МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИНЖЕНЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОУ ВПО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ – УПИ»
Н.А.Спирин, В.В.Лавров
МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЖЕНЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов)
Под общей редакцией профессора, доктора технических наук Н.А.Спирина
Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 550500 – Металлургия и по направлению подготовки дипломированных специалистов 651300 – Металлургия
Екатеринбург
2004
УДК 69.162.2.012-52(075.8) ББК 34.:3.:32.9я7
М54
Рецензенты:
кафедра теплофизики и экологии металлургического производства Московского государственного института стали и сплавов (технологический университет) – МИСИС (зав. кафедрой - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.А.Кривандин); К.Н.Вдовин – профессор, доктор технических наук
М54 Методы планирования и обработки результатов инженерного эксперимента: Конспект лекций (отдельные главы из учебника для вузов) / Н.А.Спирин, В.В.Лавров. Под общ. ред. Н.А.Спирина. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. – 257 с.
ISBN 5-321-00319 - Х
Рассмотрены вопросы математического планирования и обработки результатов инженерного эксперимента. Изложение материала отличается простотой и наглядностью; приводится много примеров из различных областей современной металлургии.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям металлургического профиля, может быть полезно студентам других специальностей политехнических вузов.
Библиогр.: 25 назв. Табл. 35 . Рис. 52. Прил.1.
ISBN 5-321-00319 – Х |
© ГОУ ВПО «Уральский государственный |
|
технический университет – УПИ», 2004 |
|
© Н.А.Спирин, В.В.Лавров, 2004 |
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ……………………………………………………………………………… 6
1.ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ…………………………………. 8
1.1.Понятие эксперимента……………………………………………………………….. 8
1.2.Классификация видов экспериментальных исследований …………………… 10
Контрольные вопросы………………………………………………………………… 16
2.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ……………………………………………….… 17
2.1.Случайные величины и параметры их распределений ………………………... 17
2.2.Нормальный закон распределения………………………………………………… 27
Контрольные вопросы………………………………………………………………… 35
3.ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ……………………………………………………………………………………... 36
3.1.Вычисление параметров эмпирических распределений.
Точечное оценивание ………………………………………………………………… 36 3.2. Оценивание с помощью доверительного интервала …………………………… 50
3.2.1. Построение доверительного интервала для математического ожидания ……………………………………………. 52
3.2.2.Построение доверительного интервала для дисперсии………………… 62
3.2.3.Определение необходимого количества опытов при построении интервальной оценки для математического ожидания………………… 64
3.3.Статистические гипотезы…………………………………………………………….. 66
3.4.Отсев грубых погрешностей…………………………………………………………. 74
3.4.1.Критерий Н.В. Смирнова………………………………………………………. 75
3.4.2.Критерий Диксона………………………………………………………………. 76
3.5.Сравнение двух рядов наблюдений……………………………………………….. 80
3.5.1.Сравнение двух дисперсий…………………………………………………… 81
3.5.2.Проверка однородности нескольких дисперсий………………………….. 86
3.5.3.Проверка гипотез о числовых значениях математических ожиданий… 88
3.6.Критерии согласия. Проверка гипотез о виде функции распределения…… 102
3.7.Преобразование распределений к нормальному………………………………..114
Контрольные вопросы……………………………………………………………….. 116
3
4.АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.
ЭМПИРИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ…………………………………………………… 117
4.1.Характеристика видов связей между рядами наблюдений………………….. 117
4.2.Определение коэффициентов уравнения регрессии………………………….. 121
4.3.Определение тесноты связи между случайными величинами………………. 126
4.4.Линейная регрессия от одного фактора………………………………………….. 129
4.5.Регрессионный анализ………………………………………………………………. 136
4.5.1.Проверка адекватности модели……………………………………………. 138
4.5.2.Проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии………… 140
4.6.Линейная множественная регрессия……………………………………………… 142
4.7.Нелинейная регрессия………………………………………………………………. 146 Контрольные вопросы……………………………………………………………….. 147
5.ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ…………………… 149
5.1.Оценка погрешностей определения величин функций……………………….. 149
5.2.Обратная задача теории экспериментальных погрешностей………………… 152
5.3.Определение наивыгоднейших условий эксперимента……………………….. 154
Контрольные вопросы………………………………………………………………. 156
6.МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ….. 157
6.1.Основные определения и понятия………………………………………………… 157
6.2.Пример хорошего и плохого эксперимента……………………………………… 159
6.3.Планирование первого порядка…………………………………………………… 162
6.3.1.Выбор основных факторов и их уровней………………………………….. 163
6.3.2.Планирование эксперимента……………………………………………….. 164
6.3.3.Определение коэффициентов уравнения регрессии…………………… 167
6.3.4.Статистический анализ результатов эксперимента…………………….. 168
6.3.5.Дробный факторный эксперимент…………………………………………. 171
6.3.6.Разработка математической модели гидравлического
режима методической печи………………………………………………… 175
6.4.Планы второго порядка……………………………………………………………… 180
6.4.1.Ортогональные планы второго порядка…………………………………. 182
6.4.2.Ротатабельные планы второго порядка…………………………………... 185
6.4.3.Исследование причин образования расслоений
вгорячекатаных листах……………………………………………………… 189
6.5.Планирование экспериментов при поиске оптимальных условий…………… 195
4
6.5.1.Метод покоординатной оптимизации …………………….……………….. 197
6.5.2.Метод крутого восхождения …………………..…..………………………. 198
6.5.3.Симплексный метод планирования……………………………………….. 201
Контрольные вопросы………………………………………………………. 210
7.КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИНЖЕНЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА……………………………….. 212
7.1.Общие замечания …………………………………………………………………… 212
7.2.Статистические функции Microsoft Excel………………………………………… 216
7.3.Краткое описание системы STATISTICA………………………………………… 221
7.3.1.Общая структура системы…………………………………………………… 222
7.3.2.Возможные способы взаимодействия с системой………………………. 224
7.3.3.Ввод данных…………………………………………………………………… 225
7.3.4.Вывод численных и текстовых результатов анализа…………………. 226
7.3.5.Статистические процедуры системы STATISTICA……………………… 226
7.3.6.Структура диалога пользователя в системе STATISTICA……………. 229
7.3.7.Примеры использования системы STATISTICA…………………………. 230
Контрольные вопросы………………………………………………………. 243
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………. 244
ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................................. |
246 |
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Научному сотруднику, технологу-металлургу зачастую приходится решать задачи по планированию, проведению экспериментальных исследований, обработке результатов инженерного эксперимента. Развитие современных методов математического планирования и обработки результатов инженерного эксперимента, расширение возможностей современной компьютерной техники позволяют рекомендовать исследователю общие подходы, методы и процедуры планирования и обработки его результатов.
Авторы ставили перед собой целью изложить вопросы математического планирования и обработки результатов инженерного эксперимента в максимально доступной и понятной форме. Для понимания не требуется
сведений, выходящих за рамки обычной математической подготовки инженера. Предполагается, что читатель владеет элементарными основами теории вероятностей и математической статистики. Место данного учебного пособия среди других книг и руководств по методам планирования и обработки результатов инженерного эксперимента определяется желанием дать доступное для инженеров-металлургов изложение элементов теории, не перегруженных строгими математическими выводами. Иногда для получения количественных результатов, полезных для практического применения, приходится жертвовать строгостью изложения теоретических принципов. Однако такие компромиссные решения принимались только в тех случаях, когда их целесообразность подтверждалась практикой. Более требовательный читатель может обратиться к специальной литературе, указанной в конце книги.
В настоящее время обработка результатов инженерных экспериментов
не мыслима без использования компьютеров и пакетов прикладных программ. При том впечатляющем разнообразии статистических пакетов, которым
характеризуется современный мировой и отечественный рынок (по
официальным данным Международного статистического института, число различных наименований распространяемых на рынке статистических пакетов приближается к тысяче!), инженеру-исследователю важно уметь правильно
сориентироваться на этом рынке, правильно понимать область применения статистических методов решения того или иного класса задач. Компьютерные
методы статистической обработки результатов инженерного эксперимента
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
проиллюстрированы на примерах использования статистических функций распространенного пакета Microsoft Excel (в составе Microsoft Office) и мощной интегрированной системы статистического анализа и обработки данных STATISTICA. Глубокое освоение возможностей специализированных пакетов требует значительного промежутка времени, при этом у пользователя может возникнуть иллюзия освоения самой теории вероятности и математической статистики. Однако следует понимать, что инструмент не заменяет компетентность и профессионализм. Компьютер представляет собой не замену человеческого интеллекта, а лишь его усилитель. Никакие яркие возможности современного пользовательского интерфейса (раскрывающиеся окна, контекстное меню, кнопки и т.д.) не освобождают пользователя компьютера от необходимости изучения и понимания сути статистических методов,
реализованных в таких системах.
Построение книги имеет блочную структуру. В каждой главе после изложения теоретического материала рассмотрены типовые примеры решения задач. Наличие достаточного количества примеров позволяет использовать книгу не только как учебное пособие, но и как инструмент при проведении семинарских занятий.
Книга написана преподавателями кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» ГОУ ВПО Уральского государственного технического университета – УПИ проф., д-м техн. наук Н.А.Спириным Н.А., доц., канд. техн. наук В.В.Лавровым, доц., канд. техн. наук А.Р.Бондиным А.Р., проф., д-м техн. наук В.И.Лобановым.
Авторы признательны коллективу кафедры «Теплофизика и экологии металлургического производства» Московского государственного института
стали и сплавов (зав. кафедрой заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор технических наук В.А.Кривандин, рецензент - профессор,
доктор технических наук С.А.Крупенников) и доктору технических наук, профессору Магнитогорского государственного технического университета
Вдовину К.Н. за ценные замечания, сделанные при рецензировании книги.
Авторы просят читателей свои отзывы направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, Уральский государственный технический университет–УПИ.
7