5. Понятие эксперимента и его виды

Эксперимент, experimentum (лат.) — проба, испытание. Это строгая последовательность заранее определенных действий, ведущих к получению одной или множества величин, представляющих результат эксперимента. Если назвать результат эксперимента выходным параметром, то можно также определять эксперимент как совокупность опытов, позволяющую установить влияние на выходной параметр воздействующих на него факторов.

Фактором вызывается измеряемая переменная величина, принимающая в некоторый момент, временя определенное значение. Факторы соответствуют способам воздействия на объект исследования.

Опыт—часть, эксперимента, выполненная при определенном значении одного или нескольких факторов.

Факторы, не изменяющие своего значения в пределах всего эксперимента называют, постоянными. Если значение фактора постоянно только в пределах одного опыта, то фактор называется условно постоянным. Конкретное числовое значение, принимаемое фактором, в опыте называют уровнем фактора.

Постоянные факторы закрепляют на определенных уровнях и в дальнейшем оставляют неизменными. Переменные факторы варьируют в интересующем исследователя диапазоне. Диапазон изменения переменных факторов ограничивают верхним и нижним уровнями. В пределах диапазона фактор находится на промежуточных уровнях.

На объект исследования влияет также и целый ряд факторов, которые трудно или невозможно учесть. Такие факторы называют неконтролируемыми, а совокупное их воздействие на выходной параметр — уровням шума. Наличие шума в эксперименте снижает точность и надежность получаемых данных и затрудняет их обработку.

Основным классификационным признаком, устанавливающим различие между видами экспериментов, считают его метод — т. е. характер воздействия на объект исследования. В соответствии с этим различают эксперименты: активный и пассивный, однофакторный и многофакторный.

Активным назовем эксперимент, условия, проведения которого можно целенаправленно менять, то есть управлять изучаемым процессом. Достоинством такого метода эксперимента является возможность обеспечить высокую точность проведения каждого опыта и воспроизвести их в одних и тех же условиях. Недостатком—относительная сложность его постановки. Метод активного экспериментирования чаще применяют при проведении исследований в лабораторных условиях.

Пассивным называют эксперимент, условия, проведения которого не могут быть управляемы. Они могут меняться до некоторой степени в связи с изменениям условий наблюдаемого процесса. Исследователь регистрирует значения изменяющихся факторов, обрабатывает результаты и дает рекомендации. Очевидным достоинством метода пассивного эксперимента является простота его постановки, недостатком— высокая погрешность результатов. Этот метод используют при проведении наблюдений над объектом, работающим в режиме нормальной эксплуатации.

Активный эксперимент может быть однофакторным и многофакторным, пассивный—только многофакторным.

Однофакторным называют такой эксперимент, когда изучается воздействие на объект исследования только одного управляемого переменного фактора.

Многофакторным называется эксперимент, при котором на исследуемый объект одновременно действует несколько переменных факторов.

Z₁ Z₂ Z₃ Z_m Z₁ Z₂ Z₃ Z_m

…

X₁

X Y X₂ Y

X₃

X_n

… …

W₁ W₂ W₃ W_p W₁ W₂ W₃ W_p

Схема эксперимента: а) однофакторного, б) многофакторного. Хn, Zm, Wp—соответственно переменные, поcтоянные и неуправляемые факторы, воздействующие на объект исследования; у—выходной: параметр (результат эксперимента)

Методы обоих видов экспериментов имеют свои достоинства и недостатки. Достоинствами однофакторного метода эксперимента являются простота, выполнения и обработки каждого опыта, наглядность результата позволяющая оперативно его проанализировать. Недостатком является необходимость проведения большого количества экспериментов при изучении влияния на процесс многих переменных факторов; кроме того, этот метод не позволяет установить результат совместного влияния некоторых факторов на исследуемый объект, что обычно имеет место в реальных процессах.

Многофакторный метод эксперимента обладает рядом достоинств: позволяют изучить одновременное воздействие на процесс нескольких факторов при проведении сравнительно небольшого числа опытов; обнаружить эффект взаимодействия факторов при совместном их влиянии; построить математическое описание изучаемого процесса (математическую модель), позволяющее оптимизировать выходной параметр без проведения дополнительных опытов.

Однако такой метод исключает оперативный анализ получаемых результатов, ввиду их не наглядности, и требует тщательного выполнения опытов, т. к. трудно обнаружить ошибку, если она вдруг возникает. Недостаткам является также трудоемкость после-дующей обработки полученных результатов.

Метод однофакторного эксперимента широко распространен. Однако, в последнее время, при исследовании сложных процессов, особенно с задачей их оптимизации, все большее применение находит метод многофакторного эксперимента.