Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

MODELIROVANIE_metodichka

.pdf
Скачиваний:
238
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
1.11 Mб
Скачать

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 1,......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 )= 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

)

= b1

+ b12 X 2

+ 2b11 X1

+ X1 = 0,

ï

X1

 

 

ï

 

,λ)

 

 

 

 

ï

F(X1, X 2

= b2

+ b12 X1

+ 2b22 X 2

+ X 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,h12 )= 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:

ìF

= 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 звезднаяточка

0,46

 

 

18,0

Верхняя звезднаяточка

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

 

0

 

54,42

6

 

0

 

56,79

7

 

0

 

58,14

8

 

0

 

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 )= 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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]