Види експериментів.

Теорія передбачає, що експеримент може бути пасивним і активним. При пасивному експерименті інформація про досліджуваний об'єкт накопичується шляхом пасивного спостереження, тобто інформацію отримують в умовах звичайного функціонування об'єкту.

Активний експеримент проводиться із застосуванням штучної дії на об'єкт за спеціальною програмою. При пасивному експерименті існують лише чинники у вигляді вхідних контрольованих, але некерованих змінних, і експериментатор знаходиться в положенні пасивного спостерігача.

Завдання планування в цьому випадку зводиться до оптимальної організації збору інформації і вирішення таких питань, як вибір кількості і частоти вимірів, вибір методу обробки результатів вимірів. Найчастіше метою пасивного експерименту є побудова математичної моделі об'єкту, яка може розглядатися або як добре, або як погано організований об'єкт. У добре організованому об'єкті мають місце певні процеси, в яких взаємозв'язки вхідних і вихідних параметрів встановлюються у вигляді детермінованих функцій.

Тому такі об'єкти називають детермінованими. Погано організованими або дифузними об'єктами є статистичні моделі. Методи дослідження з використанням таких моделей не вимагають детального вивчення механізму процесів і явищ, що протікають в об'єкті.

Прикладом пасивного експерименту може бути аналіз роботи схеми, яка не має входів, лише виходи, і вплинути на її роботу неможливо. Хорошим прикладом пасивного експерименту з дифузним об'єктом є виміри метеорологічних параметрів (температури, швидкості вітру і так далі) при природних катаклізмах.

Активний експеримент дозволяє швидше і ефективніше вирішувати завдання дослідження, але складніший, вимагає великих матеріальних витрат і може перешкодити нормальному ходу технологічного процесу. Інколи відсутня можливість проведення активного експерименту (наприклад, при дослідженні явищ природи). Проте, враховуючи переваги активного експерименту, тоді, коли це можливо, перевагу віддають йому.

При активному експерименті чинники мають бути керованими і незалежними. Активний експеримент передбачає можливість дії на хід процесу і вибору в кожному досвіді рівнів чинників. При планеруванні активного експерименту вирішується завдання раціонального вибору чинників, що істотно впливають на об'єкт дослідження, і визначення відповідного числа дослідів, що проводяться.

Збільшення числа включених в розгляд чинників приводить до різкого зростання числа дослідів, зменшення - до істотного збільшення погрішності досвіду. Чинник вважається заданим лише тоді, коли при його виборі вказується його область визначення – сукупність значень, які може приймати даний чинник.

Суть процесу моделювання можна пояснити на прикладі аналізу електронної схеми, в результаті якого будуть отримані певні вихідні сигнали. Можна перевірити модель, зібравши експериментальну схему і знявши реальні вихідні сигнали. При цьому неминучі розбіжності між сигналами модельними і реальними. Щоб з'ясувати причини розбіжності, необхідні експерименти з окремими елементами схеми.

Необхідне коректування моделі може бути виконана таким чином:

1.Перевірка розбіжностей — експериментальна перевірка характеристик всіх елементів і їх порівняння з модельними.

2.Виправлення характеристик окремих елементів у вихідній моделі.

3.Зіставлення отриманих залежностей з експериментальними (початковими). Таким чином, побудова і перевірка моделі, адекватної електронної схеми, що описує роботу, в загальному випадку вимагає дуже великої кількості експериментальних вимірів. Планування експерименту дозволяє оптимізувати число вимірів.

Розглянемо приклад моделювання простого чотириполюсника, що здійснює виділення тієї, що огинає (детектування) радіосигналу (ріс.1.2). Чотириполюсник складається з двох простих схем:

1.детектора на діоді Д з вихідним резистором R₁

2. інтегруючого ланцюгу R₂C

Рис.1.2

Сигнали на виході детектора АВ і виході інтегруючого ланцюга показані на ріс.1.3.

Тут криві 1 і 2 відповідають різним вольтамперним характеристикам (ВАХ) діода. Детектор відрізає негативні напівперіоди сигналу, а інтегруючий ланцюг – виділяє ту, що його огинає. Якість виділення що огинає визначатиметься відхиленням від «ідеального» сигналу.

Рис.1.3

Планерування експерименту передбачає не лише оптимізацію числа вимірів, але і зменшення експериментальних погрішностей. Тому значну частину математичного апарату теорії планерування експерименту складають теорія помилок, теорія вірогідності і математична статистика.

Розглянемо приклад пасивного експерименту. Необхідно визначити, як швидко розкладається листя клена на дні озера на глибині 1 м. Для цього роблять 8 маленьких мішків з нейлонової сітки, наповнюють кожен з них кленовим листям і поміщають всі разом в якійсь точці 1-метрової глибини. Через місяць виймають мішечки, визначають втрату органічної речовини, що розклалася, в кожному і обчислюють середню швидкість розкладання. У такому вигляді ця процедура задовільна. Проте вона не дає інформації про те, як швидкість може варіювати в різних точках 1-метрової глибини. Середня швидкість, яку обчислюють по 8 мішечкам з листям, – дуже мізерна підстава для узагальнення величини "швидкості розкладання на 1-метровій шлибині в озері". Така процедура зазвичай називається експериментом просто тому, що процедура виміру досить трудомістка, і часто включає втручання в саму систему. Якби ми провели 8 вимірів температури або відібрали 8 проб дночерпальником, мало хто назвав би ці процедури і їх результати "експериментальними".

Історично склалося, що термін "експериментальне" завжди використовувався в контексті значень "складне", "трудомістке", таке, що "має на увазі втручання, і це неминуче продовжуватиметься.

Розглянемо приклад активного експерименту. Передбачимо, що необхідне, використовуючи процедуру прикладу 1, з'ясувати, чи відрізняється швидкість розкладання кленового листя між 1-метровою і 10-метровою глибинами. Для цього поміщають 8 мішечків з листям на 1-метрову глибину та інші 8 мішечків на 10-метрову, чекають місяць, витягують мішечки і отримують дані. Потім застосовують статистичний критерій (наприклад, t-критерій або U- критерій), щоб взнати, чи є достовірна відмінність швидкості розкладання в двох крапках.