§ 3.1.2 Методика подготовки, планирования и проведения эксперимента

Цель любого эксперимента – получения данных о свойствах объекта, т.е. статистической и динамической характеристики. Как правило, их получают в одном эксперименте.

Каждый этап содержит определенное количество и последовательность общих процедур и особенности, связанные с типом эксперимента.

Процедуры 1 этапа:

1.Изучение теплофизических, режимных и конструктивных параметров ТОУ.

В качестве источников используют проектную документацию, оперативные журналы по эксплуатации ТОУ, записи регистрирующих приборов, информацию оперативного персонала.

Получив эти априорные данные, экспериментатор делает допущения о свойствах ТОУ: сосредоточенности или распределённости параметров, стационарности или не стационарности объекта. Устанавливается также, является ли объект одномерным или многомерным, одно-емкостным, либо много емкостным.

2. Определение входных и выходных параметров и фазовых переменных объекта, которые могут измеряться и изменяться в процессе эксперимента. Если параметр не измеряется и на него нельзя повлиять, то это помеха. Формирование параметрической схемы объекта.

3.Определение допустимых изменений величин Х и Y в соответствии с правилами технической эксплуатации или регламентом работы ТОУ. Оценивается х_макс., х_мин. , y_мин. y_макс.

4. Изучение Т_уст. - времени стабилизации выходной величины после нанесения активного воздействия и уровня помех. Активные эксперименты проводят только тогда, когда уровень помех не превышает 10% от номинальной величины.

Процедуры 2 этапа:

1. Выбор диапазона измерения параметров и фазовых переменных;

2. Выбор измерительных приборов с заданными характеристиками (штатные, стационарные или переносные технические средства).

3. Выбор типа эксперимента: активный, с линейным перебором, активный оптимальный (планируемый) многофакторный, пассивный, адаптивный эксперимент.

4. Оценка времени проведения эксперимента;

5. Составление и утверждение плана проведения эксперимента.

При проведении активного эксперимента проводят выбор следующих составляющих:

1. Вид активных воздействий;

2. Длительность наблюдения переходного процесса Δt_набл. > (1.5 ÷ 2) Т_уст. ;

3. Число уровней изменения активных воздействий;

4. Число повторных опытов.

Методика планирования оптимального эксперимента.

Такой эксперимент называют факторным экспериментом (ФЭ), который проводится в соответствии с планом, отображаемым в форме матрицы. В общем случае вектор Х содержит m переменных (факторов). Каждый фактор может находиться на n уровнях изменения каждой переменной. В таком случае N = n^m – число опытов, необходимое для проведения эксперимента.

При изменении каждой переменной от x_i^max ,до x_i^min удобно использовать не абсолютные значения, а относительные значения переменных. Относительные (кодированные) значения переменных находятся следующим образом. Определяют центр плана x_i⁰ и интервал варьирования ∆x_i ⁰:

x_i⁰= (x_i^max + x_i^min)\2

∆x_i ⁰ = (x_i^max - x_i^min)\2

X_ik = (x_i - x_i⁰)/∆x_i ⁰ – кодированное значение Х_i. Процесс кодирования заключается в вычислении X_i , где i = 1,2,3,4,5,…Очевидно, что кодированное значение переменных будет равно +1 и –1. Например, для n=2, m=2, N = 4 матрица планирования будет следующей (таблица 3.1).

Таблица 3.1

Входные	переменные	(факторы)	Xik	Выход
X0	X1	X2	X1 X2	y
+1	-1	-1	+1	Y1
+1	+1	-1	-1	Y2
+1	-1	+1	-1	Y3
+1	+1	+1	+1	Y4

X₀ =1 – фиктивная переменная. Геометрическое представление такого плана эксперимента – квадрат, а центр плана в его центре. При таком подходе матрица является ортогональной (равенство нулю скалярных произведений всех вектор столбцов), что упрощает обработку экспериментальных данных. Методика планирования оптимального эксперимента состоит из следующих шагов:

1. Определение мах и min значений переменных.

2. Определение центра плана. Составление матрицы планирования в абсолютных значениях переменных.

3. Составление матрицы планирования в кодированных значениях переменных.

4. Проведение опыта, получение экспериментальных данных.

Примечание: Планирование оптимального эксперимента сформировалось в самостоятельное научное направление и используется экспериментаторами для поиска оптимальных режимов работы оборудования. Идею планирования в 1951 году стали развивать американские ученые Дж. Бокс и К. Уилсон. В СССР это направление развивали профессор МГУ В.В. Налимов с учениками.

При проведении пассивного эксперимента проводят выбор следующих составляющих:

1. Выбор времени реализации случайных процессов на входе и выходе;

2. Выбор моментов времени регистрации t_i с шагом Δt по специальной методике;

Процедуры 3 этапа:

1. Осуществление воздействий и их регистрация;

2. Регистрация выходных величин;

3. Осуществление мер безопасности.

Составляется регламент эксперимента, в котором определяется: время проведения эксперимента; сотрудник ответственный за проведение эксперимента; лицо оперативного персонала, контролирующий проведение эксперимента, меры безопасности, частота снятия показаний; время окончания эксперимента.

Регламент документируется, согласовывается и утверждается, как правило, главным инженером объекта.