (3)
F(X1, X 2 ,λ)= 59,23 + 0,609X1 + 0,3X 2 − 1,27X1X 2 − −1,707X12 − 0,767X 22 + λ(X12 + X 22 − ρ 2 ).
128
y, %
Продолжительность обработки Х2
Сила тока Х1
59
58
57
56
X2 |
X1 |
Рис. 2. Линии равного уровня |
Рис. 1. Поверхность отклика |
(числа на кривых – содержание липидов |
|
в какао крупке, %) |
||
122
