Главная

Оглавление

Ограничения

Основные определения

Объект исследования

Параметр оптимизации

Виды параметров оптимизации

Требования к параметру оптимизации

Факторы

Определение фактора

Требования, предъявляемые к факторам при планировании эксперимента

Требования к совокупности факторов

Выбор модели

Шаговый принцип

Как выбрать модель?

Полиномиальные модели

Полный факторный эксперимент

Принятие решений перед планированием эксперимента

Выбор основного уровня

Выбор интервалов варьирования.

Полный факторный эксперимент

Свойства полного факторного эксперимента типа 2k

Полный факторный эксперимент и математическая модель

Дробный факторный эксперимент

Минимизация числа опытов

Дробная реплика

Выбор полуреплик. Генерирующие соотношения и определяющие контрасты..

Выбор 1/4-реплик. Обобщающий определяющий контраст.

Реплики большой дробности

Проведение эксперимента

Ошибки параллельных опытов

Дисперсия параметра оптимизации

Проверка однородности дисперсий

Рандомизация

Разбиение матрицы типа 2k на блоки

Обработка результатов эксперимента

Метод наименьших квадратов

Регрессионный анализ

Проверка адекватности модели

Проверка значимости коэффициентов

Принятие решений после построения модели

Интерпретация результатов

Принятие решений после построения модели процесса

Построение интерполяционной формулы, линейная модель неадекватна

Крутое восхождение по поверхности отклика

Движение по градиенту

Расчет крутого восхождения

Реализация мысленных опытов

Принятие решений после крутого восхождения

Крутое восхождение эффективно

Крутое восхождение неэффективно


Дополнительные материалы

Глава 1

Глава 2

Глава 3

Глава 4


Ограничения

 

Будем предполагать, что изучаемый процесс физически осуществлен и перед исследователем стоит задача его оптимизации.

Метод крутого восхождения позволяет получать статические математические модели процессов, используя факторное планирование, регрессионный анализ и движение по градиенту.

Будем предполагать, что:

  1. задача допускает выбор одного параметра оптимизации,
  2. множество определяющих факторов задано,
  3. каждый из факторов управляем,
  4. результаты опытов воспроизводятся,
  5. опыты равноценны, т.е. различием в стоимости
    можно пренебречь,
  6. решается задача поиска оптимальных условий
    (или в некоторых случаях интерполяции),
  7. математическая модель процесса заранее не известна.

Основные определения

 

Планирование эксперимента – это процедура выбора числа и условий проведения опытов, необходимых и достаточных для решения поставленной задачи с требуемой точностью. При этом существенно следующее:

 

  1. Стремление к минимизации общего числа опытов;
  2. одновременное варьирование всеми переменными, определяющими процесс, по специальным правилам – алгоритмам;

3.      использование математического аппарата, формализующего многие действия экспериментатора;

4.      выбор четкой стратегии, позволяющей принимать
обоснованные решения после каждой серии эксперимен­тов.

 

Задачи, для решения которых может использоваться планирование эксперимента, чрезвычайно разнообразны.

Поиск оптимальных условий, построение интерполя­ционных формул, выбор существенных факторов, оценка и уточнение констант теоретических моделей (например, кинетических), выбор наиболее приемлемых из некоторого множества гипотез о механизме явлений, исследование диаграмм состав-свойство – вот примеры задач, при решении которых применяется планирование эксперимен­та. Можно сказать, что там, где есть эксперимент, имеет место и наука об его проведении – планирование экспе­римента.

Задачи поиска оптимальных условий являются одними из наиболее распространенных научно-технических задач. Они возникают в тот момент, когда установлена возмож­ность проведения процесса и необходимо найти наилучшие (оптимальные в некотором смысле) условия его реализации.

Задачи, сформулированные таким образом, на­зываются задачами оптимизации. Процесс их решения называется процессом оптимизации или просто оптими­зацией. Выбор оптимального состава многокомпонентных смесей или сплавов, повышение производительности действующих установок, повышение качества продукции, снижение затрат на ее получение – вот примеры задач оптимизации.

Эксперимент, который ставится для решения задач оп­тимизации, называется экстремальным. Это название свя­зано с глубокой аналогией между решением задачи опти­мизации и поиском экстремума некоторой функции.

Объект исследования

 

 

Для описания объекта исследования удобно пользо­ваться представлением о кибернетической системе. Иногда такую кибернетическую систему называют «чер­ным ящиком». Стрелки справа изображают численные характеристики целей исследования. Мы обозначаем их буквой игрек и называем параметрами оптимизации. В литературе можно встретить другие названии: критерий оптимизации, целевая функция, выход «черного ящика» и т.д.

Для проведения эксперимента необходимо иметь воз­можность воздействовать на поведение «черного ящика». Все способы такого воздействия мы обозначаем буквой икс и называем факторами. Их называют также входами «черного ящика».

При решении задачи будем использовать математиче­ские модели объекта исследования. Под математической моделью мы понимаем уравнение, связывающее параметр оптимизации с факторами. Это уравнение в общем виде можно записать так:

 

.

Такая функция называется функцией отклика.

Каждый фактор может принимать в опыте одно из нескольких значений. Такие значения будем называть уровнями. Может оказаться, что фактор способен прини­мать бесконечно много значений (непрерывный ряд). Однако на практике точность, с которой устанавливается некоторое значение, не беспредельна. Поэтому мы вправе считать, что всякий фактор имеет определенное число дискретных уровней. Это соглашение существенно облег­чает построение «черного ящика» и эксперимента и упро­щает оценку их сложности.

Фиксированный набор уровней факторов (т. е. уста­новление каждого фактора на некоторый уровень) опре­деляет одно из возможных состояний «черного ящика». Одновременно это есть условия проведения одного из возможных опытов. Если перебрать все возможные набо­ры состояний, то мы получим полное множество различ­ных состояний данного «ящика». Одновременно это будет число возможных различных опытов.

Естественно условиться считать, что число различных состояний определяет сложность данной системы. Зная сложность, мы сразу скажем, сколько различных опытов можно включить в эксперимент в нашей задаче.

Чтобы узнать число различных состояний, достаточно число уровней факто­ров (если оно для всех факторов одинаково) возвести в степень числа факторов k: pk, где p – число уровней. Так, на первый взгляд простая система с пятью факторами на пяти уровнях имеет 3125 состояний, а для десяти факторов на четырех уровнях их уже свыше миллиона!

В этих условиях мы просто вынуждены отказаться от таких экспериментов, которые включают все возмож­ные опыты: перебор слишком велик. Тогда возникает вопрос, сколько и каких опытов надо включить в экспе­римент, чтобы решить поставленную задачу? Здесь-то и приходит на помощь планирование эксперимента.

Однако нужно иметь в виду, что при планировании эксперимента не безразлично, какими свойствами обладает объект исследования. Укажем два основных требо­вания, с которыми приходится считаться. Прежде всего, существенно, воспроизводятся ли на объекте результаты эксперимента. Выберем некоторые уровни для всех фак­торов и в этих условиях проведем эксперимент. Затем повторим его несколько раз через неравные промежутки времени и сравним значения параметра оптимизации. Разброс этих значений характеризует воспроизводимость результатов. Если он не превышает некоторой, заранее заданной величины (наших требований к точности экспе­римента), то объект удовлетворяет требованию воспроиз­водимости результатов, а если превышает, то не удовле­творяет.

Планирование эксперимента предполагает активное вмешательство в процесс и возможность выбора в каждом опыте тех уровней факторов, которые представляют ин­терес. Поэтому такой эксперимент называется активным. Объект, на котором возможен активный эксперимент, называется управляемым. Это и есть второе требование к объекту исследования.

На практике нет абсолютно управляемых объектов. На реальный объект обычно действуют как управляемые, так и неуправляемые факторы. Неуправляемые факторы влияют на воспроизводимость эксперимента и являются причиной ее нарушения. Если требования воспроизводи­мости не выполняются, приходится обращаться к активно-пассивному эксперименту.

Возможно, плохая воспроизводимость объясняется дей­ствием фактора, систематически изменяющегося (дрейфу­ющего) во времени. Тогда нужно обращаться к специаль­ным методам планирования.

Планирование экстремального эксперимента – это метод выбора количества и условий проведения опытов, минимально необходимых для отыскания оптимальных условий, т. е. для решения поставленной задачи.

При оптимиза­ции распространен так называемый детерминированный подход. Особенно широко он используется в химии. Детерминированный подход предполагает построение физической модели процесса на основании тщательного изучения механизма явления (например, кинетики, гид­родинамики). Такой подход позволяет полудить матема­тическую модель объекта в виде системы дифференциаль­ных уравнений. Несомненно, что детерминированный и статистический (связанный с планированием экспери­мента) подходы должны разумно дополнять друг друга, а не противопоставляться, как это иногда делается. 

 

далее >>


Сайт управляется системой uCoz