Привалов Петр Васильевич

Основы инженерного эксперимента

Зажигаев, Романов – методы планирования и обработки результатов физического эксперимента.

Шенк – Теория инженерного эксперимента

Кондрашов, Шестопалов – Основы физического эксперимента и математическая обработка результатов измерений

Ермаков СМ – Математическая теория планирования эксперимента.

Лекция 1 – 27.09.11

Эксперимент как предмет исследования

Инженерный эксперимент можно классифицировать по различным признакам: по числу переменных, влиянию внешних переменных, характеру взаимодействия переменных и так далее, вне зависимости являются ли эксперименты промышленными, исследовательскими, производственными, поисковыми, теоретическими или прикладными.

Например, при исследовании строительной машины многоцелевого назначения составляются отчеты: о работе двигателя под различными нагрузками, системы управления рабочим оборудованием…

Эксперименты могут отличаться по сложности, но фактически планирование, проведение и анализ всех экспериментов осуществляется в одинаковой последовательности. Мало они отличаются и по форме представляемой отчетности. В отчетах по сложным объектам могут быть представлены отдельные разделы по каждой части объекта, которые составляются специалистами определенной области знаний.

Любой эксперимент заканчивается представлением результатов, формулировкой выводов и рекомендаций. Информация может быть представлена в виде графиков, математических формул, монограмм, таблиц или словесных описаний. Результат может быть представлен в виде зависимости от переменных. С помощью формул можно представить зависимости бОльшего числа переменных. Статистический показатель может дать информацию обо всей совокупности данных и об изменчивости отдельных элементов совокупности.

Инженерный эксперимент позволяет принять решение продолжить испытания или признать неудачу. При проведении экспериментов обязательно требуется самопроверка, какой бы компетенцией не обладал экспериментатор. Эта проверка нужна на каждом этапе проведения эксперимента. Необходимы точность измерений, переменные варьируются до тех пор пока не получен оптимум или рациональная совокупность при большом разбросе данных следует произвести повторные эксперименты.

Эксперимент нельзя проводить по интуиции, нельзя игнорировать возможность появления систематических ошибок, нельзя проводить запоздалые попытки зафиксировать данные, так как в большинстве случаев такой эксперимент будет продолжительным, дорогостоящим и не точным.

Наиболее сложной задачей в инженерном эксперименте является правильная формулировка вопросов связанная с построением плана эксперимента.

Определения и термины

В области планирования эксперимента необходимо применять термины, имеющие узкий смысл, но достаточно точно отражающие физический смысл. Оборудование или аппаратное обеспечение представляется тремя частями: измерительные приборы, испытательная аппаратура и экспериментальный образец испытательного объекта.

Измерительные приборы воспринимают, считывают, измеряют, наблюдают, записывают, хранят, корректируют и показывают.

Испытательная аппаратура – это все необходимое для проведения эксперимента, включая измерительные приборы и объект исследования.

Образец для испытаний – объект подвергаемый испытаниям, который можно при необходимости заменить другим.

План эксперимента – набор инструкций по проведению эксперимента с указанием последовательности работы, характера и величины измерений переменных.

Последовательность проведения эксперимента – порядок, в котором вносится изменение в работу измерительной аппаратуры.

Репликация – повторение эксперимента, то есть возвращение к первоначальным условиям.

Переменная – любая варьируемая физическая величина. Если изменение величины происходит независимо или в зависимости от других величин, то они могут быть не зависимые и зависимые переменные. Если некоторая величина оказывает влияние случайным образом, то ее называют внешней переменной.

Контролируемый эксперимент – эксперимент, при котором влияние внешних переменных исключено, а независимые переменные можно изменять по желанию исследователя. Ошибки могут быть систематическими и случайными. Ошибки имеющие постоянную величину – систематические ошибки, а случайные ошибки различны при повторных измерениях.

Статистический метод позволяет определить средние значения случайных ошибок. Ошибка выражается некоторым числом любой размерности и определяется как разность между калиброванным (или известным) отсчетом и отсчетом снятым с прибора.

Неопределенность – неточность значения, которая является оценкой ошибки.

Рандомизация – уравнение.

Данные – символическое изображение, продукт эксперимента (цифры, фотоснимки).

Обработанные данные – данные нанесенные на график, образуют графическую зависимость и указывают на функциональную зависимость между зависимыми и независимыми переменными, которые можно записать в виде формулы.

При проведении эксперимента получают некоторую конечную выборку отсчетов из бесконечной совокупности ошибок (данных). Чем больше выборка, тем лучше ее распределение приближается к распределению генеральной совокупности.

Обозначения – используются преимущественно в формулах, определяющих физических смысл функционирования объекта. Они применяются для совокупностей, определяющих назначение или отношение к физической величине (процессу). Желательно чтобы обозначения числовые, символические и теоретические описания соответствовали и имели реальную основу. Обозначения всегда оговариваются, например, указываются постоянные и переменные, контролируемые переменные или координаты, отклонение фактических или измеренных значений от точных или калиброванных, которые обозначаются индексом (Х₀-Х=х). Применение латинских и греческих алфавитов также оговаривается.